Internet of Things

Das Internet der Dinge (oder Internet of Things, IoT) verbindet physische Geräte mit der digitalen Welt. Bei den Dingen handelt es sich um Geräte oder Sensoren, die drahtlos miteinander oder mit dem Internet verbunden werden.

Arbeitsmittel

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Wie nützlich ist das IoT?

Auf Zuruf wird mir die gewünschte Musik vorgespielt, bei Klingelton kontrolliert mein Smartphone den Bereich vor der Tür, bei Sportveranstaltungen erfahre ich die genaue Wetterentwicklung, auf meiner Armbanduhr sehe ich meine Schrittanzahl – all das sind Beispiele für IoT-Anwendungen. Das IoT ist aus unserem Alltag kaum noch wegzudenken.


Diskutiert gemeinsam in der Klasse:

  • Welche IoT-Anwendungen kennt ihr?
  • Wie nützlich sind diese Anwendungen?

Der Inhalt Ihres
Kühlschranks ist zu
ungesund. Ich bestelle
3 Tonnen Bio-Gurken.
Wenn der Kühlschrank entscheidet …

Wie wichtig ist IoT in eurem Alltag? Macht die Umfrage!

Wie funktioniert das IoT?

Ein IoT-System besteht meistens aus Geräten mit Sensoren, einer Zentrale (Cloud) und einem Kontrollgerät.

Die Geräte mit Sensoren messen und senden Daten. Die Zentrale verarbeitet die Daten. Das Kontrollgerät gewährt Einblick in das System.


Aufbau eines IoT-Systems

Vervollständige das IoT-System, indem du die Symbole in die richtigen Kreise ziehst!

Kamera Kamera Kamera Kamera Kamera


Geräte mit Sensoren

Sensoren erfassen Daten aus ihrer Umgebung. Sie sind meistens an einen Mikrocontroller angeschlossen, der die Daten ausliest, aufbereitet und (z. B. über WLAN, Bluetooth, Satellit, LTE oder 5G) an die Zentrale sendet.

Abbildung eines Windmessers
Ein Wettersensor misst die Temperatur, Windstärke und Windrichtung.

Besprecht gemeinsam in der Klasse:
Welche Sensoren kennt ihr aus eurem Alltag?

Info für Lehrer*innen

Zentrale (Cloud)

Die Zentrale sammelt und speichert die Daten. Manche Zentralen werten die Daten auch gleich aus und senden Befehle an das Gerät zurück. Die meisten Zentralen benötigen eine hohe Rechenleistung, um all die Daten von vielen Sensoren gleichzeitig auswerten zu können. Daher bestehen sie meistens aus vielen zusammengeschlossenen Computern, die die große Datenmenge auf vielen Festplatten speichern. Diese Festplatten werden von der Zentrale verwaltet.

Rechenzentrum mit vielen zusammengeschlossenen Computern
Rechenzentrum mit vielen zusammengeschlossenen Computern

Je nach IoT-System entscheidet die Software in der Zentrale, wie auf die eingehenden Daten reagiert werden soll. Es kann zum Beispiel eine Alarmmeldung an bestimmte Personen gesendet werden oder die Software entscheidet selbst, ob eine Aktion beim sendenden Gerät oder bei einem anderen Gerät ausgelöst werden soll. Wenn die Raumtemperatur in einem Haus zum Beispiel unter einen bestimmten Wert fällt, wird die Heizung eingeschaltet. Manchmal kann das die Software aber nicht selbst entscheiden. In diesen Fällen ist eine Benutzeroberfläche sinnvoll.

Benutzeroberfläche

Auf einer Benutzeroberfläche ist das System zumindest teilweise übersichtlich dargestellt. Man kann meistens über Computer und Tablet oder auch unterwegs mit dem Smartphone auf die Benutzeroberfläche zugreifen und Befehle an die verschiedenen Geräte senden. Die Künstliche Intelligenz erledigt mittlerweile viele Aufgaben und trifft sogar gewisse Entscheidungen.

Benutzeroberfläche zur Steuerung der Raumtemperatur

Entwicklung des IoT

Das IoT ist keine neue Technologie. Seitdem es das Internet gibt, werden Geräte zusammengeschlossen. Die technischen Entwicklungen der letzten Jahre führten aber zu einem richtigen Boom. Einfache Sensoren und Mikrocontroller sind mittlerweile sehr kostengünstig erhältlich.

Beliebte Mikrocontroller:
Arduino Uno
Arduino Uno
ESP32 NodeMCU
ESP32 NodeMCU
Raspberry Pi
Raspberry Pi

Heute ist das IoT kein Luxus mehr, sondern für viele Menschen erschwinglich und einfach zugänglich. Die Anbindung an eine Cloud ist oft sogar kostenlos.

Popup: Sensoren-Netzwerk

Sensoren-Netzwerk

In einem Smart Home gibt es meistens eine Wettervorhersage. Erstelle dafür ein kostengünstiges und leistungsfähiges Netz aus Sensoren und Empfängern!

Smart Home

In einem Haus oder einer Wohnung kann ein Smart Home eingebaut werden. Ein Smart Home ist ein System, in dem die einzelnen Geräte zentral gesteuert und aufeinander abgestimmt sind. Dadurch funktioniert vieles automatisch. Das Smart Home funktioniert im Prinzip ganz einfach: Die Zentrale empfängt Daten von den Sensoren und sendet Befehle an die Aktoren. Die Aktoren führen die gewünschte Aktion aus.

Die Daten der Sensoren werden in der Zentrale gesammelt und oft auch übersichtlich dargestellt. Diese Darstellung, auf die Benutzerinnen und Benutzer per Smartphone, Tablet oder Touchscreen zugreifen können, nennt man Visualisierung (Sichtbarmachung).

