Es wird nicht mehr lange dauern, bis sich Smart Spaces zu einem wichtigen Industriezweig entwickeln, der Sensoren und KI in alltägliche Umgebungen integriert. In Folgenden werden wir uns einige potenzielle Beispiele für die Zukunft ansehen und erläutern, welche Hardware Sie benötigen, um ein solches Projekt zu verwirklichen.
Was sind Smart Spaces?
Wenn es um die Zukunft der IoT-Technologien geht, fällt oft der Begriff „Smart Spaces“. Bevor wir jedoch die Hardware und Anwendungen in Smart Spaces – intelligenten Räumen – untersuchen können, müssen wir zunächst definieren, was ein Smart Space ist.
Einfach ausgedrückt, kann jede Umgebung, die so weit digitalisiert wurde, dass sie sowohl lesbar als auch beschreibbar ist, als Smart Space betrachtet werden. Wenn wir von lesbar und beschreibbar sprechen, meinen wir damit, dass Schlüsseldaten über die Umgebung bestehen, die gelesen, verarbeitet und anschließend mit dem daraus resultierenden Ergebnis beeinflusst werden können. So kann man sich beispielsweise Innenräume als Smart Spaces vorstellen, in denen die Luftqualität in Bezug auf Temperatur und CO2-Gehalt gemessen wird. Die Ergebnisse werden von einem Computer verarbeitet. Anschließend werden Fenster und Klimaanlagen so eingestellt, dass die Luftqualität verbessert wird, indem verbrauchte Luft ausgetauscht und der Raum beheizt oder gekühlt wird. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Umgebungskontrollsystem würde ein intelligentes Kontrollsystem die Umgebung so verarbeiten, dass sie in Abhängigkeit von mehreren Faktoren wie der Anzahl der anwesenden Personen, den aktuellen Energiepreisen und den Verhaltensmustern der Nutzer reagiert.
Im Grunde genommen ist ein Smart Space die Digitalisierung einer Umgebung, so dass sie von intelligenten Systemen überwacht und gesteuert werden kann, mit der Fähigkeit in Echtzeit reagieren zu können. Nahezu jede Umgebung kann in einen Smart Space verwandelt werden – Landstraßen, Wälder und sogar Stadtstraßen. Wenn etwas digitalisiert werden kann, dann kann es in einen Smart Space verwandelt werden.
Was sind die grundlegenden Anforderungen an ein eingebettetes System in einem Smart Space?
Die grundlegende Komponente jedes Smart Space (oder jeder modernen elektronischen Schaltung) ist ein eingebetteter Mikrocontroller, dessen Aufgabe es ist, Sensordaten zu lesen, E/A-Signale zu verarbeiten und mit entfernten Servern zu kommunizieren, um Daten zu liefern und Befehle zu empfangen.
Die zweitwichtigste Komponente in einem Smart Space ist die Kommunikation: Wie kommuniziert ein eingebetteter Mikrocontroller mit einem entfernten Server für den Austausch von Daten? Während in einigen Bereichen (z. B. in Industriehallen) die Verwendung von kabelgebundenem Ethernet oder RS-232 möglich ist, ist es sehr wahrscheinlich, dass in Smart Spaces die Verwendung von drahtloser Kommunikation erforderlich ist. In diesem Fall haben die Entwickler die Wahl zwischen Mobilfunk, WLAN, Bluetooth und LoRaWAN.
Unabhängig von der verwendeten Funktechnik stellt allein die Nutzung der drahtlosen Kommunikation eine Vielzahl von Anforderungen an das Design, einschließlich Energieverbrauch und Sicherheit. Während das Energieproblem durch seltene Datenübertragungen und die Verwendung von Mikrocontrollern mit geringem Stromverbrauch gelöst werden kann, stellt der Sicherheitsaspekt der drahtlosen Kommunikation eine große Herausforderung dar.
Zum einen unterliegt die Sicherheit von Funksystemen dem Risiko, potenziellen Angreifern, sich Zugang zu Geräten zu verschaffen, ohne dass sie sich physisch in der Nähe des Geräts befinden müssen. Zweitens könnten Smart Spaces mit mehreren Geräten, die alle dieselbe Technologie verwenden, ein verlockendes Ziel für einen Hackerangriff sein, da das Hacken eines Geräts den Zugang zu allen Geräten ermöglichen könnte. Das würde die Ausbeute eines erfolgreichen Hacks erhöhen.
