IoT-Gateways und deren zentrale Rolle im Internet der Dinge

Abb. 1 IoT-Gateways als zentrale Schnittstelle zwischen Geräten und Systemen.
Abb. 1 IoT-Gateways als zentrale Schnittstelle zwischen Geräten und Systemen.

Im Internet der Dinge dienen IoT-Gateways als Schnittstelle zwischen alten und neuen Sensoren, Geräten, Netzwerken und Knotenpunkten.

Was sind IoT-Gateways?

In der Telekommunikation besteht der primäre Zweck eines Gateways darin, eine Brücke zwischen verschiedenen Arten von Kommunikationstechnologien zu bilden. Diese können sich in Bezug auf Verbindungstypen, Schnittstellen oder Protokolle unterscheiden. Bspw. verbindet Ihr Internet-Gateway zu Hause Ihr Local Area Network (LAN) mit Ihrem Internet Service Provider (ISP). Dieses Gateway verbindet das Wide Area Network (WAN) des ISP mit Ihrem LAN mit TCP/IP. 

Das IoT-Gateway folgt dem gleichen Prinzip der Überbrückung der Kommunikation für unterschiedliche Technologien. Es schafft eine Brücke zwischen den IoT-Sensoren / Aktoren und dem Internet. Das IoT-Gateway aggregiert ggf. Daten, übersetzt die Protokolle der Sensoren und verarbeitet die Daten vor der Übermittlung. 

Abb. 2 IoT-Gateways als Brücke zwischen Things und dem Internet.
Abb. 2 IoT-Gateways als Brücke zwischen Things und dem Internet.

Das IoT-Gateway übernimmt die gesamte Kommunikation zwischen den Sensoren, Geräten im Feld und Fernverbindungen wie dem Internet, Anwendungen oder Benutzern. Bei dieser Kommunikation sammeln die IoT Gateways die Daten lokal ein und senden sie dann in der Regel per MQTT oder AMQP an ein CloudSystem wie Azure oder AWS. 

Wofür werden IoT-Gateways benötigt?

IoT-Gateways bringen im Kontext des Internet der Dinge unterschiedlichste Nutzen mit sich. Die folgenden drei Punkte fassen die Kernfunktionen zusammen. 

Abb. 3 Zentrale Kernfunktionen von IoT-Gateways
Abb. 3 Zentrale Kernfunktionen von IoT-Gateways

Interoperabilität

Ausgestattet mit einer großen Vielfalt an Schnittstellen, Protokollen und Standards, etwa für die lokale Installation (Edge) oder die Datenfernübertragung über Fest- und Mobilfunknetze (Connectivity), vereinfachen IoT-Gateways die Zusammenarbeit von vielen unterschiedlichen alten und neuen Geräten in einem IoT-Szenarium. Sie übertragen die gesammelten Daten in das Internet bzw. an eine zentrale IoT-Plattform oder Cloud-Architektur. Auf diese Weise verringern sie die technische Komplexität der Systeme und halten die notwendigen Investitionskosten gering. 

Konzentrator

In einem IoT-System sind mehrere Sensoren oder Geräte an ein IoT-Gateway, das diese mit geeigneten Protokollen über Fest- und / oder Mobilfunkstrecken im Feld zu einem Datenstrom zusammenschaltet und transportiert, angeschlossen. Diese Konzentration von Daten erzielt sowohl wirtschaftliche Effekte, z. B. durch die Nutzung von nur einer SIM-Karte und eines kostenintensivem Hardware-Moduls für die Mobilfunkstrecke, als auch Effekte für die IT-Security, da nur das IoT-Gateway über den IP-Adressraum erreichbar ist – nicht aber sämtliche Geräte bzw. Sensoren. 

Lokale Datenverarbeitung

Auch im Kontext einer lokalen Datenvorverarbeitung spielt ein IoT-Gateway eine zentrale Rolle. Hierbei geht es bspw. um das Filtern von Daten, welche nur bei relevanten Änderungen, z. B. beim Erreichen von Grenzwerten – und nicht kontinuierlich – übertragen werden. Dies führt zu einer signifikanten Reduktion der Datenmenge und der damit einhergehenden Betriebskosten. Sinnvoll ist diese Funktion auch für das Anstoßen einer direkten, lokalen Aktion ohne eine bestehende Verbindung zur zentralen Plattform. Immer häufiger kommen in diesem Kontext vollwertige Analyse-Programme als sogenannte „Stream-Analytics“ in der Edge zum Einsatz, welche die definierten Anforderungen an Rechen- und Speicherleistung auslösen. Auch die Verbindung zu Public-Cloud-Systemen wird häufig über entsprechende Softwareprogramme ermöglicht, die auf dem Gateway betrieben werden. Darüber hinaus dienen Gateways teilweise auch als „Trustpoint“, d. h. als Kommunikationsanker in der Edge. Damit tragen sie zu einer möglichst hohen Sicherheit der IoT-Cloud-Kommunikation bei. 

