Internet der Dinge und Prozessautomatisierung
Im Gewächshaus einer Gärtnerei misst ein kleines Gerät Temperatur und Bodenfeuchte. Wird es zu warm, öffnet sich eine Lüftungsklappe. Ist der Boden zu trocken, läuft die Bewässerung an. Die Gärtnerin sieht auf ihrem Handy den Verlauf der letzten Woche, ohne vor Ort zu sein.
Wie spricht das Gerät mit dem Handy? Woher weiß es, was zu tun ist? Und was passiert, wenn sich ein Fremder in das Gerät einwählt? Die Lektion erklärt die Bausteine dahinter.
Internet der Dinge, Sensoren und Aktoren
Das Internet der Dinge (englisch Internet of Things, IoT) umfasst Gegenstände mit einem kleinen Rechner, Sensoren oder Aktoren und einer Netzverbindung, die Daten über das Internet austauschen: Heizungsthermostate, Fitnessarmbänder, Stromzähler, Maschinen in einer Fabrik.
Ein Sensor misst eine physikalische Größe (Temperatur, Helligkeit, Feuchte, Druck, Bewegung) und liefert ein elektrisches Signal. Ein Aktor macht aus einem elektrischen Signal eine Wirkung in der Umwelt (Motor, Ventil, Heizelement, Lampe, Lautsprecher). Ein Mikrocontroller, ein kleiner Rechner in einem Chip, liest die Sensoren und steuert die Aktoren.
Viele Sensoren liefern eine analoge Spannung. Ein Analog-Digital-Wandler macht daraus eine Zahl, mit der der Mikrocontroller rechnet. Über die Kennlinie des Sensors, den Zusammenhang zwischen Messgröße und Spannung, rechnet er die Zahl zurück auf die Messgröße.
Von der Spannung zur Temperatur
Von der Spannung zur Temperatur
Angenommen, ein Temperatursensor liefert 0,5 V bei 0 °C und 0,01 V mehr je Grad Celsius. Der Wandler misst 0,75 V. Wie warm ist es? Und wie fein löst ein 10-Bit-Wandler mit dem Bereich 0 bis 5 V auf?
Von 0,75 V gehen 0,5 V Grundwert ab, es bleiben 0,25 V. Je Grad sind das 0,01 V. Wegen 0,25 : 0,01 = 25 sind es 25 °C.
Ein 10-Bit-Wandler kennt Stufen. Im Bereich von 0 bis 5 V ist eine Stufe etwa 5 mV breit. Das sind 0,005 V, also etwa ein halbes Grad. Kleinere Unterschiede kann der Wandler nicht erkennen. Das ist seine Auflösung.
Client und Server im Internet der Dinge
Ein Server ist ein Rechner, der Dienste anbietet und Anfragen beantwortet. Ein Client schickt die Anfragen. Im Internet der Dinge ist ein Sensorknoten meist Client. Er meldet sich in festen Abständen beim Server und schickt die Messwerte in einer Anfrage, zum Beispiel über HTTP. Der Server speichert sie, wertet sie aus und stellt ein Dashboard bereit, eine Webseite mit Diagrammen. Das Handy der Gärtnerin ist ein zweiter Client.
Befehle laufen den umgekehrten Weg. Der Knoten mit dem Aktor fragt den Server regelmäßig, ob ein Befehl vorliegt, etwa "Pumpe an", und der Server antwortet. Der Knoten fragt selbst nach, weil kleine Geräte in Heimnetzen von außen oft nicht erreichbar sind: Der Router lässt Verbindungen von außen meist nicht herein. Server für viele Geräte stehen häufig in der Cloud, das sind gemietete Rechner in Rechenzentren.
