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1.2.2016 Internet der Dinge (IoT) für Integratoren, Copyright (c) 2016, Marcel mc­b Bernet, Zürich
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Internet der Dinge (IoT) für
Integratoren
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Über Marcel mc­b Bernet
Nach langen Jahren als Stabstelle und Technologie Vordenker bei
diversen Firmen und der öffentlichen Verwaltung und Mitglied in
diversen Expertenkommissionen widmet sich Marcel Bernet heute
hauptsächlich der Beratung und Schulung.
Als ehemaliger /ch/open Präsident und heutiges Ehrenmitglied
entwickelt und fördert er Open Source und setzt diese in seinen
Projekten ein.
Projekte
IoTKit (C/C++, Open Hardware)
3D Druck (Open Manufacturing)
microSRCP (C/C++, Open Hardware/Manufacturing)
microHOME (C/C++, Smart Home)
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Agenda
Internet der Dinge (IoT)
Smart Home
Industrie V4.0
Big Data (Data Analytics)
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Internet der Dinge (IoT)
Das «Internet der Dinge» vereint die physische mit der digitalen
Welt und bietet so die Möglichkeit für neue Geschäftsmodelle.
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IoT Ecosystem (Ökosystem)
Industrie 4.0
Machine­to­Machine (M2M)
Eingebettete (Embedded) Systeme
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IoT Einsatzgebiete (Zukunft)
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Architektur: IoT Layer
Quelle: http://www.iot­lab.ch/wp­content/uploads/2014/11/EN_Bosch­Lab­White­Paper­GM­im­IOT­1_3.pdf
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Architektur: Netzwerk Layer
Little Data ­ Daten von Sensoren und Aktoren,
Ressourcenschonend, an einen Device Server übermitteln (z.B.
Temperaturwert).
Device Server ­ Informationen sammeln. Interoperabilät
zwischen Geräteprotokollen und REST herstellen.
Big Data ­ Technologien: zum Sammeln und Auswerten von
Daten.
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Weitere Informationen
QIVICON Initiative: QIVICON kompatible Produkte
Samsung SmartThings
13 Produkte für Kleinkinder
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IoT Hardware
Anforderungen
mbed Plattform
IoT Board und Shield
GPIO
SoC
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IoT Hardware: Anforderungen
Einfache Einbindung in bestehende Netzwerke (Ethernet,
WLAN, 6LoWPAN, Mobilfunk, Bluetooth)
Anpassung an limitierte Ressourcen der Geräte (min. 32KB
Flash, 4KB RAM) oder Wissen der Anwender
Antwortzeiten unter 100 Millisekunden für eine typische
Interaktion (z.B. im Auto)
Nahtlose Integration mit Smartphones und Tablets (Mobile
First)
Minimaler Stromverbrauch für lange Batterielebensdauer (ein
Jahr und länger)
Quelle Bild: swisscom M2M Day 2015
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IoT mbed Plattform
mbed ist Platform und Betriebssystem für Internet­verbundene
Geräte auf Basis von 32­Bit­ ARM Cortex­M ­Mikrocontroller.
Eine Komponenten Library ergänzt die mbed Plattform.
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IoT Board und Shield
FRDM K64F
Mikrocontrollerboard
IoTKit SMD Shield
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IoT Board GPIO
Allzweckeingabe/­ausgabe (engl. GPIO ­ General Purpose Input/Output) ist ein allgemeiner Kontaktstift (Pin) an
einem Mikrocontroller, dessen Verhalten, unabhängig, ob als Eingabe­ oder Ausgabekontakt, durch logische
Programmierung frei bestimmbar ist. GPIO­Kontakten ist kein Zweck vorgegeben, sie sind daher standardmässig
unbelegt.
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SoC
System­on­a­Chip (SoC, dt. Ein­Chip­System), versteht man die
Integration aller oder eines großen Teils der Funktionen eines
Systems auf einem Chip, z.B. ARM Cortex M0 und Bluetooth.
