IOT-SENSOREN BRAUCHEN KÜNSTLICHE INTELLIGENZ! - MESSEN/STEUERN/REGELN - BEAM-VERLAG
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Messen/Steuern/Regeln
IoT-Sensoren brauchen künstliche Intelligenz!
die Beispiele vom „Body Sensor
Network for Healthcare Systems“
über „Industrial Wireless Sensor
Networks for Data Collection“ bis
hin zur nahezu unüberschaubaren
Vielfalt spezieller Lösungen diverser
Anbieter für vertikale Märkte – zum
Beispiel „The Enlighted System“.
Standards, wie die IEEE
1451-Sammlung mit ihren verschie-
denen Substandards, sind aus IoT-
Sicht offenbar veraltet und daher
in diesem Bereich praktisch ohne
Relevanz. Noch nicht einmal die
durchaus brauchbaren Ideen des
IEEE 1451.4-basierten Transdu-
cer Electronic Data Sheet (TEDS)
finden in IoT-Anwendungen bisher
irgendeine Beachtung. Ein Grund
dafür dürften auch die völlig unter-
schiedlichen Innovationsgeschwin-
Der AMA Verband für Sensorik e. V. formen für das Internet der Dinge digkeiten im Internet der Dinge und
in Deutschland hat vor kurzem die den Gipfel der überzogenen Erwar- der IEEE als internationales Stan-
Studie Sensor Technologien 2022 tungen (Peak of Inflated Expecta- dardgremium sein. Der Versuch, über
veröffentlicht. Das Dokument liefert tions) fast erreicht. Trotzdem exi- ein neu zu gründendes Anbieter
einen guten Überblick zum aktu- stiert bisher keine allgemein gül- konsortium einen entsprechenden
ellen Stand der Technik. Es feh- tige Definition für einen IoT-Sensor IoT-Sensor-Standard zu schaffen,
len allerdings der echte Blick in die oder ein IoT-Sensorsystem. Eine ist 2016 offensichtlich über die Ver-
Zukunft sowie der Bezug zur künst- Internet-Suche mit der Zeichen- breitung einer Pressemeldung nicht
lichen Intelligenz (KI). Am Ausgang folge „IoT Sensor“ bringt zwar zig- hinausgekommen.
zukünftiger IoT-Sensoren werden tausend Treffer, verdeutlicht aber
schließlich weniger die Rohdaten, auch das breite Technologie- und Funktionseinheiten eines
sondern in vielen Fällen mittels KI- Anbieterspektrum in diesem Bereich. IoT-Sensors
Algorithmen gewonnene Vorher- In einigen Foren werden beispiels- Eine Orientierung zu univer-
sage- oder Klassifizierungsinfor- weise die Begriffe Smart Sensor und sellen Smart Sensors, wenn auch
mationen benötigt. IoT-Sensor miteinander verknüpft, in einer sehr frühen Phase, bietet
Autor: obwohl auch ein Smart Sensor je der AMA Verband für Sensorik e. V.
Klaus-Dieter Walter, CEO Die Problematik nach Sichtweise sehr unterschied- in Deutschland. In der Anfang 2018
SSV Software Systems GmbH Im Gartner Hype Cycle for liche Eigenschaften haben kann. Bei erschienen Studie Sensor Technolo-
www.ssv-embedded.de Emerging Technologies haben Platt- den IoT-Sensorsystemen reichen gien 2022 beschreiben die Autoren
Bild 1: Smart Sensor-Funktionseinheiten und deren Eigenschaften aus Sicht des AMA Verband für Sensorik e. V. in Deutschland. Die sechs
Funktionseinheiten lassen sich für einen universellen IoT-Sensor in vier Sektionen gliedern: 1. Sensing (Sensor Element + Analog Signal
Conditioning Circuit), 2. Digital Signal Processing (ADC and Correction Math), 3. Sensor Data Algorithms (Signal Processing + Signal Valuation)
und 4. das Communication Interface.
