IoT

Edge IoT: Smarte IT-Anwendungen auch ohne schnelle Datenverbindung

Immer mehr Geräte und Maschinen sind mit dem Internet verbunden und nutzen die Cloud als Rechenplattform. Das kann in größeren Firmennetzen schon einmal für Stau auf den Datenverbindungen sorgen – besonders dann, wenn viele IoT-Geräte parallel im Einsatz sind. Mit Edge IoT verlagern Sie das Computing dorthin, wo die IoT-Daten anfallen. Das reduziert den Datenverkehr im Netz und macht neue, schnellere Anwendungen möglich.

Die Industrie wandelt sich gerade zur Industrie 4.0. Der Weg dorthin führt über zunehmende Vernetzung und immer intelligentere Systeme auf allen Ebenen. Erfahren Sie hier, welche Rolle Edge IoT dabei spielt und wie Sie die Technologie auch für Ihr Unternehmen nutzen.

Inhaltsverzeichnis

Was ist Edge IoT?

Inzwischen gibt es im Alltag zahlreiche Geräte, die über das Internet selbständig Daten austauschen. Die Palette reicht von Kraftfahrzeugen mit vernetzten Stauwarnern über Tablets und Smartwatches bis hin zu digitalen Werbedisplays in Geschäften oder intelligenten Baumaschinen im Straßenbau.
Sie alle sind im sogenannten Internet der Dinge vernetzt – im Englischen: Internet of Things oder kurz: IoT. Und das wächst derzeit rasant. Aktuell sind etwa 13 Milliarden Geräte und Maschinen über das IoT verbunden. Bis zum Jahr 2030 sollen es mehr als 30 Milliarden sein, schätzen die Marktanalyst:innen von IoT-Analytics. Auch Unternehmen setzen vermehrt auf das Internet der Dinge. Überall dort, wo vernetzte Geräte in der Industrie zum Einsatz kommen, spricht man vom Industrial Internet of Things (IIoT).
Mit der „Trojan Room Coffee Pot Camera“ ging 1991 die erste Webcam der Welt in einem Computerlabor der Universität Cambridge ins Internet. Damit war zugleich das Internet der Dinge geschaffen, über das Kameras, Sensoren und andere Geräte verbunden sind. Inzwischen sind weltweit viele tausend Webcams auf Sendung – und zusätzlich über eine Milliarde weitere Kameras. Sie erkennen beispielsweise aufkommende Staus im Straßenverkehr, überwachen das Schließen der Schranken an Bahnübergängen oder sichern Firmengelände, Flughäfen und Verladeterminals.
In Full-HD-Auflösung (1.080p) benötigt eine solche Kamera eine Internet-Bandbreite von etwa 3 Mbit/s für eine flüssige Bildübertragung. Bei einer 4K-Auflösung (2.160p) sind es schon 10 Mbit/s.
So wächst das Internet der Dinge und damit auch der globale Datenverkehr immer weiter an. 2024 lag die weltweit transportierte Datenmenge laut dem Internet-Knotenbetreiber DE-CIX aus Frankfurt bei rund 68 Exabyte. Ein Exabyte entspricht einer Trillion Zeichen: eine Zahl mit 18 Nullen. Bei der gegenwärtigen Wachstumsrate von rund 15 % pro Jahr verdoppelt sich dieser Wert etwa alle fünf bis sechs Jahre.
Auch die zunehmende Nutzung von künstlicher Intelligenz (KI) lässt die Datenverkehre weiter zunehmen. Smarte IoT-Kameras erkennen und unterscheiden mittlerweile einzelne Gegenstände oder identifizieren Personen anhand von Fotos. Doch dafür müssen sie Vergleichsbilder aus dem Internet laden oder aufwendige Berechnungen in die Cloud auslagern. Somit erhöhen mehrere Faktoren den aktuellen Bandbreitenbedarf in den Netzen:
  • Immer mehr IoT-Geräte werden installiert und versenden Daten.
  • Leistungsfähigere IoT-Geräte mit immer besseren Sensoren und Kameras erzeugen mehr Daten.
  • Durch die Nutzung künstlicher Intelligenz müssen immer mehr Daten zwischen den IoT-Geräten und deren KI-Clouds ausgetauscht werden. Denn dort erfolgen die eigentlichen Auswertungen.
Geschäftsmann telefoniert mit Smartphone

