IoT-Plattform Vorteile mit LoRaWAN – am Beispiel Bierbrauerei

Welche Bedeutung Daten im IoT-Bereich zukommt und welche Möglichkeiten und Vorteile einer IoT-Plattform bei der Präzisierung und Auswertung zukommt, wird in diesem Artikel anhand der Umsetzung in einem Brauereibetrieb veranschaulicht.

Das Internet of Things (IoT) ist kein Selbstzweck, um einfach nur Daten aus vernetzten Geräten ins Internet zu bringen. Es geht immer um Anwendungen. Die besondere Herausforderung im IoT-Bereich ist, systematisch die Geräte aus unterschiedlichen Einsatzbereichen maschinenlesbar und für die Entwickler verständlich aufbereitet abzubilden, trotz diverser Technologien und Protokolle. Wenn IoT-Daten gut und umfassend abstrahiert und mit Metadaten angereichert werden, dann entstehen Informationen.

Eine IoT-Plattform repräsentiert die Informationen der physischen Welt im Internet, so dass für Anwendungsentwickler die Aufwände bei der Umsetzung von Use Cases massiv sinken. Es entstehen Freiräume für kreative neue Anwendungen. Eine Beispielanwendung greift dabei das Jahrhunderte alte Handwerk des Bierbrauens auf und nutzt die Möglichkeiten der CONNCTD IoT-Plattform sowie die vielerorts entstehender LoRaWAN-Netze. Wie schnell daraus mehr werden und sogar neue Erkenntnisse für Unternehmensprozesse bedeutet, lesen sie hier.

Was ist IoT?

Das Internet der Dinge (IoT) ist ein inzwischen weit verbreiteter Sammelbegriff für Technologien, um bestehende und neue digitale Services mit Daten aus der physischen Welt zu kombinieren. Klingt simpel, ist vielfältig, denn wie immer sind ein paar Dinge dabei zu berücksichtigen. Darüber wurde bereits viel gesprochen, wir wollen das jetzt auch noch mal machen, um unser Verständnis zu verdeutlichen.

IoT ist kein Selbstzweck, um einfach nur Daten aus vernetzten Geräten ins Internet zu bringen. Es geht immer um Anwendungen, die jedoch sehr unterschiedlich sein können:

• Privatkundenanwendungen, z.B. aus dem Bereich Smart Home.
• Professionelle Anwendungen, oft unter Industrie 4.0 zusammengefasst.
• Und jede Menge Bereiche dazwischen, die sich sogar häufig überlagern – also keiner dieser Bereiche bzw. Domänen zuzuordnen sind.

Für alle diese Einzelfelder gibt es auch noch unterschiedliche Protokolle und Technologien, so dass die Vielfalt noch größer ist.

IoT-Herausforderungen

Die besondere Herausforderung im IoT-Bereich ist, systematisch an die Aufgabe heranzugehen und die Geräte aus unterschiedlichen Einsatzbereichen maschinenlesbar und für die Entwickler verständlich aufbereitet abzubilden, trotz diverser Technologien und Protokolle. Es ist eine universell nutzbare Repräsentanz der physischen Welt im Internet zu schaffen.

Dafür ist es sinnvoll, die Welt der Hardware erst einmal von der Welt der Services zu entkoppeln, um flexibel auf technische Veränderungen oder neue Serviceanforderungen reagieren zu können. Das vermeidet teure und siloartige Entwicklungen und erhöht am Ende die Effektivität und Effizienz bei Entwicklung und Betrieb.

Bedeutung von Daten für IoT

Bevor wir die Prinzipien einer IoT-Plattform konkreter und am Beispiel erläutern, zum besseren Verständnis zunächst ein kurzer Exkurs zum Thema Daten: Maschinen übertragen Daten nicht nur binär, sondern auch in der Regel möglichst kompakt und effizient. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass gerade im Bereich IoT die Ressourcen Bandbreite, Energie, Speicher und Rechenleistung sehr limitiert sind. Aspekte wie Interpretierbarkeit, Wohlgeformtheit etc. werden daher hier in der Regel außer Acht gelassen.