Die Befehle können oft auch per Sprache über einen Sprachassistenten (z. B. Amazon Alexa, Google Assistant, Apple Siri) ausgeführt werden.

Visualisierung der Lichtsteuerung in einem Smart Home

Die Zentrale befindet sich entweder in einer Cloud oder auf dem eigenen Computer. Die Cloud hat zwar Vorteile. Aus Datenschutzgründen und als Schutz gegen Hackerangriffe ist der eigene Computer aber der sicherere Ort. Denn falls es einem Hacker gelingt, in das System einzudringen, dann könnte er zum Beispiel das Licht ausschalten, auf die Kamera zugreifen oder die Haustür öffnen.

Mittlerweile gibt es Sensoren und Aktoren von vielen verschiedenen Herstellern. Auch für die Verbindung mit der Zentrale werden unterschiedliche Techniken verwendet. Das ist oft ein Problem, weil die einzelnen Geräte miteinander kompatibel sein müssen, damit die Vernetzung gut funktioniert.

Selbstfahrende Autos

Selbstfahrende Autos, die vollautomatisiert sind, können automatisch lenken, beschleunigen und bremsen. Dabei geht es aber weniger um Bequemlichkeit. Es geht vor allem darum, das Autofahren sicherer und umweltschonender zu machen.


Bei einem selbstfahrenden Auto funktioniert nicht immer alles automatisch. Es gibt 5 Stufen der Automatisierung:

Stufe 0: Keine Automatisierung

Die Person hinterm Steuer fährt, lenkt, beschleunigt, bremst etc. selbst.


Die Person hinterm Steuer bleibt voll verantwortlich.

012345

Auf welcher Stufe befinden wir uns im Moment? Schiebe den Regler auf die entsprechende Stufe und klicke dann auf Überprüfen!

Besprecht zu zweit:
Auf welcher Stufe fühlt ihr euch am wohlsten? Warum?


Sensoren für Assistenzsysteme

In einem neuen Auto können heute viele Sensoren eingebaut sein: Kameras, Radarsysteme, Ultraschallsensoren, Lidar-Systeme. Vor allem in einem selbstfahrenden Auto sind diese Sensoren wichtig, damit der Auto-Bordcomputer ein detailliertes Bild der Umgebung erhält. In der Zukunft soll das Geschehen in der Umgebung sogar jederzeit bis zu 10 Sekunden vorausberechnet werden können. Der Bordcomputer muss allerdings sehr leistungsfähig sein, um die große Datenmenge von all den Sensoren verarbeiten zu können.


Ordne die Sensoren richtig zu:

Kamera Kamera
Lidar Lidar
Radar Radar
Ultraschall Ultraschall
Ein Auto

Vollautomatisierte Autos könnten ihre Vorteile haben. Für die Autohersteller sind sie jedenfalls ein interessantes Geschäft. Wir dürfen dabei aber nicht aus den Augen verlieren, dass vollautomatisierte Autos nur dann sinnvoll sind, wenn damit wirklich weniger Unfälle passieren. Und es wird auch um die Frage gehen: Welche Entscheidungen darf die KI in einem selbstfahrenden Auto selbständig treffen?


Lies den Text und mache dann die Übungen dazu!

Smart City

Der Autoverkehr in Städten verursacht gefährliche Situationen, Lärmbelästigung, Giftstoffe und klimaschädliches CO₂ (bei Verbrennungsmotoren). Straßen verbauen den Raum, der für erholsame Parkanlagen genutzt werden könnte. Es gibt große Probleme in Städten, die wir mit einer intelligenten Städteplanung lösen können.

Smart City ist die Bezeichnung für verschiedene Konzepte der Städteplanung mit dem Ziel, Städte effizienter, umweltfreundlicher und lebenswerter zu gestalten – unter anderem mithilfe einer vernetzten Digitalisierung. Konzepte einer Smart City umfassen vor allem die folgenden Bereiche:

  • Mobilität/Infrastruktur: ein gutes Verkehrskonzept mit öffentlichen Verkehrsmitteln und Radwegen, öffentlicher Internetzugang
  • Lebensqualität: gute Bildungsmöglichkeiten, effizientes Gesundheitssystem, Parkanlagen
  • Verwaltung: behördliche Anfragen oder Anträge können online erledigt werden, öffentliche Transparenz
  • Umwelt: Energieversorgung mit erneuerbarer Energie, Abfallwirtschaft mit Recycling, energieeffiziente Gebäude

Durch vernetzte Digitalisierung soll das Leben in der Smart City effizienter und transparenter werden. Dafür sollen an vielen Orten in der Stadt Sensoren installiert werden, die verschiedene Daten sammeln.

Info für Lehrer*innen
Infografik zum Leben in der Smart City
Leben in der Smart City

Hacks und Tricks

Richtlinien zum Datenschutz bei IoT-Anwendungen:

  • sensible Daten anonymisieren oder verschlüsseln (z. B. Verschlüsselung von Gesundheitsdaten, bevor sie übertragen werden)
  • zur Datenübertragung zwischen IoT-Gerät und anderen Plattformen nicht das öffentliche WLAN-Netzwerk, sondern sichere Verbindungen (z. B. HTTPS) verwenden
  • sicherstellen, dass die Firmware (Betriebssystem) des IoT-Geräts aktuell ist (Sicherheitsupdates), um mögliche Schwachstellen auszuschalten
  • Verwendungszweck von Daten hinterfragen (z. B. smartes Thermometer benötigt keine persönlichen Daten)
  • Möglichkeit zum Löschen von Daten und Zurücksetzen des Geräts überprüfen (z. B. Videoclips der Heimüberwachung)


3. Internet of Things
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