IoT Gateway: Definition

IoT-Gateways sind eine Schnittstelle für die nahtlose Kommunikation zwischen verschiedenen IoT-Geräten und Netzwerken im Internet der Dinge (IoT). Sie agieren als Protokollkonverter und ermöglichen die Integration von Funktechnologien wie LTE, 5G, WiFi, Bluetooth oder BLE sowie verdrahteten Schnittstellen wie Ethernet, RS232, RS485 (Modbus) und diversen digitalen und analogen Ein- und Ausgängen. Diese Gateways sind in der Lage, Daten, die beispielsweise über das Modbus-Protokoll empfangen werden, auf die IP-Ebene zu konvertieren und über LTE an eine Software oder IoT-Plattform zu übertragen. Dabei werden oft standardisierte Protokolle wie MQTT, MQTT-SN, REST und HTTPS verwendet, um eine reibungslose Kommunikation sicherzustellen.

IoT-Gateways ermöglichen so die skalierbare und flexible Anbindung von Sensoren, einem Datenlogger, Embedded Systemen, Aktoren und anderen Geräten. Sie liefern Prozessdaten in Echtzeit und sorgen so für Transparenz der Maschinen- und Prozessdaten, ermöglichen so eine gleichbleibend hohe Produktqualität in der Fertigung und sorgen für eine Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit.

Anwendungen für IoT Gateways

• Datenübertragung in die Cloud

  Ein IoT-Gateway dient standardmäßig zur Übertragung von Daten eines Sensors in die Cloud und zur Weiterverarbeitung.

• Monitoring und Fernwartung

  IoT-Gateways werden oft zur Fernwartung von verbundenen Geräten eingesetzt, indem sie als zentrale Schnittstelle zwischen den IoT-Geräten und der Cloud dienen. Hier sind einige typische Schritte und Methoden, wie IoT-Gateways für Fernwartung genutzt werden:

  • Datenaggregation und -weiterleitung: IoT-Gateways sammeln Daten von den verbundenen Geräten in ihrer Umgebung. Diese Daten werden dann an die Cloud oder ein zentrales Steuerungssystem weitergeleitet.
  • Fernkonfiguration: Durch das IoT-Gateway können Einstellungen und Konfigurationen der verbundenen Geräte remote aktualisiert und konfiguriert werden. Dies ermöglicht es, Parameter anzupassen oder Firmware-Updates durchzuführen, ohne physisch auf die Geräte zugreifen zu müssen.
  • Überwachung und Diagnose: Das Gateway ermöglicht es, den Status der verbundenen Geräte zu überwachen und Diagnosen durchzuführen. Fehlermeldungen und Warnungen können über das Gateway empfangen und an die Cloud oder an das Wartungspersonal gesendet werden.
  • Fernzugriff auf Geräte: Mithilfe von IoT-Gateways können autorisierte Benutzer auf die verbundenen Geräte zugreifen, um Fernwartungs- und Fehlerbehebungsaufgaben durchzuführen. Dies kann beispielsweise die Remote-Steuerung von Geräten oder die Ausführung von Befehlen umfassen.
  • Sicherheit: IoT-Gateways können Sicherheitsprotokolle implementieren, Daten verschlüsseln und den Zugriff auf verbundene Geräte überwachen, um unbefugten Zugriff zu verhindern.

• Over the air updates (OTA)

  IoT Gateways werden verwendet, um Over-the-Air (OTA) Updates für verbundene IoT-Geräte durchzuführen, indem sie als Schnittstelle zwischen den Geräten und der Cloud oder einem zentralen Server fungieren.

• Fernüberwachung

  IoT-Gateways werden für Fernüberwachungsaufgaben in verschiedenen Szenarien eingesetzt. Hier sind einige typische Anwendungen und wie IoT-Gateways dabei helfen:

  • Sensordaten sammeln: IoT-Gateways fungieren als zentraler Knotenpunkt, der Daten von verschiedenen Sensoren in seiner Umgebung sammelt. Diese Sensoren können verschiedene Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck, Bewegung usw. überwachen.
  • Datenverarbeitung und -analyse: Die gesammelten Sensordaten werden vom Gateway verarbeitet und analysiert. Dies kann die Umwandlung von Rohdaten in verwertbare Informationen umfassen, die für die Überwachung und Steuerung relevant sind. Dabei können auch lokale Algorithmen oder KI-Modelle auf dem Gateway angewendet werden, um Muster zu erkennen oder Vorhersagen zu treffen.
  • Kommunikation mit der Cloud oder einem zentralen Server: IoT-Gateways dienen als Brücke zwischen den lokalen Sensoren und einer entfernten Datenverarbeitungsplattform, sei es eine Cloud-Infrastruktur oder ein zentraler Server. Sie übertragen die verarbeiteten Daten sicher über drahtlose oder kabelgebundene Netzwerke wie WLAN, Ethernet, 3G/4G oder LoRaWAN.
  • Fernüberwachung und Steuerung: Die gesammelten und analysierten Daten werden dann von der Cloud-Plattform oder dem zentralen Server aus überwacht. Diese Plattformen können Alarme auslösen, wenn bestimmte Schwellenwerte überschritten werden, und es den Benutzern ermöglichen, Echtzeitdaten zu überwachen, historische Trends zu analysieren und gegebenenfalls ferngesteuerte Aktionen auszulösen, um auf Ereignisse zu reagieren.
  • Zugriff auf Daten von überall: Durch den Einsatz von IoT-Gateways können Benutzer von praktisch überall auf der Welt über eine Internetverbindung auf die Daten ihrer vernetzten Sensoren und Geräte zugreifen. Dies ermöglicht eine effiziente Fernüberwachung und Steuerung von Anlagen, Infrastrukturen oder Umgebungen in Echtzeit, ohne physisch vor Ort sein zu müssen.