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Computing am Netzwerkrand

Firmennetzwerke sind in der Regel so eingerichtet, dass besonders wichtige Geräte und Infrastrukturen im Zentrum liegen. Dazu gehören Private Clouds in firmeneigenen Rechenzentren und Internet-Firewalls, über die der gesamte Datenverkehr zwischen Intranet und Internet abgewickelt wird.
Als „Edge“ (auf Deutsch: „Rand“) wird im Unterschied hierzu der äußere Bereich von Netzwerken bezeichnet. Dort sind üblicherweise solche Geräte angesiedelt, die keine zentralen Funktionen für das Firmennetz übernehmen oder die aufgrund ihres Einsatzzwecks im Außenbereich liegen müssen. Dazu gehören autonome Transportsysteme und Drohnen.
Diese Geräte sind oft über lange Leitungswege oder zwischengeschaltete Router und Repeater an das Netz angebunden. Dadurch erhöhen sich die Latenzzeiten dieser Geräte. Sie reagieren also langsamer.
Viele IoT-Geräte benötigen jedoch zwingend niedrige Latenzen bei der Kommunikation mit ihrer jeweiligen KI-Cloud, müssen also schnell reagieren. Sonst funktionieren Echtzeitmessungen nicht oder Berechnungen dauern übermäßig lange.
Aus diesem Grund wurde das Edge Computing entwickelt. Und weil viele Geräte im Außenbereich inzwischen auch ein so hohes Datenaufkommen haben, dass es Firmennetze überfordern kann.
Beim Edge Computing werden rechenintensive Aufgaben an den Rand eines Netzwerkes verlagert. Damit sind beispielsweise KI-Berechnungen selbst in großen Infrastrukturen wieder möglich.
Zum Edge Computing gehört auch die Nutzung von IoT-Geräten am Netzwerkrand: In vielen IoT-Geräten sind hierfür inzwischen spezielle KI-Chips oder besonders leistungsfähige Mikroprozessoren verbaut. Damit können diese Geräte eigenständig KI-Berechnungen durchführen, die bisher eine KI-Cloud übernommen hat. Dieses Computing auf IoT-Geräten im Edge-Bereich wird auch als Edge IoT bezeichnet.
Künstliche Intelligenz im Edge IoT kann z.B. die Hinderniserkennung von autonomen Transportfahrzeugen verbessern.