Im Beispiel LoRaWAN stehen nur 51 Bytes zur Verfügung, wenn die Übertragung auch unter erschwerten Bedingungen erfolgen soll. Hieran kann man schon erkennen, dass die übertragenen Daten niemals ohne zusätzliches Wissen verstanden werden können. Nur mit diesem Wissen kann z.B. gefolgert werden, dass in den 4 Bytes eine Temperatur steckt, die als 32 Bit lange Floating Point Number enkodiert wurde. Allerdings ist das natürlich nicht gesetzt. So könnte die Temperatur genauso gut als Binary Coded Decimal, Integer in Dezigrad o.ä. enkodiert sein. Je nach Gerät und Anwendungszweck ist mal die eine oder die andere Form opportun.

Ohne eine weitere Abstraktion der Daten wäre es nötig, für jede Anwendung, die diese Daten konsumieren soll, die Dekodierung der Daten erneut zu implementieren. Aber selbst dann würden lediglich Sensorwerte aus der gesendeten Nachricht extrahiert. In praxistauglichen Anwendungsszenarien ist dies für sich genommen beinahe wertlos!

Metadaten präzisieren die Sensordaten

Um den extrahierten Daten Wert und Nützlichkeit zu geben, werden weitere Informationen, oft als Metadaten bezeichnet, benötigt. Das Gerät selbst verfügt in der Regel nicht über diese Metadaten. Das Gerät könnte sie also selbst bei ausreichender Übertragungskapazität nicht übermitteln. Allerdings können keine sinnvollen Schlüsse aus einem Messwert gezogen werden, ohne zu wissen, wo das Gerät verbaut ist, was es gerade tatsächlich misst und zu welchem Prozess es gehört. Auf Basis der übermittelten Daten kann keine Entscheidung getroffen werden.

Oft wird dies gelöst, indem die entsprechende Fachanwendung die Metadaten über die jeweiligen Geräte bereithält. Wird nur eine Fachanwendung eingesetzt, ist dies oft ausreichend. Wir bezeichnen diese Vorgehensweise auch allgemein als Silos.

Es zeigt sich jedoch, dass in vielen offenen Installationsumgebungen oder im Selbstverständnis moderner Unternehmen Daten in mehreren Anwendungsfällen genutzt werden sollen, die zum Zeitpunkt der Geräteinstallation noch nicht existieren müssen.

In der Praxis ist es häufig so, dass verschiedene Fachanwendungen unterschiedliche oder gar sich überschneidende Metadaten über die gleichen Geräte vorhalten. Dies ist komplexitätstreibend und macht es Anwendungsentwicklern unnötig schwer, diese Daten in neuen Kontexten und Anwendungsszenarien sinnvoll einzusetzen.

IoT Middleware übernimmt Abstraktion und Hinzufügen von Metadaten

Es gibt somit sehr naheliegende Gründe, sich nicht in der Anwendung um die Abstraktion der Daten und um das Hinzufügen von Metadaten zu kümmern, sondern diese „Jobs“ einer IoT Middleware zuzuordnen.

Eine IoT Middleware, die umfassende Abstraktionsprinzipien bietet und gleichzeitig systematisch das Abbilden von Metadaten ermöglicht, löst gleich mehrere Probleme:

Vorteile einer IoT Middleware

• Daten werden in einer vereinheitlichten Weise Anwendungsentwicklern bereitgestellt, ohne dass von diesen jedes Protokoll beherrscht werden muss.
• Erhobene Installations- und Metadaten werden einmalig erfasst und stehen danach in einer einheitlichen Form auch für andere Anwendungen zur Verfügung.

Wenn unterschiedlichste Daten gut und umfassend abstrahiert und beschrieben werden, dann werden daraus Informationen. Damit sinkt für die Anwendungsentwickler der Aufwand bei der Umsetzung von Use Cases.

Till Klocke, Co-Founder & Lead Architekt/Developer, IoT CONNCTD GmbH

Mit dieser Vorgehensweise nutzen Entwickler eine Umgebung und eine Schnittstelle für das Entwickeln von Anwendungen. Änderungen an der Hardware, dem Übertragungsnetz oder gar ein komplettes Ersetzen der Sensorinfrastruktur haben so keine Auswirkung auf die Fachanwendungen.