44 Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2019
Messen/Steuern/Regeln Bild 2: Die meisten Funktionen eines Smart Sensors lassen sich mit Hilfe eines Embedded Systems realisieren. Dabei werden alle relevanten Sensorfunktionen zur Informationsgewinnung und Kommunikation per Software implementiert. In der Praxis ergeben sich dadurch weitere Anforderungen, wie zum Beispiel die Notwendigkeit von Firmware Patches per FOTA (Firmware Over The Air) und Security Updates. Des Weiteren ist in der Regel eine Benutzerschnittstelle zur Konfiguration des smarten Sensors erforderlich (Setup UI). die Funktionseinheiten eines Smart tioning Circuit aus Bild 1 direkt mit • Hardwareentwurf eines Smart Sensors im Rahmen Sensors und liefern Beispiele wie einem Embedded System verbun- • Hardwareprogrammierung eines konventionellen Embedded- sich ein solcher Sensor grundsätzlich den werden, das über Hardware- • ggf. Einsatz eines Betriebssystems Software-Entwicklungsprozesses realisieren lässt. Die AMA-Sicht lässt und Softwareeigenschaften alle • Applikationssoftware erstellt wird. Das setzt voraus, dass sich mit minimalen Erweiterungen weiteren Sektionen inklusive der • Test und Zertifizierung der Zusammenhang zwischen den durchaus als Vorlage (Template) Kommunikationsschnittstelle rea- Sensoreingangsvariablen (Sensor für einen generischen IoT-Sensor lisiert. Dafür wird ein strukturierter möglichst vollständig abdeckt Element Input) und dem gewünsch- nutzen. In der Studie beschreiben Entwicklungsablauf gefordert, der und umfassende Spezifikationen ten Ausgangswertebereich beim die AMA-Autoren ein Konzept für die Aspekte hinsichtlich der Entwicklungsziele Entwicklungsbeginn vollständig einen universellen Smart Sensor, in voraussetzt. bekannt ist und von den beteiligten dem die beiden Funktionsbereiche • Systemarchitektur Das AMA-Dokument geht davon Softwareentwicklern auch für ein Sensor und Analog Signal Condi- • Algorithmen aus, dass die gesamte Firmware Embedded System kodiert werden Bild 3: Zukünftige IoT-Sensoren mit hohem Anwendernutzen haben einen deutlich größeren Softwareanteil als die zurzeit existierenden Produkte. Dabei wandert ein Teil der Funktionen, für die gegenwärtig Cloud-Services genutzt werden, aus unterschiedlichen Gründen (z. B. Datensparsamkeit, Echtzeit- und Datenschutzprobleme) direkt in den Sensor. Im Sensor selbst entsteht dabei eine vierstufige Verarbeitungskette aus Rohdatenerfassung, Datenvorverarbeitung, KI-basierter Datenanalyse und Informationsweitergabe. Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2019 45
Messen/Steuern/Regeln Bild 4: Durch einen integrierten KI-Algorithmus wird ein Sensor in die Lage versetzt, die internen Sensorrohdaten verschiedener Sensorelemente (x[0], x[1], … , x[n]) mit Hilfe eines Machine-Learning-Modells bzw. neuronalen Netzwerks in Echtzeit zu bewerten und eine bestimmte Information am Ausgang zu liefern, zum Beispiel an Hand der Eingangsdaten zwischen den drei Betriebszuständen OK, Kritisch und Fehler zu unterscheiden und jedem Zustand einen entsprechenden Ausgangswert zuzuordnen. kann. Hinsichtlich einfacher Sensor- (Ethernet, 4G, in Zukunft 5G), eine Ausgangsspannungen eines Piezo- Interner Aufbau elemente, zum Beispiel Tempera- leistungsfähige Energieversorgung Sensorelements an einem Antriebs- tur, Luftfeuchte, Druck und einer und einen kontinuierlichen Ausbau element mit Hilfe einer FFT sowie Der interne Aufbau solcher IoT- überschaubaren Sensorfusion mag der Internetbandbreite voraus. Ein weiterer Algorithmen und liefert Sensoren unterscheidet sich primär diese Vorgehensweise noch funkti- gravierender Nachteil ist, dass die ein 4 – 20 mA-Ausgangssignal an durch die zum Einsatz kommenden onieren. Für zukünftige smarte Sen- aus den Sensordaten gewonnenen die Antriebssteuerung. Ein Radar- Sensorelemente, die jeweilige Ver- soren, die aus den Rohdaten ver- Informationen nicht direkt an der oder Ultraschallsensor bewertet bindung zum Embedded System schiedener Sensorelemente mit Kommunikationsschnittstelle des den Füllstand einer Flüssigkeit in und die technischen Daten des Hilfe deskriptiver