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IoT-Architektur:
Schlüsselschichten, Komponenten und Anwendungsfälle
April 10, 2025
Eine IoT-Architektur ist ein strukturierter Plan, der definiert, wie Sensoren, Geräte, Netzwerke und Anwendungen innerhalb einer IoT-Lösung miteinander interagieren und integriert werden, um eine effiziente und sichere Datenerfassung, -übertragung und -verarbeitung für Echtzeit-Einsichten zu gewährleisten.
Mit mehr als 5 Jahren Erfahrung in der IoT-Softwareentwicklung liefert Itransition robuste IoT-Lösungen für alle Branchen und gewährleistet deren Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz.
Sechs Schichten der IoT-Architektur
Obwohl IoT-Architekturen je nach Art der IoT-Lösung und ihrem Verwendungszweck variieren können, folgen sie im Allgemeinen einer sechsschichtigen Struktur, die an die spezifischen Anforderungen des Unternehmens angepasst und optimiert werden kann.
Wahrnehmungsschicht
Die Geräte- oder Wahrnehmungsschicht ist die erste Schicht der IoT-Architektur, die für das Sammeln von Rohdaten aus der physischen Welt verantwortlich ist und die Interaktion des Systems mit ihr ermöglicht. Diese Schicht umfasst Sensoren, Aktoren, Identifizierungstechnologien wie RFID und QR-Codes sowie intelligente Geräte.
Konnektivitätsschicht
Die Konnektivitäts- oder Netzwerkschicht erleichtert die Datenübertragung zwischen der Wahrnehmungsschicht und anderen Schichten der IoT-Architektur und unterstützt eine bidirektionale Kommunikation, die sowohl die Datenerfassung von Sensoren als auch die Übertragung von Steuerbefehlen an Aktoren ermöglicht. Die Konnektivitätsschicht besteht aus Kommunikationsnetzen (Kurzstrecken-, Langstrecken- und drahtgebundene Netze), Kommunikationsprotokollen sowie Internet-Gateways und Edge-Geräten.
Datenverarbeitungsschicht
Auf der Verarbeitungsebene werden die von den IoT-Geräten gesammelten Rohdaten gesammelt, gespeichert, verarbeitet und analysiert, um von den Entscheidungsträgern weiterverwendet zu werden, um wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen und die notwendigen Maßnahmen zu ergreifen. Diese Ebene kann eine Vielzahl von Cloud- oder lokalen Tools und Technologien umfassen, darunter Datenbanken, Datenzentren und Big Data Warehouses, Echtzeit- und echtzeitnahe Datenverarbeitungs- und Analyseplattformen, Algorithmen für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen und vieles mehr.
Anwendungsschicht
Die Anwendungsschicht besteht aus ansprechenden Benutzeroberflächen, die die Steuerung von IoT-Geräten erleichtern. Diese Stufe umfasst verschiedene Web- und Mobilanwendungen, Webportale und andere Softwarelösungen, die den Benutzern den Zugriff auf die zugrunde liegenden IoT-Geräte und deren Verwaltung ermöglichen. Die Anwendungsschicht umfasst auch Datenvisualisierung und Dashboards, um die gesammelten Informationen und die generierten KI-gesteuerten Erkenntnisse zu präsentieren. Darüber hinaus bietet sie APIs und Integrationen mit Unternehmenssystemen, die eine nahtlose Interoperabilität mit bestehenden Geschäftsprozessen ermöglichen.
Prozess-Schicht
Die Prozessschicht ist für die Steuerung, den Betrieb und die Verwaltung des IoT-Systems verantwortlich und gewährleistet dessen reibungslosen und sicheren Betrieb. Diese Schicht fungiert als Koordinations- und Kontrollzentrum und integriert Geschäftsrichtlinien, betriebliche Arbeitsabläufe und Systemverwaltungsfunktionen, um die Effizienz, Konformität und Zuverlässigkeit des IoT-Ökosystems zu gewährleisten.
- Governance-Prozesse konzentrieren sich auf die Durchsetzung von Richtlinien, die Einhaltung von Vorschriften und Sicherheitsbestimmungen und stellen sicher, dass IoT-Implementierungen mit Branchenstandards, Datenschutzgesetzen und bewährten Verfahren des Unternehmens übereinstimmen.
