Das Internet der Dinge, M2M, Smart Metering,

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1 Das Internet der Dinge, M2M, Smart Metering, Friedemann Mattern ETH Zürich Friedemann Mattern Stuttgart 05 / 2014 Das Internet der Dinge Heute verbindet das Internet alle Computer Bald werden die Dinge der Welt an das Internet angeschlossen Und wir werden mit ihnen kommunizieren F. Mattern, ETH Zürich,

2 Das Internet der Dinge Die Dinge werden mit uns kommunizieren Die Dinge werden untereinander kommunizieren Die Dinge werden Internet-Dienste nutzen F. Mattern, ETH Zürich,

3 Smarte Dinge als Sinnesorgane für Computer Früher mussten Computer gefüttert werden Das war langsam, mühsam und teuer Heute bekommen sie ihr Datenfutter automatisch 1) Sensoren (inkl. GPS, Kameras, ) 2) automatisch generierte Daten aus digitalen Prozessen (Supermarktkasse, IP-Router, ) 3) Eingaben von Internetnutzern (Webklicks, , ) 4) Smarten Dingen Picture adapted from Real-World Awareness Realwelt-Daten werden billig feingranulares Monitoring bessere Entscheidungen durch detaillierte Realwelt-Daten sofortige automatische Reaktion F. Mattern, ETH Zürich,

4 Kommunikation mit Dingen? Indirekte Kommunikation Mensch Ding Swissness-Indikator Political Shopping -CO 2 -Erzeugung: 2.7 kg - Energieverbrauch: 0.7 Wh Internet F. Mattern, ETH Zürich,

5 Indirekte Kommunikation Mensch Ding Dingliche Welt Internet Andere Technologien optische Objekterkennung RFID NFC Friedemann Mattern Die Herausforderung Erkennung unscharfer Bilder keine Autofokus-Kamera kein Stillhalten F.Ma. 42 F. Mattern, ETH Zürich,

6 Friedemann Mattern F.Ma. 44 F. Mattern, ETH Zürich,

7 Outsourcen der Intelligenz Hier Dinge identifizieren Smartes Verhalten hier realisieren Dinge an das Internet anschliessen Internet F. Mattern, ETH Zürich,

8 Dinge an das Internet anschliessen WiFi Internet Computer Sensor 38 x 20 x 2.5 mm Ein Multitalent-Chip für $ 12,- Beispiel: Kommunikation mit Zimmerpflanzen WiFi Internet Computer Sensor F. Mattern, ETH Zürich,

9 Beispiel: Kommunikation mit Zimmerpflanzen WIFI / Internet Beispiel: Kommunikation mit Zimmerpflanzen dem Internet der Dinge WIFI / Internet F. Mattern, ETH Zürich,

10 ETH spin off: Philipp Bolliger, Moritz Köhler watch?v=k3wyp8tdhzc F. Mattern, ETH Zürich,

11 Friedemann Mattern Speziell entwickelter Sensor F.Ma. 81 Friedemann Mattern Datenbank für diverse Pflanzen F.Ma. 82 F. Mattern, ETH Zürich,

12 Friedemann Mattern F.Ma. 83 Friedemann Mattern Measurement Results With good WiFi routers (S1, S3): > 99% successful http callbacks, ms Use repetitions to reach 100% Bad router S2: increased delay MAC retransmissions, congestion Two 1100 mah AAA batteries 8 years live time with 100 events/d Not considering battery self-discharge Limited WiFi distance (~15m, one floor above / below) Varying network quality caused by interference in the 2.4 GHz band Bootstrapping complexity: Specification of SSID and authentication key F.Ma. 84 F. Mattern, ETH Zürich,

13 Web Das Internet der Dinge Physische Dinge durch Web- Ressourcen repräsentieren einfache Integration in die moderne ICT-Infrastruktur Kommunikation mit Dingen via URLs: Ein Netz von Dingen, basierend auf allgemeinen Web-Standards http- / REST-Prinzip HTML, JSON, XML Allerweltsdinge an das Web anschliessen? Das Web[2.0]- Zeitalter Soziale Netze Web APIs für Services Web Web-Sprachen / -Frameworks Universelle Browser Neue Interaktionsgeräte F. Mattern, ETH Zürich,

14 Allerweltsdinge an das Web anschliessen? Das Web[2.0]- Zeitalter Ein flexibles, mächtiges, allgemein verfügbares Ökosystem Für die smarten Dinge nutzbar machen! Soziale Netze Web APIs für Services Web-Sprachen / -Frameworks Universelle Browser Neue Interaktionsgeräte IoT- Protokollstack F. Mattern, ETH Zürich,