IoT-Plattformen erklärt

Die Nützlichkeit einer IoT-Plattform

Eine IoT-Plattform soll es Serviceentwicklern und Herstellern einfacher machen, ihre Aufgaben zu erfüllen. Werden wie dargestellt Abstraktion und Beschreibungen von Geräten und deren Installationsumgebungen über eine IoT Middleware verfügbar, dann lässt sich das mit weiteren Funktionen verbinden, so dass daraus eine flexible und offene IoT-Plattform entsteht.

Zu solchen Services zählen entwicklerfreundliche Tools zum Abbilden von Geräten und Systemen, APIs zum Abfragen von Daten oder zum Steuern von Geräten sowie zum Verarbeiten von Daten z.B. in Zeitreihendatenbanken, Analysen oder Regeln sowie Event- oder Notifikationsservices für vereinfachtes Mitteilen von Ereignissen oder (Daten-)Änderungen.

Eine IoT-Plattform regelt zusätzlich die Rechte zum Zugriff auf Hardware bzw. deren Daten oder die Berechtigung, auf diesen Geräten und Systemen Aktionen auszuführen, also Geräte zu steuern. Damit ergeben sich auch weitere Möglichkeiten, z.B. Anwendungs- und Betriebsprozesse parallel abzubilden und nicht über zwei unterschiedliche Systeme zu gehen. Die IoT-Plattform ermöglicht es, neben unterschiedlichen Rechten auch die abstrahierten Informationen differenziert zur Verfügung zu stellen.

Was ist eine IoT-Plattform?

Eine IoT-Plattform repräsentiert die physische Welt im Internet, sodass sie Daten als Informationen maschinenlesbar und für den Menschen verständlich aufbereitet. Im besten Fall lassen sich in der IoT-Plattform technologie- und domänenübergreifend Informationen suchen und finden wie in einer Internetsuche.

Axel Schüßler, Co-Founder & CEO, IoT CONNCTD GmbH

Digitalisierung des Brauereihandwerks

Jahrhunderte alte Handwerke werden digitalisiert

Von gut aufbereiteten und abstrahierten Daten profitiert praktisch jede Industrie. Selbst sehr alte Industrien wie das Brauereigewerbe können mit Hilfe dieser Daten ihre Prozesse verbessern. Auch wenn eine Brauerei seit Jahrhunderten erfolgreich agiert, steht sie doch kontinuierlich unter dem Druck von Kunden, eines sich ändernden Marktes, Konkurrenten und rechtlichen Anforderungen.

Prozesse in der Brauerei

Auf Basis der Erkenntnis “Der Brauer macht nur die Würze, die Hefe macht das Bier”, ist der kritischste Prozessschritt vermutlich die Fermentation in den Gärtanks. Die Biotransformation durch die Hefe wird vor allem durch Temperatur und Druck beeinflusst. Werte über Füllstand, relative Dichte, PH-Wert und Gäraktivität können wertvolle Einblicke in den Erfolg oder Misserfolg der Biotransformation geben. Da selbst bei kleinen Brauereien schnell Warenwerte von mehreren Zehntausend Euro in diesen Tanks verarbeitet werden, ist eine kontinuierliche Beobachtung dieser Werte absolut wünschenswert.

Auswertung der Sensoren mit LoRaWAN

Wie auch in vielen anderen industriellen Kontexten sind für solche nachgerüsteten Sensoren fest verkabelte Lösungen häufig unerwünscht oder aufgrund von Brandschutz- oder Hygienevorschriften schwierig bis unmöglich. Aber auch kabellose Technologien werden von vielen industriellen Umgebungen vor Herausforderungen gestellt.

Größe und Materialbeschaffenheit des Geländes (in diesem Fall viel Edelstahl und Flüssigkeiten) machen Technologien wie WiFi, BLE praktisch unbrauchbar. Aber auch mobilfunkbasierte Technologien haben Probleme in solchen Umgebungen und ggf. ist man zusätzlich den Ausbauplänen der Betreiber ausgeliefert. LoRaWAN kann daher in industriellen Anwendungen eine geeignete Technologie sein, um Sensordaten zu erheben oder sogar Aktoren zu steuern.

Einsatz von LoRaWAN in der Brauerei

Zurück zum Beispiel: Die Brauerei kann mit vergleichsweise geringem Aufwand sämtliche Gärtanks mit LoRaWAN-basierten Geräten ausstatten, die Füllstand, Temperatur, Druck messen und sogar beeinflussen. Das wird oft als Retrofitting bezeichnet und erlaubt den Brauern und Mälzern in diesem Fall eine zentrale und sehr dichte Überwachung der Fermentation.