Sicherheitsmaßnahmen im Internet der Dinge
Viele IoT-Geräte sind billig, laufen jahrelang, werden selten aktualisiert und sind aus dem Internet erreichbar. Typische Schwachstellen sind Standardpasswörter wie "admin", fehlende Updates, unverschlüsselte Übertragung und offene Dienste, die niemand braucht. Angreifer suchen solche Geräte automatisch. Das Botnetz Mirai, ein Verbund ferngesteuerter Geräte, bestand 2016 aus gekaperten Kameras und Routern und störte mit einem DDoS-Angriff zeitweise bekannte Webdienste. Ein übernommenes Heizungs- oder Türschloss-Gerät gefährdet außerdem Menschen direkt.
| Maßnahme | Wirkung | Schutzziel |
|---|---|---|
| eigenes starkes Passwort statt Standardpasswort | Fremde kommen nicht ins Gerät | Vertraulichkeit, Integrität |
| verschlüsselte Verbindung (zum Beispiel TLS) | Mitlesen und Verändern auf dem Weg wird verhindert | Vertraulichkeit, Integrität |
| Authentifizierung von Gerät und Server mit Zertifikaten | beide prüfen, ob der andere echt ist | Authentizität |
| regelmäßige, signierte Updates der Firmware (der Software im Gerät) | Lücken werden geschlossen, nur echte Software lässt sich aufspielen | Integrität, Verfügbarkeit |
| eigenes Netz für IoT-Geräte, Firewall, unnötige Dienste abschalten | ein gekapertes Gerät erreicht andere Rechner nicht, die Angriffsfläche wird kleiner | Vertraulichkeit, Verfügbarkeit |
| Datensparsamkeit | nur erfassen, was nötig ist | Datenschutz |
Prozessautomatisierung: Steuern und Regeln
Ein Prozess ist ein Ablauf, in dem Stoffe, Energie oder Informationen umgesetzt werden, etwa Heizen, Bewässern oder Abfüllen. Prozessautomatisierung heißt, dass der Prozess ohne ständiges Eingreifen eines Menschen läuft. Der Aufbau ist meist gleich: Sensoren erfassen den Zustand, eine Steuerung verarbeitet ihn (ein Mikrocontroller, in der Industrie oft eine speicherprogrammierbare Steuerung, kurz SPS), Aktoren greifen ein.
Man unterscheidet zwei Arten:
- Steuern: Die Wirkungskette ist offen. Die Steuerung handelt nach einem Plan oder einem Eingangssignal, ohne zu prüfen, ob das Ziel erreicht wird. Beispiel: Die Lüftungsklappe öffnet täglich um 10 Uhr.
- Regeln: Die Kette ist geschlossen. Ein Sensor misst die Regelgröße (Temperatur), der Regler vergleicht sie mit dem Sollwert (Wunschtemperatur) und stellt aus der Abweichung die Stellgröße ein (Heizleistung). Das ist eine ausgleichende Rückkopplung.
Der einfachste Regler ist der Zweipunktregler: Der Aktor ist an oder aus. Damit er nicht ständig schaltet, hat er zwei Schaltschwellen, die Hysterese: Die Heizung geht zum Beispiel unter 19 °C an und über 21 °C aus.
Viele Anlagen laufen zusätzlich als Ablaufsteuerung: Eine Folge von Schritten wie Befüllen, Mischen und Entleeren ist ein Zustandsautomat. Der nächste Schritt beginnt, wenn ein Sensor meldet, dass die Bedingung erfüllt ist.
Ein Zweipunktregler für die Heizung
Ein Zweipunktregler für die Heizung
Der Regler schaltet die Heizung an, wenn die gemessene Temperatur unter 19 °C liegt, und aus, wenn sie über 21 °C liegt. Dazwischen bleibt der Zustand. Angenommen: Bei ausgeschalteter Heizung sinkt die Temperatur um 1 °C je Minute, bei eingeschalteter steigt sie um 2 °C je Minute. Gemessen wird jede Minute. Start: 20 °C, Heizung aus. Wie verläuft die Temperatur?