- Betriebslösungen decken die Systemüberwachung in Echtzeit, das Incident Management und die Leistungsoptimierung ab und ermöglichen eine proaktive Problemerkennung und automatische Reaktionsmechanismen.
- Verwaltungsmechanismen kümmern sich um das Lebenszyklusmanagement von Geräten, Software-Updates, Konfiguration und Ressourcenzuweisung und gewährleisten die Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit der IoT-Infrastruktur.
Sicherheitsebene
Die Sicherheit ist eine übergreifende Schicht in der IoT-Architektur, die für den Schutz der IoT-Lösung und der von ihr erfassten und verarbeiteten Daten unerlässlich ist. Jede Schicht der IoT-Architektur erfordert spezifische Sicherheitsmaßnahmen, z. B. müssen IoT-Geräte physisch geschützt werden, während eine IoT-Webanwendung durch Zugriffskontrollmechanismen geschützt werden muss.
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Schlüsselkomponenten der IoT-Architektur
Intelligente Sensoren und Aktoren
Die Kernelemente eines jeden IoT-Systems sind vernetzte Geräte, die mit Sensoren und Aktoren ausgestattet sind.
Sensoren erfassen Veränderungen in der Umgebung und übermitteln die Informationen an das Rechenzentrum. Sensoren können Informationen über die Temperatur und Feuchtigkeit sammeln oder Bewegungen, Geräuschpegel und giftige Substanzen in der Luft erkennen.
Eine weitere wichtige Gruppe von Elementen auf der Wahrnehmungsebene der IoT-Architektur ist Aktoren. Aktoren dienen als "Beweger", die den vom Steuersystem gesendeten Impuls in eine mechanische Bewegung umwandeln.
Ein gutes Beispiel dafür, wie Sensoren und Aktoren funktionieren, ist ein intelligentes Temperatursteuerungssystem für das Haus. Ein Temperatursensor misst die Temperatur in einem Raum und sendet sie an einen Mikrocontroller, der die empfangenen Daten auswertet. Wenn die Temperatur über einem vordefinierten Schwellenwert liegt, sendet der Mikrocontroller ein Signal an einen intelligenten Thermostat (Aktor), um die Klimaanlage zu aktivieren.
Temperatur
Feuchtigkeit
Licht
Antrag
Lärm
Annäherung
Ebene
Accelero- Meter
Gas
Optisch
Gyroskop
Chemisch
Arten von IoT-Sensoren
Edge-Computing
In der IoT-Architektur ist zwischen der Wahrnehmungs- und der Datenverarbeitungsschicht eine Randschicht integriert, die dazu beiträgt, die Datenanalyseprozesse näher an den Rand des Netzwerks zu verlagern. In einer herkömmlichen IoT-Architektur werden alle von IoT-Sensoren gesammelten Daten zur Analyse an die Cloud übertragen und die Antwort wird dann zurückgesendet, um eine erforderliche Aktion auszulösen. In einigen Fällen kann ein solcher Ansatz ineffizient sein, da die Hin- und Her-Übertragung von Daten Zeit kostet. Um die Latenzzeit zu verringern und die Bandbreite zu optimieren, sind IoT-Edge-Geräte mit Rechenfunktionen ausgestattet, die einen Teil der Daten lokal und nahezu in Echtzeit verarbeiten können.
Ein Beispiel für ein solches Edge-Gerät mit Edge-Computing-Leistung ist die Technologie, die für die vorausschauende Wartung in der Industrie eingesetzt wird. So wird beispielsweise ein Schwingungssensor mit einem Verarbeitungschip an einer Industriemaschine angebracht, um Schwingungsmuster in Echtzeit zu überwachen. Das Gerät verarbeitet die Daten lokal, um Anomalien zu erkennen. Wird eine Anomalie erkannt, kann das Gerät eine Warnung senden oder die Maschine verlangsamen/abschalten, um Schäden oder Verletzungen der Arbeiter zu vermeiden. Anstatt also alle rohen Schwingungsdaten an die Cloud zu senden, überträgt das Gerät nur kritische und bereits verarbeitete Erkenntnisse, wodurch die Entscheidungszeit verkürzt wird.