Daher muss ein eingebettetes Gerät nicht nur stromsparend sein, sondern auch starke Sicherheitsfunktionen wie Hardware-Verschlüsselung, echte Zufallszahlengenerierung, Vertrauenszonen und kryptografische Beschleuniger enthalten.
Zum besseren Verständnis von Smart Spaces und den damit verbundenen negative Bedingungen sollten wir uns einige Beispiele für die Herausforderungen ansehen, denen ein Entwurf gegenübersteht und worauf ein Ingenieur achten muss.
Beispiel 1: Smart Bins – Intelligente Abfallbehälter
Die Entwicklung von Smart Bins hat bereits begonnen, und sie könnten dazu beitragen, Smart Spaces in Städten zu schaffen, die in Echtzeit auf die Nutzung von Abfallbehältern reagieren können. Ein Abfallbehälter mit einem Sensor, der die aktuelle Nutzung erkennt, könnte zum Beispiel nur bei Bedarf abgeholt werden. Das würde die CO2-Emissionen der Fahrzeuge, die den Müll abholen müssen, verringern. Zweitens wäre ein Smart Bin in der Lage, die Nutzung der Abfallbehälter mit der aktuellen Uhrzeit zu vergleichen. Das würde den Stadtplanern Aufschluss über den Verkehr in einem bestimmten Gebiet geben.
Da ein solches Gerät einen unglaublich einfachen Aufbau hätte (ein einfacher PIR-Sensor würde hier funktionieren), verfügt fast jeder eingebettete Mikrocontroller über die Verarbeitungsfähigkeit zur Müllerkennung, um bei Bedarf einen entfernten Server für eine Müllabfuhr zu benachrichtigen. Auch wenn sich die Behälter in städtischen Gebieten mit Zugang zur Infrastruktur befinden, bedeutet die Tatsache, dass die Behälter von Arbeitern aufgesucht werden, dass die Wartung des Sensors, einschließlich Batteriewechsel, bei jeder Abholung durchgeführt werden kann. Da Batterien einfacher zu integrieren sind als eine Netzverkabelung mit Stromwandlern, ist es sinnvoll, dass ein solcher Sensor batteriebetrieben ist. Schließlich bedeutet der Einsatz solcher Sensoren in einem Stadtgebiet, dass sie die Vorteile von Mobilfunknetzen nutzen können, da diese in Städten weit verbreitet sind.
In diesem Fall wäre der wichtigste Faktor für einen Entwicklungsingenieur die Notwendigkeit eines stromsparenden Prozessors mit der Fähigkeit, mit einem Mobilfunkmodem zu kommunizieren oder ein eigenes Mobilfunkmodem in Form eines System-on-Moduls zu integrieren. In jedem Fall wäre ein niedriger Stromverbrauch der Schlüssel zu einem solchen Design.
Beispiel 2: Aktivitätsmonitor
Unabhängig davon, ob es sich um einen Außen- oder Innenbereich handelt, ist ein Aktivitätsmonitor ein Gerät, das die unmittelbare Aktivität in der Umgebung beobachten kann. Dazu gehören die Anzahl der Personen, die sich durch das Gebiet bewegen, die Dauer des Aufenthalts in diesem Gebiet und sogar die Identifizierung von Personen. In diesem Beispiel würde ein solches Gerät in erster Linie eine Kamera benötigen. Dies stellt bereits einen Verarbeitungsbedarf für den gewählten Mikrocontroller dar. Die Nutzung der Gesichtserkennung muss aus Gründen des Datenschutzes möglicherweise auch lokal erfolgen (d. h. Edge Computing), was eine lokale KI-Verarbeitung erforderlich macht.
Und schließlich sind die Probleme mit der Stromversorgung eines solchen Geräts ziemlich irrelevant, wenn man bedenkt, dass die meisten Kamerasysteme die Stromversorgung des Hauptgeräts nutzen. Damit soll sichergestellt werden, dass die Kamera über die gesamte Energie verfügt, die sie für die Verarbeitung von Videos benötigt, und die Zuverlässigkeit der Kamera gewährleistet ist.