Dabei sind die Brauer und Mälzer aber nicht die einzigen, die potentiell an diesen Werten interessiert sind. Wäre dem so, könnte recht schnell eine Fachanwendung gebaut werden, die direkt die empfangenen Bytes der LoRaWAN-Geräte dekodiert, ausgibt, speichert und auswertet. Das ergäbe dann das so erwähnte Silo und die Brauer würden sich vieler interessanter und durchaus wichtiger Anwendungsszenarien berauben.

Auch könnte die Brauerei schnell in Bedrängnis kommen, wenn neuere Gärtanks solche Sensorik aus Basis anderer Technologien bereits mitbringen. Die Integration in einem solchen Umfeld nimmt häufig Verläufe, die Jahre später dann gerne als “historisch gewachsen” euphemistisch umschrieben werden.

Sinnvoller Einsatz einer IoT-Plattform

Um eine flexible, effiziente und zukunftssichere Architektur zu erreichen, bietet sich hier der Einsatz einer IoT-Plattform an. Die Brauerei würde ihre Sensoren nun nicht mehr direkt in eine Fachanwendung integrieren, sondern erstmal an die Plattform anbinden. Das hat den unmittelbaren Vorteil, dass die Fachanwendung für die Brauer und Mälzer gegen die Entwicklerschnittstelle (API) der IoT-Plattform arbeitet. Viele Funktionen müssen nicht neu abgebildet werden, sondern können direkt über die API der IoT-Plattform genutzt werden, z.B. Prozessdaten und historische Daten sowie der effiziente Zugriff darauf.

Webinar: Post-COVID Business mit IoT und LoRaWAN

Die Brauer-Fachanwendung kann auf der anderen Seite wichtige Metadaten über die Sensoren wohlgeformt und zentral in der IoT-Plattform ablegen. Antworten auf Fragen wie “Welcher Sensor hängt an welchem Gärtank”, “Welcher Sud befindet sich in einem bestimmten Gärtank” und “In welchem Gebäudeteil befindet sich ein Gärtank” können so zentral gepflegt werden. Dadurch stehen die erhobenen Metadaten auch für weitere Anwendungen zur Verfügung. Neben Brauer und Mälzer gibt es weitere Bereiche mit Interesse an Daten der Gärtanks.

Die Vorteile einer IoT-Plattform für den Brauer:

• Viele Funktionen über API der IoT-Plattform nutzbar
• Effizienter Zugriff auf historische Prozessdaten
• Zentrale Ablage wichtiger Metadaten

Mit Hilfe der zentral und einheitlich verfügbaren IoT- und Metadaten können auch Controlling, Logistik, Einkauf etc. jederzeit und live die Belegung der Gärtanks überprüfen. Und sie können diese in deren jeweiligen Fachanwendungen berücksichtigen und mit anderen Bestandsdaten wie den Kosten für spezifische Sude kombinieren, so dass jederzeit ein Überblick über Warenmenge, Warenwerte, Termine usw. existiert.

Optimierung betrieblicher Prozesse

Damit ist aber noch nicht Schluss. Wie oben dargestellt können parallel betriebliche Prozesse unterstützt werden, um die Maschinenqualität zu erfassen und die Wartung zu optimieren. Kontinuierliche Vergleiche zwischen Soll- und Ist-Druck lassen z.B. Undichtigkeiten in Drucktanks früher aufzeigen als durch manuelle Inspektionen und damit Materialkosten und Betriebszeiten optimieren.

Nutzung von IoT-Daten für weitere Bereiche

In dritter Perspektive können auch Personen außerhalb des Brauereibetriebs sehr interessiert an den erhobenen Daten sein. So könnte ein Kühlmitteltechniker anhand der Temperaturverlaufskurven und deren Entwicklung schon frühzeitig Probleme mit Kühlkompressoren erkennen, ohne dass die Kompressoren selbst mit entsprechender Sensorik ausgerüstet sein müssen. Dadurch können weitere zur Produktion erforderliche Maschinen überwacht werden.