Wie funktioniert ein IoT-Gateway?

In der Welt des Internet der Dinge (IoT) spielt das IoT-Gateway eine zentrale Rolle bei der Erfassung, Verarbeitung und Weiterleitung von Daten. Doch um zu verstehen, wie ein solches Gateway arbeitet, ist es entscheidend, zwischen zwei grundlegenden Szenarien zu unterscheiden: dem Senden und dem Empfangen von Daten.

Infografik: So funktioniert ein IoT-Gateway in einer Architektur von LoRaWan mit Endgeräten und Applications-Server. Erkennbar ist der Übergang der Datenübertragung von LoRa auf eine IP-Verbindung am Punkt des IoT-Gateways.

Hersteller von IoT Gateways

Die bekanntesten Hersteller von IoT-Gateways umfassen Unternehmen wie Cisco, Siemens, Bosch, Dell, und Intel. Cisco bietet robuste Gateways mit LoRaWAN-Funktionalität und leistungsstarken Prozessoren an. Siemens konzentriert sich auf Gateways mit Zigbee-Unterstützung, die für industrielle Anwendungen geeignet sind. Bosch bietet Gateways mit Bluetooth LE, die sich durch ihre kompakten Abmessungen und eine Vielzahl von Sensoren auszeichnen. Dell bietet Gateways mit Z-Wave-Konnektivität, die sich ideal für Smart-Home-Anwendungen eignen. Intel bietet vielseitige IoT-Gateways mit NB-IoT-Unterstützung und einer breiten Palette von Konnektivitätsoptionen an, die für verschiedene Anwendungsfälle geeignet sind.

IoT-Gateways im Edge-Computing reduzieren die Bandbreitennutzung wie hier beim Verarbeiten der Output-Daten einer Überwachungskamera. (Foto: AdobeStock - kalafoto 76547686)

Wie interagieren IoT-Gateways und Edge Computing?

In der Welt des Internet der Dinge (IoT) können bestimmte Geräte enorme Datenmengen erzeugen. Dies stellt Unternehmen vor Herausforderungen, insbesondere wenn sie eine Vielzahl von IoT-Geräten in ihrem Ökosystem haben und versuchen, die Daten dieser Geräte in die Cloud zu übertragen. Der massive Datenstrom kann die verfügbare Internetbandbreite des Unternehmens überlasten und zu erheblichen Kosten für Cloud-Speicher führen.

• Eine Lösung für dieses Problem sind IoT-Gateways. Diese Gateways fungieren als Schnittstelle zwischen der IoT-Umgebung und der Cloud und ermöglichen so eine effiziente Kommunikation und Datenübertragung.
• Eine weitere Möglichkeit, diesen Herausforderungen zu begegnen, besteht darin, Edge Computing zu nutzen. Durch diese Methode wird ein Teil der erforderlichen Datenverarbeitung direkt an der Quelle durchgeführt, was dazu beiträgt, das Datenvolumen, das an die Cloud gesendet werden muss, zu reduzieren. Dies wiederum senkt die Kosten und den Bandbreitenverbrauch erheblich.

Stellen Sie sich beispielsweise vor, ein Unternehmen setzt eine Vielzahl von IP-fähigen Sicherheitskameras ein, die kontinuierlich Echtzeitdaten streamen. Es wäre ineffizient, alle diese Daten direkt in die Cloud zu senden, insbesondere wenn einige Kameras hauptsächlich unbesetzte Bereiche überwachen.

Durch die Implementierung von Edge Computing können die Daten direkt an der Quelle verarbeitet werden. Das bedeutet, dass das Edge-Gerät zwischen relevanten und irrelevanten Daten unterscheiden kann. Zum Beispiel kann es unwichtige Aufnahmen, wie die eines leeren Raums, filtern und nur relevante Daten an das Gateway-Gerät senden, welches dann die Daten in die Cloud hochlädt.

IoT-Gateways spielen daher eine entscheidende Rolle bei der Verwaltung und Sicherung von IoT-Geräten. Sie ermöglichen es Unternehmen nicht nur, ihre IoT-bezogene Internetbandbreite effizient zu nutzen, sondern auch, Kosten zu senken und eine optimierte Datenverarbeitung zu gewährleisten.

In einer zunehmend vernetzten Welt ist die effiziente Datenverarbeitung im Internet der Dinge unerlässlich. Durch die Kombination von IoT-Gateways und Edge Computing können Unternehmen die Herausforderungen der Datenübertragung bewältigen und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit ihres IoT-Ökosystems optimieren.

Was ist Edge Computing?

Edge Computing, zu Deutsch "Kantenrechnen", bezeichnet eine Form der Datenverarbeitung, die direkt oder in unmittelbarer Nähe zur Datenquelle stattfindet. Im Gegensatz zur herkömmlichen Methode, bei der Daten an entfernte Rechenzentren gesendet werden, um dort verarbeitet zu werden, geschieht die Verarbeitung beim Edge Computing lokal, an der "Kante" des Netzwerks. Dies minimiert nicht nur die Latenzzeit, sondern reduziert auch die Notwendigkeit, große Mengen an Daten über das Netzwerk zu übertragen, was wiederum Bandbreitenkosten spart.

Was ist ein LoRaWAN indoor Gateway?

Beispiele für LoRaWan Single-/Multi-Channel-Gateways