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Hardware: Weitere Informationen
mbed Platforms
mbed Components
FRDM K64F
IoTKit SMD Shield
Ultra­low­power Bluetooth Smart SoC with integrated ARM
Cortex­M (CHF 1.36 ­ 2.57)
Fitness Tracker
Fitness Tracker: Hack in Progress
Freescale KL46Z Kinetis KL4 MCU
Fitness Tracker Beispiel für KL46Z
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IoT Software
IoT Cloud (IDE) Compiler
mbed OS
Programmiersprache
GPIO Klassen
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IoT Cloud (IDE) Compiler
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IoT mbed Full­Stack­Plattform
Mit der mbed Version 3 entsteht eine Full­Stack­Plattform
(Durchgängig, Umfassend), mit Hardware Abstraktion,
Konnektivität, Sicherheit Power­Management etc.
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mbed GPIO Klassen
DigitalOut ­ Setzt den Pin auf 0 oder 3.3 Volt
DigitalIn ­ Auslesen der Spannung 0 oder 3.3 Volt
AnalogIn ­ Auslesen einer analogen Spannung 0 ­ 5.0 Volt
PwmOut ­ Erzeugen einer Spannung von 0 ­ 3.3 Volt, mittels
Pulsweitenmodulation (PWM)
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mbed Beispiel(e) und Demo
Komplettes Beispiel: Motor_DigitalOut
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Smart Home
Smart Home Software
IoT Connectivity
Smart Home Binding
Integration
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Smart Home: Software
openHAB (open Home Automation Bus) ist eine in Java
entwickelte Softwarelösung, die Komponenten zur
Gebäudeautomatisierung, Hersteller­ und Protokollneutral in einer
Plattform miteinander verbindet.
openHAB ist durch Hinzufügen weiterer Bindings um zusätzliche
Technologien/Protokolle erweiterbar.
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IoT Connectivity: Übersicht
Die mbed Plattform beinhaltet eine RPC Library (RPC ­ „Aufruf
einer fernen Prozedur“), welche ausgesuchte mbed Objekte
(DigitalPin, DigitalOut etc.) mittels Serieller Schnittstelle oder via
HTTP Aufrufen, zur Verfügung stellt.
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IoT Connectivity: Beispiel
Komplettes Beispiel: RPCHTTPServerSimple
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IoT Connectivity: Client (Demo)
Aktor (LED) Wert setzen
Aktor Motor Vor­/Zurück und Stop setzen
Sensor (Potentiometer) Wert auslesen
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Smart Home Binding: Definition Geräte
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Smart Home Binding: Java
Komplettes Beispiel: /ch/open Workshoptage
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Smart Home: Demo
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Smart Home: Integration
Integration via REST gegen Smart Home Server
Smart Home Server wird zum Device Server
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Industrie V4.0
Protokolle und Standards
Services & Frameworks
Integration
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Standards und Protokolle
HTTP
MQTT
CoAP
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HTTP
Das Hypertext Transfer Protocol (HTTP, englisch für Hypertext­
Übertragungsprotokoll) ist ein Protokoll zur Übertragung von
Nachrichten und Daten.
Jede Nachricht besteht dabei aus zwei Teilen, dem
Nachrichtenkopf (englisch Message Header, kurz: Header oder
auch HTTP­Header genannt) und dem Nachrichtenrumpf (englisch
Message Body, kurz: Body).
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MQTT
Message Queue Telemetry Transport (MQTT) ist ein offenes
Nachrichten­Protokoll für Machine­to­Machine­Kommunikation
(M2M).
MQTT implementiert das Publish/Subscribe­Pattern. Es ersetzt die
Punkt­zu­Punkt­Verbindungen durch einen zentralen Server
(Broker).
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CoAP
Constrained Application Protocol (Coap) ist ein Software­Protokoll
welches für Internet der Dinge Geräte zugeschnitten ist. COAP ist
auf den meisten Geräten, die UDP Unterstützen, lauffähig.
Ein COAP fähiges Gerät publiziert seine Sensoren und Aktoren in
einem Resource Directory oder stellt selber ein solches zur
Verfügung. Mittels Resource Discovery können die vorhandenen
Sensoren und Aktoren abgefragt werden.
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REST
Representational State Transfer (abgekürzt REST, seltener auch
ReST) bezeichnet ein Programmierparadigma für verteilte
Systeme. REST ist eine Abstraktion der Struktur und des
Verhaltens des World Wide Web. REST fordert, dass eine Web­
Adresse genau einen Seiteninhalt repräsentiert, und dass ein
Web­/REST­Server auf mehrfache Anfragen mit demselben URI
auch mit demselben Webseiteninhalt antwortet.