Praktische Anwendung

Folgende Einsatzgebiete für Edge IoT gibt es in der Industrie:
  • Predictive Maintenance: Künstliche Intelligenz in Fabrikenerkennt anhand von Wartungsprotokollen vergleichbarer Maschinen und mithilfe von Vibrations- und Temperatursensoren, wann Industriemaschinen eine Wartung benötigen. Die Berechnung erfolgt direkt an den jeweiligen Maschinen. So müssen die Sensordaten nicht über das Netz übertragen werden, sondern können am Einsatzort ausgewertet werden.
  • Qualitätsmanagement: Kameras an Förderbändern und Fertigungsanlagen fotografieren die laufende Produktion. Durch Machine Learning sammelt die Technik Erfahrung und lernt, fehlerfreie und fehlerhafte Produkte optisch voneinander zu unterscheiden – auch bei kleinsten Abweichungen und wechselnden Umgebungsverhältnissen. Fehlerhafte Produkte sortiert die Anlage direkt aus.
  • Klimamanagement: Edge-IoT-Controller überwachen das Mikroklima in Fabrikhallen und Bürogebäuden und stellen Heizungssysteme, Klimaanlagen und Frischluftventilatoren je nach Bedarf ein – und das möglichst energiesparsam. Die Technik lernt mit der Zeit vorherzusagen, wann und wie bestimmte innere und äußere Einflüsse das Klima beeinflussen (Wetter, viele oder wenige Menschen in den Büros oder Anlagen, die Abwärme erzeugen). Die Technik reagiert dann frühzeitig auf den jeweiligen Umstand.
  • Logistik-Optimierung: Kameras und Sensoren optimieren in der Logistik Transportwege und erkennen im Voraus, wann bestimmte Lagerbestände nachbestellt werden müssen. Dabei berücksichtigen sie auch saisonale Schwankungen in der Nachfrage oder Preisschwankungen bei den Lieferanten.
  • Autonomes Fahren (in Vorbereitung): Autonome Fahrzeuge nutzen Sensordaten (Radar, Kameras, Lidar), um ihre Umgebung dauerhaft zu erfassen. Aber auch wenn die Verbindung zur Anbieter-Cloud abreißt, kann die IoT-Technik weiterhin autonom ihr Umfeld auswerten. Dank Machine Learning weiß ein Fahrzeug außerdem, in welchen Fahrsituationen (Wetter, Region, Sichtverhältnisse, Verkehrsdichte) und an welchen Orten (z.B. Unfallschwerpunkten) welche Gefahren drohen. Dabei vermeidet die Technik an entsprechenden Orten jegliche Risken für die Insassen, etwa durch defensive Fahrweise und größere Sicherheitsabstände. Zugleich warnen in der Nähe befindliche Fahrzeuge sich gegenseitig.
  • Gesundheitswesen: Sogenannte Wearables, also tragbare digitale Geräte wie Smartwatches und medizinische Datenlogger, überwachen die Vitalfunktionen von Patient:innen, etwa Puls und Blutdruck. Mithilfe integrierter KI kann die IoT-Technik auch ohne Cloud-Verbindung Herzrhythmus- oder Kreislaufstörungen rechtzeitig erkennen oder sogar frühzeitig vorhersagen.
  • Landwirtschaft: IoT-Sensoren erfassen auf landwirtschaftlichen Anbauflächen laufend Parameter wie Bodenfeuchte, Sonneneinstrahlung und pH-Wert. Anstelle herkömmlicher Pflanzenschutzmittel kommen sogenannte LaserWeeder zum Einsatz, die regelmäßig über die Felder fahren. Sie erfassen über hochauflösende Kameras den gesamten Bewuchs und erkennen mithilfe einer leistungsfähigen CPU und spezialisierter KI-Applikationen alle Unkräuter im Bestand. Diese werden mit einem kurzen Laserstrahl erhitzt, sodass sie absterben.
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Diese Geräte und Plattformen gibt es für Edge IoT

Viele Hersteller bieten inzwischen Geräte und Komponenten für Edge IoT an. Seit einigen Jahren gibt es sogenannte Vision Processing Units (VPU) im Handel, etwa die Movidius-Reihe von Intel. Sie kommt auf speziell hierfür entwickelter Hardware zum Einsatz, z.B. in Embedded-Systemen für Drohnen oder Überwachungskameras – also überall dort, wo zeitkritische Berechnungen mangels schneller und stabiler Internet-Verbindung nicht in die Cloud ausgelagert werden können.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Grafikprozessoren (GPU) haben die neuen VPU eine zusätzliche KI-Logik an Bord, die Echtzeit-Gesichtserkennung und Lernfunktionen integriert. Dabei ist die Hardware schneller und benötigt weniger Strom als herkömmliche Prozessoren, die dieselben Berechnungen über Software abbilden müssen.
Mit der Meteor-Lake-Architektur bringt Intel Hardware-basierte KI-Funktionen auch in Neural Processing Units (NPU) für klassische Computerbaureihen, etwa für Laptops. Wettbewerber AMD hat mit Ryzen AI eine eigene Reihe von Prozessoren im Programm, die ebenfalls für KI-Anwendungen und maschinelles Lernen entwickelt wurden.