und prognostizie- Embedded Systems zur Verfügung einem Behälter und überträgt einen Communication Interface (Sen- render Datenanalysen oder neuro- stehen, sondern in der Edge bzw. zur aktuellen Füllstandshöhe korre- sor Interface) zur Datenweitergabe naler Netze quasi in Echtzeit kom- Cloud. Des Weiteren ist dieses Ver- spondierenden Messwert an eine an andere Systeme und Platt- plexe Zustände und Muster sicher fahren nicht für zeitkritische Sensor Prozesssteuerung usw. formen. Sekundär bedeutungs- erkennen und daraus Ausgangs- datenauswertungen geeignet. voll sind je nach Anwendungsbe- werte ableiten, hingegen nicht. IoT-Sensoren reich die Spannungsversorgung Auf Grund der Komplexität ent- Mehr als ein Sensorelement benötigen auf Grund der spezi- und das Gehäuse. Insofern findet stehen dann Sensoren, die ledig- In der Industrie- und Prozess- ellen Aufgabenstellungen und der man am Markt IoT-Sensoren mit lich Rohdaten mit Hilfe geeigneter automatisierung existieren unzäh- damit verbundenen Datenqualität unterschiedlichen Kombinationen Protokolle direkt an Edge- oder lige Sensoren mit entsprechenden in der Regel mehrere Sensorele- aus Sensorelementen, Messver- Cloudsysteme weitergeben (Sen- Gehäusen für raue Einsatzbedin- mente, die ein gemeinsames Em- fahren, Communication Interface sor-to-Cloud-Lösungen mit einem gungen, die einen internen Auf- bedded System nutzen, dass viel- Technologien, Spannungsversor- Sensordaten-Streaming). bau gemäß Bild 1 bzw. Bild 2 auf- fach lediglich aus einem einzigen gungssystemen und Gehäusebau- Die eigentliche Informationsge- weisen und somit lediglich ein ein- Chip (System-on-Chip) besteht. Bei- formen. Vom IoT-Sensor mit Tem- winnung wird in andere Ebenen ziges Sensorelement haben. Die spiele zur Orientierung gibt es viele, peratur-, Luftfeuchtigkeit- und Luft- verlagert, weil dort leistungsfähige Mehrzahl dieser Sensoren ist ver- siehe beispielweise den Thingy:52 druck-Sensorelementen, der bat- Rechnerplattformen und entspre- mutlich innerhalb einer Control Loop von Nordic Semiconductor stellver- teriebetrieben per IEEE 802.15.4 chende Services (z. B. spezielle direkt mit einer Steuerung verbun- tretend für eine Kategorie von IoT- Wireless Communication Inter- Algorithmen zur Datenanalyse wie den. Jeder einzelne Sensor ist in Sensoren, die in erster Linie für Wea- face mit einem Gateway verbun- Supervised Machine Learning, Deep einer solchen Anwendung für eine rable Applikationen entwickelt wur- den ist, bis zur Power-over-Ether- Learning und hochkomplexe Convo- bestimmte Messaufgabe vorgese- den. Im Bereich der Smart Home IoT- net- (PoE-) Variante, die mittels lutional Neural Networks mit umfang- hen. Ein Drucksensor bestimmt den Sensoren mit Wi-Fi Communication OPC UA Sensordaten direkt an reichen Trainingsdatenbeständen) Druck in pneumatischen Systemen Interface oder der Umweltsensoren eine ERP- oder MES-Software in zur Verfügung stehen. Das setzt und liefert einen Messwert zur Steu- mit 4G-basierten Mobile Network der IT übermittelt, die Varianten allerdings entsprechend schnelle erung. Ein DIN 10816-konformer bzw. LPWA Communication Inter- vielfalt ist beachtlich und wird stän- Kommunikationsverbindungen Schwingungssensor analysiert die face findet man ähnliche Beispiele. dig erweitert. 46 Einkaufsführer Produktionsautomatisierung 2019
Messen/Steuern/Regeln
Die Entwicklung der KI wird von
Forschern inzwischen sogar als
Universaltechnologie angesehen
und hinsichtlich der zu erwartenden
Auswirkungen auf eine Stufe mit den
Erfindungen der Dampfmaschine,
Elektrizität und dem Verbrennungs-
motor gestellt. Nicht nur selbstfah-
rende PKWs, LKWs, Flurförder-
fahrzeuge, Drohnen und Roboter,
sondern praktisch alles, was min-
destens einen Microchip enthält,
wird in Zukunft auch KI-basierte
Funktionen haben. Gleiches gilt für
Anwendungssoftware: Jede Smart-
phone-App, PC-Tabellenkalkula-
tion oder Enterprise-IT-Anwendung
beinhaltet früher oder später auch
KI-Algorithmen – in vielen Fällen ist
das sogar schon längst Stand der
Technik. Diese Entwicklung wird
auch die Eigenschaften von Sen-
soren nachhaltig verändern.