| Minute | Temperatur in °C | Entscheidung nach der Messung |
|---|---|---|
| 0 | 20 | bleibt aus |
| 1 | 19 | bleibt aus (19 ist nicht kleiner als 19) |
| 2 | 18 | einschalten (18 ist kleiner als 19) |
| 3 | 20 | bleibt an |
| 4 | 22 | ausschalten (22 ist größer als 21) |
| 5 | 21 | bleibt aus |
| 6 | 20 | bleibt aus |
Die Temperatur pendelt etwa zwischen 18 und 22 °C. Sie überschreitet die Schwellen leicht, weil sich zwischen zwei Messungen etwas ändert. Hätte der Regler nur eine Schwelle bei 20 °C, würde er bei jeder kleinen Schwankung um 20 °C umschalten. Das nutzt Schalter und Heizung ab. Die Hysterese verhindert das.
Steuern und Regeln sind dasselbe
Steuern und Regeln sind dasselbe
„Die Lüftung öffnet täglich um 10 Uhr, sie regelt also die Temperatur.“
Das ist eine Steuerung. Sie folgt einem Plan und misst nicht, ob es im Gewächshaus zu warm ist. Eine Regelung misst die Temperatur, vergleicht sie mit dem Sollwert und greift danach ein. Der Kreis aus Messen und Eingreifen unterscheidet beide.
Hinter dem Router ist jedes Gerät sicher
Hinter dem Router ist jedes Gerät sicher
„Mein Gerät hängt im Heimnetz hinter dem Router, da kann nichts passieren.“
Der Router ist keine vollständige Sicherheitsmaßnahme. Viele Geräte bauen selbst Verbindungen ins Internet auf. Ein einziges schlecht geschütztes Gerät im Heimnetz kann von dort aus weitere angreifen. Darum braucht jedes Gerät eigene Schutzmaßnahmen.
Zusammenfassung
Das Internet der Dinge verbindet Gegenstände mit Sensoren, Aktoren, kleinem Rechner und Netzanschluss.
Ein Sensor wandelt eine Messgröße in ein elektrisches Signal. Ein Aktor wandelt ein Signal in eine Wirkung. Ein Wandler digitalisiert die Spannung, die Auflösung hängt von der Zahl der Bits ab.
Sensorknoten sind meist Clients: Sie schicken Messwerte an einen Server und fragen dort nach Befehlen. Der Server speichert, wertet aus und stellt ein Dashboard bereit.
Typische Schutzmaßnahmen sind eigene Passwörter, verschlüsselte Verbindungen, Authentifizierung, Updates, ein getrenntes Netz mit Firewall und Datensparsamkeit.
Prozessautomatisierung läuft als Sensor, Steuerung, Aktor. Eine Steuerung hat eine offene Kette, eine Regelung eine geschlossene mit Sollwert und Rückkopplung.
Ein Zweipunktregler mit Hysterese schaltet erst bei zwei verschiedenen Schwellen und schont damit die Aktoren.
Übungen
Angenommen, ein Sensor liefert 0,5 V bei 0 °C und 0,01 V mehr je Grad Celsius. Der Wandler misst 0,85 V. Welche Temperatur ist das, in Grad Celsius?
Welches Bauteil ist in einem Gewächshaus ein Aktor?
Ein Sensorknoten schickt alle zehn Minuten seine Messwerte an einen Server im Internet. Wer ist hier der Client?
Welche Maßnahme schützt die Vertraulichkeit der Messwerte auf dem Weg zum Server am besten?
Ein Zweipunktregler schaltet die Heizung an, wenn der Messwert unter 17 °C liegt, und aus, wenn er über 23 °C liegt. Bei eingeschalteter Heizung steigt die Temperatur um 3 °C je Minute. Gemessen wird jede Minute. Die Heizung ist an, die Temperatur beträgt 16 °C. Bei welcher gemessenen Temperatur, in Grad Celsius, schaltet der Regler aus?
Eine Anlage öffnet die Lüftungsklappe täglich von 10 bis 14 Uhr. Eine zweite öffnet sie, sobald die gemessene Temperatur über 28 °C liegt. Welche ist eine Steuerung, welche eine Regelung? Begründe.