Der Vorteil von REST liegt darin, dass im WWW bereits ein
Großteil der für REST nötigen Infrastruktur (z. B. Web­ und
Application­Server, HTTP­fähige Clients, HTML­ und XML­Parser,
Sicherheitsmechanismen) vorhanden ist, und viele Web­Dienste
per se REST­konform sind. So ist eine Webseite, auf der ständig
die aktuelle Uhrzeit in immer demselben Format abrufbar ist,
REST­konform.
HTTP und CoAP folgen dem REST Paradigma.
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Industrie V4.0
Services & Frameworks
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iot.eclipse.org
Das IoT Eclipse Ecosystem ist eine Sammlung von Internet der
Dinge Projekten:
Eclipse Smart Home (openHAB2), LWM2M, Mosquitto etc.
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iot.eclipse.org: Californium & Leshan
Californium
Ist ein Framework zum Erstellen von CoAP Clients in Java.
Leshan 
Leshan Erweitert Californium um einen Lightweight M2M
(LWM2M) Server
Beinhaltet:
RD ­ Resource Directory (Verwalten von CoAP Clients)
Eine Web Oberfläche
REST API
Standard Device Management Objects (1 = Server, 3 =
Gerät, 3201 = Digital Output etc.)
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iot.eclipse.org: Leshan (Demo)
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Industrie V4.0: Integration
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Industrie V4.0: Links
Open Mobile Alliance
IoT Eclipse
CoAPLeshan Beispiel
MQTT Beispiel
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Big Data
Technologien: zum Sammeln und Auswerten von Daten.
Trends
Beispiele
Integration
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Big Data: Trends
Machine Learning
Erkennen von semantischen Zusammenhängen in riesigen
Datenmengen (z.B. Abnormalitäten)
Digitale Transformation
Daten, die ohnehin in Massen verfügbar sind, in einen
neuen Kontext stellen und auf neuartige Weise verknüpfen
Predictive Analytics
die Fähigkeit, auf Basis von verfügbaren Daten verlässliche
Prognosen zu erstellen
Leichtgewichtige Datenintegration
Daten und Informationen über alle Abteilungs­ und
Applikationsgrenzen hinweg intelligent zu verknüpfen
Datenvisualisierung und 360­Grad­Sicht
Explorative Navigation durch Informationen und deren
Visualisierung
Quelle: Computerwoche.de
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Big Data: Amazon Cloud Workflow
Quelle: Amazon IoT
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Big Data: ThingSpeak (Demo)
Public Channel
Komplettes Beispiel: HTTPPOSTThinkSpeak
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Big Data: Beispiel Eindhoven
Quelle: eCH GV 2014 ­ Intelligentes Verkehrsleitsystem
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Big Data: Beispiel Rio de Janeiro
Quelle: eCH GV 2014 ­ Katastrophenschutz
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Big Data: Integration ProgrammableWeb
API Directory
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Big Data: Links
Vereine und Technologien:
http://opendata.ch
NoSQL Datenbanken
Semantisches Web
Anbieter und Strategien:
Amazon Cloud
IBM Cloud
ThingSpeak
plot.ly
IoT Strategien von Amazon, IBM, Microsoft, SAP etc.
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IoT Trends (Gartner)
1. In der IoT­Ära benötigen nicht, wie bisher nur Mitarbeiter und
Kunden ein Identitätsmanagement, sondern auch IoT­Geräte
2. IoT­Analytics Entwickelt sich zu einer eigenen Disziplin und
Produktkategorie
3. Anbieter von Enterprise Mobility Management (EMM)
Akquirieren Spezialisten für IoT­Software­Plattformen.
4. Es Entsteht eine weitere neue Software­Kategorie: IoT­
Subskription und ­Abrechnung.
Quelle: Computerwoche.de
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Links
Kurse ­ Internet der Dinge für Implementierer
Grundlagen
Aufbau 1 ­ Komplexe Anwendungen
Aufbau 2 ­ «Dinge» und die Cloud
Aufbau 3 ­ Raspberry Pi und Co. als Server
Internet der Dinge für Integratoren ­ in Plannung
Infrastructure as Code ­ in Plannung
Big Data / NoSQL Datenbanken ­ in Plannung
/ch/open OBL vom 4.2.16: Infrastructure as Code
Repository mit Docker Images
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