Konnektivitätstechnologien
Aktionsradius | Technologie | Entfernung | Anwendungsfälle | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Annäherung | NFC | 10 cm | Zahlungssysteme | ||||||||||
Persönliches Netzwerk |
| ||||||||||||
Lokales Netzwerk | Wi-Fi |
| Intelligente Häuser | ||||||||||
Weitverkehrsnetz |
|
Titel des Schemas: Überblick über einige der wichtigsten Kommunikationstechnologien für das IoT
Datenquelle: ScienceDirect
Die Verwendung einer bestimmten Netzwerktechnologie, die das IoT-Ökosystem verbinden soll, hängt von der Art der IoT-Lösung ab, wobei Faktoren wie Energieeffizienz, Datenrate, Latenz und Abdeckung abgewogen werden. Personal Area Network-Technologien werden in der Regel in IoT-Lösungen eingesetzt, die in unmittelbarer Nähe der einzelnen Geräte arbeiten, z. B. in einem intelligenten Haus mit intelligenten Thermostaten und intelligenter Beleuchtung. Gleichzeitig werden Wide-Area-Network-Technologien häufiger in IoT-Lösungen eingesetzt, die eine Datenübertragung über größere Entfernungen und eine Mobilfunknetzverbindung erfordern.
Um Daten zwischen IoT-Geräten und -Anwendungen auszutauschen, werden in der Regel die folgenden Nachrichten- und Datenaustauschprotokolle verwendet:
- MQTT
ein leichtgewichtiges Protokoll, das auf TCP/IP aufbaut und der Datenerfassung von Geräten mit geringer Leistung dient - CoAP
eine leichtgewichtige Alternative zu HTTP für Geräte mit geringem Stromverbrauch - HTTP/HTTPS
wird für webbasierte IoT-Geräte verwendet, ist aber im Vergleich zu MQTT/CoAP schwerfälliger - AMQP
wird im industriellen IoT für sicheres und zuverlässiges Message Queuing verwendet - DDS
Hochleistungsfähiger Echtzeit-Datenaustausch in risikoreichen Umgebungen
Sicherheitsmechanismen
Die Verarbeitung großer Datenmengen und das Vorhandensein mehrerer Endpunkte machen IoT-Lösungen sehr anfällig für verschiedene Sicherheitsbedrohungen wie DDoS-Angriffe, Geräteentführungen, unbefugten Zugriff und Datenverletzungen. Aus diesem Grund ist es wichtig, eine IoT-Lösung auf allen Architekturebenen zu schützen.
Geräteebene
Die Sicherheit der IoT-Sensorebene wird in der Regel durch manipulationssichere Hardware, sichere Firmware-Updates und Bootvorgänge sowie eine kontinuierliche Überwachung zur Erkennung bösartiger Aktionen gewährleistet.
Netzwerk-Ebene
Die Sicherung der Datenübertragung zwischen IoT-Geräten und Cloud-basierten und lokalen IoT-Plattformen erfordert die Implementierung einer Ende-zu-Ende-Verschlüsselung mit TLS/SSL oder VPNs, die dem Ansatz des Zero-Trust-Netzwerks folgen, sowie die Verwendung von Firewall-Schutz, Netzwerksegmentierung und kontinuierliche Überwachung auf verdächtige Netzwerkaktivitäten.
Cloud-Ebene
Auf der Datenverarbeitungs- oder Cloud-Ebene wird die Sicherheit der IoT-Daten in der Regel durch die Absicherung von API-Gateways und die Anwendung von Datenverschlüsselung, rollenbasierten Zugriffskontrollen und Multifaktor-Authentifizierungsmechanismen gewährleistet.s
Anwendungsebene
Der Schutz von benutzerseitigen Diensten erfordert die Implementierung von Mechanismen wie sichere Authentifizierung (biometrische Authentifizierung, Single Sign-On (SSO) und Multi-Faktor-Authentifizierung), die Bereitstellung regelmäßiger Software-Sicherheits-Patches und -Updates sowie die Einrichtung von SIEM-Systemen (Security Information and Event Management) zur Echtzeit-Erkennung von Bedrohungen.