IoT-Gateways mit Node-RED

Für die Implementierung eines IoT-Gateways gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bspw. ist es einfach ein IoT-Gateway mit NodeRED, einer OpenSource Software, und einem Raspberry Pi selbst zu bauen. Das Raspberry Pi liefert hierbei den benötigten Computer und NodeRED die softwaretechnische Schnittstelle, um Protokolle der Sensoren und Aktoren im Feld anzusprechen bzw. auszulesen, sowie die Kommunikation herzustellen. 

Die innovative Low-Code Plattform Node-RED wurde konzipiert, um IoT Anwendungen, Datenerfassung, lokale Verarbeitung und Cloud Integration ohne Programmierkenntnisse zu realisieren. Mit Node-RED ist es einfach eine Verbindung zwischen alten und neuen industriellen Technologien im Sinne von IoT (Internet of Things) zu schaffen. Es bietet einen Browser-basierten Ablauf Editor, der die Abläufe mithilfe einer Vielzahl an, in der Palette vorhandenen, Netzknoten (Nodes) einfach verbindet. Eine Node hat dabei immer mindestens einen Eingang oder Ausgang. Zwischen den Nodes werden dann Nachrichten zugestellt, welche auf die verschiedensten Arten verarbeitet oder manipuliert werden können. So kann man z. B.  die Messdaten eines einfachen Temperatursensors in das gewünschte Datenformat formatieren und diese Daten dann per MQTT an eine Cloud-Architektur übermitteln. Das folgende Bild zeigt eine schematische Übersicht. Auf der linken Seite sind die Nodes abgebildet, die per Drag-and-drop in das mittlere Feld gezogen und im Anschluss der Logik nach miteinander verbunden werden. 

Abb. 4 Low-Code Plattform Node-RED
Abb. 4 Low-Code Plattform Node-RED

Node-RED eignet sich speziell für die Entwicklung von Datenerfassungs- und Vorverarbeitungslogiken. Die vorgefertigten Komponenten für verschiedene Kommunikationsprotokolle und allgemeine Datenverarbeitungsfunktionen machen die Anwendung noch benutzerfreundlicher. Das visuelle Entwicklungswerkzeug Node-RED ist perfekt für die Nutzung in einem industriellen IoT Umfeld.  

IoT-Infrastrukturen in der realen Welt sind mit einer Vielzahl von Herausforderungen und Beschränkungen verbundenHieraus entstehen hohe Anforderungen an den Betrieb von IoT-Gateways, bspw. an die Rechenleistung, das Betriebssystem, oder an die Betriebstemperatur der Hardware. Aus diesem Grund eignet sich die Umsetzung eines IoT-Gateways mit einem Raspberry Pi nur in kleineren IoT-Umgebungen in Form eines PrototypsFür große Rollouts sollte man auf einen Industrie Computer mit gehärtetem Linux Betriebssystem setzen. Diese sind speziell für die Nutzung in IoT-Szenarien evaluiert und bieten durch eine entsprechende Hardware- und Softwarelösung die Voraussetzungen für einen langlebigen Dauerbetrieb. Bei dieser Form der Implementierung eines IoT-Gateways kann Node-RED einfach als Docker-Container geladen und genutzt werden. 

IoT-Gateways als Schlüsselelement in IoT-Ökosystemen

In einer Welt ohne Gateways könnten unsere Geräte nicht mit dem Internet oder externen Netzwerken kommunizieren. IoT-Gateways erledigen die Standardaufgabe eines Routers, nämlich die Weiterleitung von Paketen in Multi-Hop-Umgebungen. Sie sind aber auch in der Lage, verschiedene Geräte mit unterschiedlichen Technologien zu verbinden. 

Abb. 5 IoT-Gateways mit Node-RED und Azure IoT Edge Cloud Integration
Abb. 5 IoT-Gateways mit Node-RED und Azure IoT Edge Cloud Integration

Das IoT-Gateway ist das Schlüsselelement in IoT-Ökosystemen. Als Brücke der Kommunikation verbindet es Sensoren mit dem Internet, Geräte mit einer Native-Cloud-Anwendung und vieles mehr. Es unterstützt Latenzen zu reduzieren und die Kapazität am Rand zu verbessern, indem es die Rohdaten vorverarbeitet. Das IoT-Gateway bietet außerdem eine zusätzliche Sicherheitslinie in diesen anfälligen Umgebungen. Durch die Opensource Software Node-RED ist es ohne große Vorkenntnisse in der Programmierung möglich eigene IoT-Projekte in die Tat umzusetzen. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass der geeignete Computer für den Anwendungsfall ausgewählt wird. Befindet man sich in einer Prototypenumgebung reicht ein Raspberry Pi aus. Sobald es sich um größere und anspruchsvollere IoT-Implementierungen handelt, sollte man unbedingt auf einen Industrie Computer zurückgreifen.