15 Ressourcenbeschränkte Geräte an das Internet anschliessen Friedemann Mattern IPv6 / UDP / CoAP Border router Internet / 6LoWPAN IP IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks F.Ma. 94 Friedemann Mattern Ein typ. IoT- / WoT-Protokollstack Ebene Application Transport Network Adaption MAC Radio Duty Cycling Protokoll Constrained Application Protocol (CoAP) UDP IPv6 / RPL 6LoWPAN CSMA / link-layer bursts IEEE e ( ContikiMAC ) Physical IEEE F.Ma. 95 F. Mattern, ETH Zürich,

16 CoAP: Das IoT- / WoT-Protokoll für die Anwendungsebene Friedemann Mattern IETF Constrained Application Protocol (CoAP) RESTful Web services for resource-constrained devices URIs, simple http mapping Asynchronous message exchange Reliable UDP transport («confirmable») Alternative transport bindings (e.g., SMS) Push notifications (observer paradigm) Multicast Resource discovery Binary (optimized for parsing) Supports sleepy nodes, bulky data Datagram Transport Layer Security (DTLS) draft-ietf-core-coap-12 F.Ma. 96 M2M F. Mattern, ETH Zürich,

17 Konver- M2M und genz! das Internet der Dinge Telemetrie Mobilkommunikation (Telcos und Mobiltelefonhersteller) Ubiquitous Computing Sensornetze, RFID, Kurzstreckenfunk (WiFi, , ) Telefonie (H2H) Daten (M2M) Internet IPv6, 6LoWPAN, CoAP, ( IoT) M2M und das Internet der Dinge Welche Technologie ist für eine bestimmte Anwendung oder Geschäftsmodell am besten geeignet? Welcher technische Fortschritt ist zu erwarten? Energiebedarf / Batterien? Netzabdeckung? Serviceangebot über Kommunikation hinaus? Internet F. Mattern, ETH Zürich,

18 M2M ( Machine to Machine ) Andere Technologie Statt WLAN wird Mobilfunktechnik genutzt (mit SIM-Karte) Keine direkte Internet-Anbindung Anderes Kostenmodell, Roaming Traditionell B2B-Anwendungen Logistik, track & trace Flottenmanagement Sicherheit Field force: Wartungsanwendungen, Verkaufsautomaten, Unterschied zum Internet der Dinge verwischt nach und nach Beispiel: Rauchmelder sowohl mit SIM-Karte als auch mit WiFi F. Mattern, ETH Zürich,

19 Kommunizierende Dinge Fahrradschloss am Internet? Technik wird kleiner und billiger, ermöglicht neue Geschäftsmodelle Mit Web-Technologie ist die Einbindung anderer Web-Dienste (z.b. Kartendienste) sehr einfach F. Mattern, ETH Zürich,

20 Dinge der Wohnung am Internet? Meine Jalousien Meine Lampen Pictures credit: Thingsquare F. Mattern, ETH Zürich,

21 Meine Waschmaschine Meine Badezimmerwaage Meine Wetterstation Netatmo F. Mattern, ETH Zürich,

22 Mein Thermostat Meine Haustür www. lockitron.com F. Mattern, ETH Zürich,

23 Meine Zahnbürste (und meine Zähne!) Smarte Energie F. Mattern, ETH Zürich,

24 Smarte Energie Digitaler Stromzähler Smarte Energie Momentaner Gesamtverbrauch Verbrauchshistorie F. Mattern, ETH Zürich,

25 Smarte Energie Geräteverbrauch Haushaltsgerät ein- oder ausschalten Gemessene Differenz wird angezeigt, Kosten werden hochgerechnet Geräte präsentieren Rechnung? Waschmaschine Kühlschrank TV Licht Geschirrspüler Computer Rest F. Mattern, ETH Zürich,

26 Friedemann Mattern Automatische Haushaltsanalyse Stromverbrauch (Watt) 72% der Haushaltsenergie für Raumwärme Niemand zuhause Heizung stark absenken Licht Kühl- / Gefrierschrank Unterhaltung & IT Herd & Mikrowelle Ofen Schlafen Heizung absenken Erfordert smarte ICT (Sensorik etc.) und geeignete Algorithmen (machine learning) Forschung F.Ma. 138 Industrie Die vierte industrielle Revolution - F. Mattern, ETH Zürich,

27 Industrie 4.0 Anwendung des Internet der Dinge im industriellen Kontext Maschinen und Produkte sind smart und kommunizieren via Internet miteinander und mit Cloud-Diensten Dezentrale und dynamische Produktionssteuerung Maschinen und Produkte sind smart und kommunizieren Bildquelle: Siemens Produktgedächtnis Produkte und Werkstücke haben ein Gedächtnis Wissen, wie sie gefertigt werden sollen Kennen ihren jeweiligen Status und ihren Produktionsplan Können Maschinen anweisen, sie auf bestimmte Art zu bearbeiten Steuern selbst ihren Logistikprozess flexible Produktion und geringe Losgrössen F. Mattern, ETH Zürich,