IoT-Anwendungsfälle in verschiedenen Branchen
Steigerung der Effizienz von Produktionsprozessen, Erhöhung der Automatisierung und Überwachung der Qualität von Endprodukten.
- Prädiktive Wartung
- Digitale Zwillinge
- Wearables für Arbeiter
- Automatisierung der Qualitätskontrolle
- Sicherheitssensoren
- Vernetzte Produktionslinien
Verbesserung der Patientenversorgung und Steigerung der Effizienz von Krankenhäusern durch intelligente Geräte und Ferndiagnose.
- Fernüberwachung von Patienten
- Intelligente Krankenhäuser
- Telemedizin
- Einnehmbare Sensoren
Optimierung der Bestandsverwaltung, Vereinfachung der Kassenabwicklung und Verbesserung des Kundenerlebnisses.
- Intelligente Regale
- Beacons-gestütztes Marketing
- RFID-Scanner
- Selbstbedienungs-Kassen
Intelligentes Zuhause
Mit vernetzten IoT-Geräten wird das Zuhause intelligenter, sicherer, effizienter und komfortabler.
- Intelligente HLK und Beleuchtung
- Intelligente Sicherheitssysteme
- Sensoren zur Erkennung von Wasser- und Gaslecks
- Intelligente Sprachassistenten
Kraftfahrzeuge
Ermöglichung einer vorausschauenden IoT-Wartung für eine längere Fahrzeuglebensdauer und Erleichterung der Technologie für vernetzte Fahrzeuge.
- Vernetzte Fahrzeuge
- Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme
- Fahrzeug-zu-Alles-Kommunikation (V2X)
- Infotainment im Fahrzeug
- Intelligentes Parken
- Onboard-Diagnosegeräte (OBD)
- Nutzungsabhängige Versicherung
Optimierung der Ernteerträge und des Ressourcenverbrauchs bei gleichzeitiger Kostensenkung und Verbesserung der Nachhaltigkeit.
- Sensoren zur Überwachung von Feuchtigkeit, Temperatur, Nässe und Nährstoffen
- Verfolgung des Viehbestands in Echtzeit
- Landwirtschaftliche Drohnen
Logistik
Steigerung der Effizienz der Lieferkette, Senkung der Betriebskosten und Erhöhung der Sicherheit der Fahrer.
- Frachtverfolgung
- Überwachung der Kühlkette
- IoT-fähige Überwachung von Fahrzeugstandort, Kraftstoffverbrauch und Fahrerverhalten
Intelligente Städte
Ermöglichung einer effizienten Stadtverwaltung und Steigerung der Effizienz und des Komforts des städtischen Lebens mit IoT-Technologie.
- IoT-basierte Verkehrsampeln
- Sensoren für die Luftqualität
- Intelligente Straßenbeleuchtung
Versicherung
Bereitstellung von evidenzbasierten Informationen aus den vernetzten Geräten ihrer Kunden für Versicherungsunternehmen und Schaden zu verhindern.
- Faktenbasierte Underwriting-Prozesse
- Hyper-Personalisierung der Politik
- Automatisierte FNOL-Einreichung
- Anspruchsprüfung und Betrugserkennung
- Genaue Schätzung der Schadenzahlung
- Prävention von Schäden und hohen Kosten
Faktoren, die bei der Auswahl einer IoT-Architektur zu berücksichtigen sind
Skalierbarkeit
Die Architektur einer IoT-Lösung sollte die horizontale und vertikale Skalierung unterstützen und in der Lage sein, eine steigende Anzahl von intelligenten Geräten, zusätzliche Funktionen und wachsende Datenmengen zu bewältigen.
Datenverarbeitung
IoT-Lösungen erfordern eine sorgfältige Abstimmung und Verteilung von Edge- und Cloud-Computing-Funktionen. Durch einen hybriden Ansatz kann sichergestellt werden, dass kritische Vorgänge effizient am Netzwerkrand ausgeführt werden, während die Cloud für tiefgreifende KI-gestützte Analysen genutzt wird.