Beispiel 3: Smart Lighting – Intelligente Beleuchtung
In Außenbereichen, die beleuchtet werden, können Smart Devices (intelligente Geräte) genutzt werden, um zu entscheiden, ob eine Beleuchtung erforderlich ist. Dies hat den Vorteil, dass bei Nichtgebrauch Energie gespart wird. Zusätzlich kann das Dimmen der Lichter kann auch dazu beitragen, die Lichtverschmutzung für Anwohner und Himmel zu verringern. Darüber hinaus erhöht die Reduzierung der Beleuchtung die Lebensdauer der Lampen, was zur Verringerung des Elektroschrotts beiträgt und die Gesamtkosten für die Lebensdauer eines Beleuchtungssystems senkt.
Um ein solches System zu schaffen, werden Sensoren benötigt, die in der Lage sind, Aktivitäten zu erkennen, die aber nicht mit demselben Grad an Genauigkeit oder Auflösung betrieben werden müssen wie im vorherigen Beispiel (der Aktivitätsmonitor). In diesem Fall geht es nur darum, ob ein Space besetzt ist. Fortschrittlichere Daten können die Geschwindigkeit und die Richtung einer Person erfassen (dies könnte dazu verwendet werden, einen Vorhersagepfad zu erstellen, welche Lichter aus- und eingeschaltet werden müssen).
Es ist auch wahrscheinlich, dass ein solcher Sensor den größten Teil der Verarbeitung auf dem Chip erledigen könnte und keine dezentralen Cloud-Dienste in Anspruch nehmen müsste (natürlich könnte dies immer genutzt werden, um das Beleuchtungssystem um zusätzliche Funktionen zu erweitern). In Anbetracht der Tatsache, dass intelligente Beleuchtungssysteme über eine stabile Stromverbindung verfügen werden, besteht kaum Bedarf an batteriebetriebenen Sensorsystemen, so dass Lösungen mit geringem Stromverbrauch nicht unbedingt erforderlich sind.
Stattdessen sollte ein eingebettetes Gerät in einer solchen Anwendung den Schwerpunkt auf eine starke Sicherheit legen, und zwar aus dem einfachen Grund, dass ein Angreifer, der sich Zugang zu dem Gerät verschafft, in der Lage wäre, die Beleuchtung nach Belieben zu steuern und für schändliche Zwecke zu nutzten (z. B. um Spuren zu verwischen, Verbrechen zu begehen usw.). Außerdem wäre eine starke Sicherheit erforderlich, da ein solches System auch in der Lage sein könnte, Personen zu identifizieren, wenn eine Kamera verwendet wird.
Die Zukunft der Smart Spaces sieht gut aus
Wir befinden uns noch in den Anfängen von Smart Spaces, denn obwohl viele Produkte auf dem Markt als „Smart“ verkauft werden, sind die meisten von ihnen in Wirklichkeit nicht intelligent (d. h. sie führen keine echte Datenverarbeitung durch und reagieren nicht auf Ereignisse in Echtzeit). Wenn Ingenieure Sensoren und Edge-Computing-Geräte für den Einsatz in Smart Spaces entwerfen und entwickeln, müssen wir sicherstellen, dass die richtige Art von Technologie für die jeweilige Anwendung ausgewählt wird. Dazu müssen wir sicherstellen, dass wir die Anforderungen an ein Gerät vollständig verstehen.
Im Fall von Smart Spaces werden Datenschutz und Sicherheit die beiden größten Problembereiche sein. Daher muss jedes eingebettete Gerät in einem Smart Space zumindest über mehrere Ebenen der Hardwaresicherheit verfügen, einschließlich Verschlüsselung, Schlüsselspeicherung und Zertifikate. Folgend wird der Energieverbrauch ein wichtiger Faktor sein, denn die Wahrscheinlichkeit, dass ein im Smart Space befindlicher Sensor batteriebetrieben sein wird, ist hoch. Ausgehend von diesen Hauptanliegen würde anschließend die Wahl der Kommunikationstechnologie getroffen werden, und an diesem Punkt kann schließlich ein eingebettetes Smart Space konstruiert werden.