28 Beispiel: Echtzeitgeregelte Fertigung einer Nockenwelle Produktgedächtnis enthält u.a. Status nach jedem Bearbeitungsschritt; nachfolgender Prozessschritt kann Status innerhalb des Toleranzbereichs berücksichtigen und evtl. für eine höhere Präzision ausgleichen Vermeidung von Losgrössenfehlern und Verringerung der Zykluszeit Quelle: ThyssenKrupp Menschen interagieren mit Maschinen und Produkten Industrie 4.0: Menschen interagieren mit Maschinen und Produkten wie mit Internet-Diensten Bildquelle: W. Wahlster F. Mattern, ETH Zürich,

29 Bildquelle: DFKI Lokalisierung und Kontexterkennung ermöglicht unmittelbare Interaktion mit in der Nähe befindlichen Dingen F. Mattern, ETH Zürich,

30 Bildquelle: Fraunhofer Erleichterte dynamische Konfiguration, da Komponenten ihre Fähigkeiten und Eigenschaften kommunizieren können Neue Geschäftsmodelle, z.b. App-Stores für Maschinen Bildquelle: W. Wahlster Ermöglichung neuer Geschäftsmodelle, z.b. App-Stores für Maschinen F. Mattern, ETH Zürich,

31 Industrie 4.0 die vierte industrielle Revolution Internetfähige Maschinen, Werkstücke, Produkte Ferndiagnose / Fernwartung / prädiktive Wartung Flexible Fertigung dezentrale und dynamische Produktionssteuerung Produkte via Internet mit Zusatzdiensten koppeln Sicherheit als zentrale Herausforderung Informatik-Fachkenntnisse werden essentiell Absicherung gegen Störungen Manipulation Sabotage Spionage Diebstahl Erpressung via Internet Datenschutz Persönlichkeitsschutz der Kunden Abhängigkeit von einer guten Netzinfrastruktur und funktionsfähigem, sicheren Internet Angreifer können überall (auch weit entfernt) sein Materielle / physische Schädigungen möglich Internet-Technologien und neu entdeckte Schwachstellen von Softwarekomponenten sind allgemein bekannt F. Mattern, ETH Zürich,

32 409 Erweiterte Realität F. Mattern, ETH Zürich,

33 Mac Funamizu (Japanese designer) F. Mattern, ETH Zürich,

34 F. Mattern, ETH Zürich,

35 F. Mattern, ETH Zürich,

36 Video- Kamera Display Brille - Internet Laser- Projektor Kamera Prisma F. Mattern, ETH Zürich,

37 Überlagertes Bild im Prisma Laser-Projektor Prisma Überlagertes Bild vom Projektor Realität F. Mattern, ETH Zürich,

38 So sieht es z.z. in der Praxis aus: Neue Anwendungsbereiche Maschine kommuniziert ihre Wartungsanweisungen F. Mattern, ETH Zürich,

39 Neue Anwendungsbereiche Hilfen für Schwerhörige Gesprochene Sprache Text Warnung, wenn sich etwas Gefährliches (z.b. ein Auto) nähert Hilfe bei schwindenen Sinnen Ferndiagnose (Medizin, Geräte, ) Eye swapping Superman-Fähigkeiten Sprachübersetzung Sehen bei Dunkelheit Tele- und Makroblick Gesichtserkennung Als professioneller Dienst oder Telekooperation als spontane Freundschaftshilfe aus Fernsinne dem sozialen durch Netzwerk Verstärkung menschlicher Sinne Assistenz bei Alltagsproblemen Orte mit virtuell angehefteter Information F. Mattern, ETH Zürich,

40 Menschlicher Experte mit Eyeswapping für 15 Minuten im Produktpreis inbegriffen Image: Was bewirkt erweiterte Realität? Sie macht Menschen mächtiger Erweiterung der Wahrnehmungsmöglichkeit der Umgebung Schärfen der Sinne Macht Nutzer sicherer Dies sind wichtige Triebkräfte! F. Mattern, ETH Zürich,

41 Was bewirkt erweiterte Realität? Interaktion mit den Dingen der Welt F. Mattern, ETH Zürich,

42 Displays als aktive Kontaktlinsen? Displays als aktive Kontaktlinsen? F. Mattern, ETH Zürich,

43 Bald Displays als aktive Kontaktlinsen? Internet University of Washington Fazit F. Mattern, ETH Zürich,

44 Physische Welt und Cyberspace kommen sich näher Sensorik: Physische Realität wird dem Internet bekannt gegeben Eingebettete Systeme: Informationsverarbeitung in die physische Realität eingebettet Cyberphysisches System Hohes wirtschaftliches Potential Assistenzfunktionen für Menschen Friedemann Mattern Das Internet vernetzt nur Computer jetzt die Dinge der Welt vernetzen! Image based on original artwork by Esther Gons, F. Mattern, ETH Zürich,

45 Das Internet der Dinge, M2M, Smart Metering, Friedemann Mattern ETH Zürich F. Mattern, ETH Zürich,