Die IoT-Plattform des Anbieters IoT CONNCTD – offen und interoperabel

Vor diesem Hintergrund und mit diesem Verständnis hat der Anbieter IoT CONNCTD ihre IoT-Plattform konzipiert und entwickelt, denn ohne eine zuverlässige, offene und umfassende IoT-Plattform würden Daten einfach Zahlen ohne weiteren Wert sein, in Silos feststecken und ihren Nutzen nicht entfalten.

IoT CONNCTD unterstützt Service-Provider, Hersteller und Developer, eigene datenbasierte Angebote zu etablieren und betreiben dafür eine universelle, offene und interoperable IoT-Plattform. Der einfache Umgang mit vernetzten Geräten erfolgt über eine innovative Graph-API, die die umfassenden Beschreibungen und Metadaten der Geräte über Thing- und Unit-Services zur Verfügung stellt – so intuitiv wie bei einer Internetsuche.

Die CONNCTD IoT-Plattform bietet Service-Entwicklern die Möglichkeit, Geräte zu steuern und Daten für ihre Anwendungen auf sehr flexible Weise zu analysieren oder in KI-Tools zum Einsatz zu bringen. Partner werden dabei unterstützt, Prozesse zu optimieren, und innovative Dienste zu etablieren. Hersteller profitieren von einem skalierbaren IoT-Backend zur flexiblen Abbildung von Geräten im Internet und einem Device Management zum effizienten und sicheren Betrieb der Geräte.

Praxistipp für Internet of Things-Anwendungen

IoT-Anwendungen gelingen dann, wenn die Aufgabenstellungen klar definiert sind. Ob das nun der Anwendungsfall in der Brauerei ist, eine Fischtreppe, das Überwachen von Umweltdaten oder Füllständen von Mülleimern – es ist wichtig zu wissen, welches Problem man lösen will. Dann wird klar, welche Sensoren benötigt werden und welche Qualität und Quantität erforderlich ist. Anschließend kann die Auswahl der Geräte beginnen.

Der Vorteil einer IoT-Plattform wie der von CONNCTD ist, dass parallelisiert gearbeitet werden kann. Während die Suche nach der Hardware läuft, kann die Anwendung schon entwickelt und getestet werden. Gegebenenfalls werden simulierte Daten herangezogen, um die App oder das Frontend bzw. den Datenaustausch zu bestehenden Anwendungen schon zu testen. Später erfolgt dann die Kopplung zu ausgewählten Geräten.

Wichtige Fragen vor der Auswahl einer IoT-Plattform:

• Welches Problem soll damit gelöst werden?
• Welche Sensoren werden benötigt?
• Welche Qualität und Quantität ist erforderlich?

Aber selbst, nachdem man einen Anwendungsfall perfekt umgesetzt hat, stellt man immer wieder fest, wie sich verschiedenste Anwendungen, die zuerst isoliert betrachtet und umgesetzt worden sind, innerhalb einer Plattform miteinander sinnvoll vernetzen lassen.
So entstehen echte Synergien und durch das Kombinieren einzelner Bausteine wieder neue Anwendungsfälle.

Um zu zeigen, was alles machbar ist, wenn IoT-Geräte in einer Plattform zusammenarbeiten, unterstützt IoT CONNCTD das LoRaWAN-Projekt von Thomas-Krenn. Darüber hinaus bietet IoT connctd Workshops an, die vermitteln, wie man von IoT-Daten zu nutzbaren Informationen kommt und diese Informationen sinnvoll miteinander vernetzt.

Torsten Sommer, Head of IoT Lab, IoT CONNCTD GmbH

Wie man hier vorgehen sollte, wie man sich in diesem Prozess seine Kreativität bewahrt und wie in geeigneter Weise Daten und Metadatenerfassung erfasst und ausgewertet werden, zeigen wir Ihnen hier in unserem Webinar: Post-COVID Business mit IoT und LoRaWAN:

„Während wir uns bei Thomas-Krenn in den angestammten Gebieten der Hardware-Ausstattung auf die Funktionstüchtigkeit der Systeme konzentrieren können, schließt IoT CONNCTD die Lücke zum Anwendungsszenario der Kunden, indem sie den Einsatz der Hardware mit der bestmöglichen Sammlung, Analyse und Nutzung der dabei gesammelten Daten zuführt.“

Bernhard Seibold, Manager Systems Engineering und Prokurist, Thomas-Krenn.AG

Tags: digitalisierungEdge ComputingIIoT

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