Geräte mit eigener KI-Hardware für Edge IoT

Viele Kamerahersteller bieten inzwischen leistungsfähige Edge-IoT-Kameras für die Industrie an. Entsprechende Modelle gibt es beispielsweise von Firmen wie Bosch, Basler und Bertrandt. Die Kameras werden sowohl beim Deep Learning in Industrieumgebungen eingesetzt wie auch für das sogenannte Smart Counting und andere KI-gestützte Technologien. Smart Counting mit Objekterkennung kann beispielsweise in Echtzeit Besucherzahlen bei Veranstaltungen erfassen, aber auch Fahrzeuge auf Parkplätzen zählen oder Tiere auf einer Weide.
Mehrere im Raum verteilte IoT-Kameras wiederum können zu einem bildgebenden Cluster verbunden werden, der dreidimensionale Modelle einer Arbeitsumgebung erstellt. Das ist beispielsweise interessant für Industrieroboter, die innerhalb einer so vermessenen Umgebung Gegenstände gezielt greifen und bearbeiten können (Smart Picking).
Auch die Mensch-Maschine-Kommunikation verändert sich durch Edge IoT: Viele Spracherkennungen wurden bisher als reine Cloud-Dienste entwickelt, die ohne Internet-Verbindung nicht funktionieren. Hersteller Seeed Studio hat mit der ReSpeaker-Familie intelligente Mikrofone im Programm, die auch im Edge IoT Sprachbefehle erkennen. Die Mikrofone sind für intelligente Assistenten und sprachgesteuerte Geräte gedacht. Praktisch: Einige Modelle sind als Shields für Raspberry Pi und ESP-Microcontroller ausgeführt und lassen sich direkt auf den entsprechenden Entwicklungsboards verbauen.
Mann steht inmitten einer Server-Racklandschaft in einem Rechenzentrum

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Edge IoT über die Cloud steuern

Durch die Auslagerung von Funktionen an den Netzwerkrand werden Unternehmensnetze und Firmen-Clouds wirksam entlastet. Dort, wo Edge-Anwendungen weiterhin eine zusätzliche Cloud benötigen, kommen dedizierte IoT-Clouds zum Einsatz. Sie sind speziell für die Administration von IoT-Geräten gedacht. So bleiben die großen Rechenlasten weiterhin am Netzwerkrand. Und nur die Aufgaben, die ausschließlich zentral erledigt werden können, wandern in die IoT-Cloud.
Einige dieser IoT-Clouds sind Weiterentwicklungen bisheriger IoT-Plattformen. Zu den meistgenutzten gehören:
  • Siemens Industrial Edge: Der Technikkonzern aus Berlin und München bietet mit Siemens Industrial Edge eine hauseigene Cloud-Plattform für Edge IoT in der Industrie. Als Infrastruktur kommt im Hintergrund Microsoft Azure zum Einsatz. Die Plattform unterstützt unter anderem die Arbeit mit Digital Twins, Predictive Maintenance und Geräteautomation im Edge-Bereich.
  • Bosch IoT Suite: Bosch hat seine IoT-Cloud als offene Plattform entwickelt, die wiederum auf Eclipse IoT basiert. Die Suite ist besonders bei Energieversorgern und Mobilitätsanbietern beliebt, aber auch im Automotive-Sektor etabliert. Sie wurde in der Vergangenheit beispielsweise von Mercedes-Benz für Fahrzeug-Updates über Mobilfunk (Over-the-Air) genutzt. Für den schwedischen Kinderwagenhersteller Emmaljunga hat Bosch den eStroller entwickelt, ein Smartphone-basiertes Assistenzsystem für Kinderwagen mit Schiebeunterstützung und automatischer Bremsfunktion.
  • Azure IoT Edge: Bei Azure IoT Edge handelt es sich um eine Laufzeitumgebung innerhalb der Azure Cloud von Microsoft, speziell für containerisierte Linux-Anwendungen. Azure IoT Edge ist für die Bereitstellung von KI-Funktionen im Edge-Bereich von Netzwerken konzipiert (z.B. maschinelles Lernen, Bilderkennung, Ereignisverarbeitung).
  • IBM Maximo Application Suite Edge IoT: Die IBM Maximo Application Suite Edge IoT ist eine Erweiterung der bekannten Maximo-Plattform von IBM. Damit können Unternehmen IoT-Daten lokal analysieren, sie aber auch anschließend in der Cloud weiter auswerten. Maximo richtet sich besonders an Energieversorger und Logistiker, die sehr große Mengen an Sensordaten in Echtzeit auswerten.
Gut gelaunter Mann mit einem Headset vor einem Notebook.