Zurzeit findet man zahlreiche Sen-
sor-to-Cloud-Anwendungen, die
Sensorrohdaten einfach in eine Cloud
streamen. Alle weiteren Schritte,
von der Datenaufbereitung bis zur
eigentlichen Informationsgewinnung,
erfolgen dann in der Cloud-Plattform
unter Zuhilfenahme kostenpflichti-
ger Services. Viele Echtzeitanwen-
Bild 5: Derzeitige Sensor-to-Cloud-Lösungen, die einen KI-Algorithmus in der Cloud nutzen, erzeugen einen dungen, wie beispielsweise auto-
sehr großen Daten-Overhead: Um in einem Cyber-Physical-System mit Hilfe eines 32x32-Bit-RGB-Image- nom agierende Maschinen, aber
Sensors zwischen 10 verschiedenen Objekten unterscheiden zu können, werden jeweils 3.072 Bits in die auch die Nutzung von LPWA-Funk-
Cloud übertragen. Die Antwort an den Aktor besteht lediglich aus 4-Bit-Nutzdaten. Mit einem integrierten verbindungen (LoRa, NB-IoT, Sig-
KI-Algorithmus könnte der Sensor die Objekte an Hand eines zuvor geladenen Modells selbstständig fox u.a.), sind mit solchen Konzep-
identifizieren und die 4-Bit-Klassifizierung direkt an den Aktor übermitteln. ten nicht möglich. Andere Anwen-
dungen lassen sich auf Grund der
Cloud-Betriebskosten oder rigoro-
Vielseitige Kommunikations- Funktion eines Sensor-Daten- eine USB- oder NFC-Schnittstelle ser Sicherheitsvorgaben mit solchen
schnittstelle Interface) für die Konfiguration und Kalibrie- Lösungsansätzen ebenfalls nicht
4. Implementierung einer fälschungs- rung erforderlich. Ein IoT-Sensor für umsetzen. Insofern hat das ange-
Die Kommunikationsschnittstelle sicheren digitalen Identität (Root Wearable- oder E-Bike-Applikationen sprochene AMA-Dokument zwar ein
(Communication Interface) eines of Trust für den Empfänger der nutzt in der Regel hingegen ein Blue- beachtliches Orientierungspotenzial
IoT-Sensors muss in erster Linie die Sensordaten). tooth Low Energy (BLE)-basiertes in Bezug auf die Sensorrohdaten
hier folgenden Aufgaben erfüllen: Communication Interface, um die und deren direkte Weitergabe. Es
Die jeweiligen Eigenschaften des Messwerte an eine Smartphone- fehlt hingegen nahezu vollständig
1. Die Sensordaten oder aus den Communication Interface eines App zu übermitteln. In Gegenrich- der Bezug zur KI. Zukünftige Sen-
Sensordaten gewonnene Infor- bestimmten IoT-Sensors hängen tung werden von der App über die soren für IoT- und Industrie-4.0-An-
mationen müssen an andere in erster Linie vom Anwendungs- gleiche Funkschnittstelle sowohl wendungen werden vollständige
Systeme weitergeleitet werden bereich ab. In Smart Home-Anwen- Setup- als auch Kalibrierungsdaten Verarbeitungsketten mit Sensor-
(primäre Funktion eines Sensor- dungen ist das Communication Inter- an den Sensor übertragen. rohdatenerfassung, Datenvorver-
Daten-Interface) face zur Datenweitergabe zum Bei- arbeitung, KI-basierter Datenana-
2. Über eine spezielle Schnittstellen spiel als Wi-Fi- oder ZigBee-Funk- Künstliche Intelligenz lyse und Informationsweitergabe
funktion ist sowohl die Konfigu- schnittstelle ausgelegt. Wi-Fi eignet eingebettet beinhalten. Am Sensorausgang
ration als auch die Kalibrierung sich über einen Software-enabled Durch Spamfilter in E-Mail-Pro- steht dann direkt die gewünschte
am Einsatzort des Sensors zu Access Point (SoftAP) Mode auch grammen und die Sprachassistenten Information in Echtzeit und nicht
ermöglichen (primäre Funktion als Setup UI, um per Webbrowser von Amazon, Apple, Google, Micro- mehr der Messwert eines Sensor
der Setup-Benutzerschnittstelle); mit einem PC, Smartphone oder soft sowie anderen Anbietern sind elements zur Verfügung.
3. Anfordern und Durchführen von Tablet auf den Sensor zuzugreifen Produkte mit integrierten Algorith- Link zur kostenpflichtigen AMA-
Updates (z. B. Firmware, Security, und Einstellungen vorzunehmen. men aus dem Umfeld der künstlichen Studie Sensor Technologien 2022
Machine Learning-Modelle) aus Bei einer ZigBee-Schnittstelle zur Intelligenz (KI) nach und nach zu https://www.ama-sensorik.de/stu-
einer sicheren Quelle (sekundäre Datenweitergabe ist z. B. zusätzlich Massenanwendungen geworden. die-kaufen/ ◄
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