Interoperabilität
Alle IoT-Komponenten sollten unabhängig von ihrem Hersteller standardisierte Datenformate, gemeinsame Mechanismen zur Dateninterpretation und kompatible Kommunikationsprotokolle verwenden, um die Interoperabilität von Daten und den nahtlosen Datenaustausch zwischen IoT-Geräten, -Systemen und -Plattformen sicherzustellen.
Versteckte Kosten
Abgesehen von den Anschaffungskosten für Hardware- und Software-IoT-Lösungen müssen auch weniger offensichtliche Ausgaben berücksichtigt werden, z. B. die Kosten für Cloud-Dienste, Firmware- und Software-Wartung und -Updates sowie der Energieverbrauch.
Sicherheit
Die Sicherheit beeinflusst jeden anderen Faktor des IoT-Systems: Ohne robuste Sicherheit kann die Skalierung des Systems Schwachstellen mit sich bringen, Verstöße können die Datenverarbeitung gefährden, Integrationen können Systeme dem unbefugten Zugriff aussetzen, und versteckte Kosten können aufgrund von Bußgeldern für die Einhaltung von Vorschriften, Datenverletzungen und Ausfallzeiten eskalieren. Daher muss eine IoT-Lösung starke Sicherheitsmaßnahmen auf allen Ebenen der IoT-Architektur beinhalten.
Wie Itransition helfen kann
IoT-Entwicklung
Wir entwickeln skalierbare IoT-Backends und Integrationen für einen nahtlosen Datenfluss in Ihrem IoT-Ökosystem sowie robuste IoT-Anwendungen für eine effiziente IoT-Geräteverwaltung. Wir entwickeln auch herkömmliche und KI-gestützte IoT-Datenanalyselösungen für verwertbare Erkenntnisse.
IoT-Beratung
Unsere IoT-Berater unterstützen Sie bei der Entwicklung einer effektiven Internet-of-Things-Lösung mit einer skalierbaren Architektur, die auf Ihren IoT-Anwendungsfall und Ihre Geschäftsanforderungen zugeschnitten ist. Wir können Ihnen auch bei der Entwicklung eines Projektentwicklungsplans helfen, um eine optimale Markteinführung und die Einhaltung Ihres Budgets zu gewährleisten.
Über Itransition
IT-Beratungs- und Softwareentwicklungsdienste seit 1998
Mehr als 5 Jahre Erfahrung mit IoT-Entwicklungsdienstleistungen
ISO 9001 und ISO 27001-zertifizierte Qualitäts- und Sicherheitsmanagementsysteme
Strategische Partnerschaft mit Microsoft und AWS
Praktische Erfahrung in Projekten zur künstlichen Intelligenz
Anerkennung als führender Softwareentwicklungsdienstleister in einem MAD-Bericht von Forrester
Vertrauen Sie die Entwicklung und Implementierung Ihrer IoT-Lösung einem erfahrenen IoT-Partner an
IoT-Architekturen für den Erfolg konzipiert
Die Entwicklung einer zuverlässigen und praktikablen IoT-Architektur erfordert einen strategischen Ansatz, der Skalierbarkeit, Interoperabilität, Sicherheit und Kosteneffizienz in Einklang bringt. Die Implementierung einer fünfschichtigen IoT-Architektur und deren Anpassung an Ihre spezifischen Bedürfnisse kann dazu beitragen, eine effiziente Datenerfassung und -verarbeitung entsprechend Ihren Anforderungen zu gewährleisten und datengesteuerte Entscheidungen zu ermöglichen.
Wir von Itransition haben uns auf die Bereitstellung skalierbarer, effizienter und sicherer IoT-Lösungen spezialisiert, die auf Ihre Branche und Ihre Geschäftsanforderungen abgestimmt sind. Ganz gleich, ob Sie ein IoT-System in Ihre Produktionsprozesse implementieren, die Kundenerfahrung mit IoT verbessern oder eine innovative Smart-Home-Lösung einführen möchten - unsere Experten stehen Ihnen zur Seite.
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