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Edge IoT und Sicherheit

Bei der Verwendung von Edge IoT sollten Sie auch das Thema IoT-Sicherheit berücksichtigen. Denn Kriminelle suchen immer wieder nach Schwachstellen in IoT-Geräten, um darüber in Firmennetze einzudringen. Intelligente Brandmelder, smarte Werbedisplays und andere IoT-Geräte sind oft in Außenbereichen installiert, wo Angreifer:innen direkten Zugang zur Technik haben und diese ungestört untersuchen können.
Aktuell sind Geräte speziell für Edge IoT nicht stärker durch Cyberkriminalität gefährdet als andere IoT-Geräte. Denkbar ist aber, dass Hacker:innen zukünftig spezielle Malware entwickeln. Diese Neuentwicklungen könnten die KI-Hardware ausnutzen, die in den Geräten verbaut ist, um Passwörter zu knacken oder biometrische Daten aus den Geräten auszulesen.
Andererseits eröffnet KI auch neue Möglichkeiten für den Geräteschutz. Beispielsweise besitzen aktuelle KI-basierte Überwachungskameras mittlerweile eine spezielle Manipulationserkennung. Sie löst einen stillen Alarm aus, sobald die Kamera bewegt oder ihre Linse ganz oder teilweise verdeckt wird.
Das Bild zeigt einen Mann mit einem Notebook

IoT-Plattform und Device Management

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  • Globale IoT-Plattform
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Tipps für die Praxis

Wie die hier vorgestellten Geräte und Plattformen zeigen, eröffnet Edge IoT viele neue Einsatzgebiete für intelligente Hardware am Netzwerkrand. Neben fertigen Lösungen für bekannte Aufgaben (Geschäftsdatenanalytik, Gebäudemanagement, Alarmsysteme, Fertigungssteuerung) bietet Edge IoT auch Raum für Eigenentwicklungen.
Die meisten IoT-Clouds sind als offene Plattformen konzipiert, sodass sie Prototypen auf Basis von Drittherstellertechnik integrieren können. Auch Entwicklungssysteme für Edge IoT sind auf dem Markt bereits verfügbar. Als Beispiele hierfür seien der Raspberry Pi mit TensorFlow Lite, Google Coral und Nvidia Jetson genannt. Damit können Sie sehr günstig praktische Erfahrungen im Umgang mit Edge IoT sammeln und eigene Ideen verwirklichen.

Das Wichtigste zu Edge IoT in Kürze

  • Rund 13 Milliarden Endgeräte gehören aktuell zum Internet der Dinge (auf Englisch: Internet of Things, kurz: IoT).
  • Als „Edge“ (auf Deutsch: „Rand“) wird der äußere Bereich von Computernetzwerken bezeichnet.
  • IoT-Geräte, die im Edge-Bereich arbeiten und dort auch ihre Berechnungen ohne zentrale Cloud-Anbindung ausführen können, werden als Edge IoT bezeichnet.
  • Dank integrierter KI-Technik können viele aktuelle IoT-Geräte beispielsweise maschinelles Lernen anwenden oder besitzen eine leistungsfähige Muster- oder Spracherkennung.
  • Am Markt gibt es ein großes Angebot an Entwicklungssystemen. So können Unternehmen sehr einfach eigene Prototypen für Edge IoT entwickeln.
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