IoT Grundlagen & Datenwolke

Medium · 30 min · Kostenlos

Ziel & Lerninhalt

Verstehe den Weg eines Sensorwerts von der Hardware bis in die Cloud.

  • Das Funktionsprinzip des Internets der Dinge (IoT) verstehen.
  • Schnittstellen wie MQTT und HTTP-REST kennenlernen.
  • Echtzeit-Messdaten in einer Web-Oberfläche visualisieren.

Erklärung & Wissen

Basic

Das Internet der Dinge (IoT) verbindet normale Gegenstände und Sensoren mit dem weltweiten Netz. Stell dir vor, deine Zimmerpflanze schickt dir eine Nachricht aufs Handy, wenn sie Wasser braucht! Die Messwerte deines DIY-Feuchtigkeitssensors werden dafür digitalisiert und über das WLAN an einen Server gesendet, der sie verarbeitet und grafisch anzeigt.

Medium

In der Maker-Praxis nutzen wir meistens ESP32 oder ESP8266 Mikrocontroller, die integriertes WLAN besitzen. Die Übertragung erfolgt über leichtgewichtige Protokolle wie MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Dabei sendet der Controller die Daten an einen Broker (Server), der sie an registrierte Dashboards (z. B. Node-RED oder Adafruit IO) verteilt. So entstehen ansprechende, interaktive Dashboards mit Diagrammen.

Expert

Industrielle IoT-Architekturen erfordern höchste Security-Standards. Datenströme werden per TLS (Transport Layer Security) verschlüsselt und Geräte über X.509-Zertifikate authentifiziert. Zur Datenübertragung kommen Edge-Computing-Gateways zum Einsatz, die rohe Sensordaten vorfiltern. Protokolle wie OPC UA oder Modbus-TCP binden Maschinen direkt in Cloud-Systeme wie AWS IoT oder Azure IoT Hub ein, um vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) zu ermöglichen.

Fun Fact

Der allererste IoT-Gegenstand der Welt war ein Cola-Automat an der Carnegie Mellon University im Jahr 1982! Informatikstudenten verbanden den Automaten mit dem Internet, um schon aus der Ferne zu prüfen, ob kühle Getränke vorrätig waren.

Publish-Subscribe (Pub/Sub)
Das Kommunikationsmuster hinter IoT: Geräte senden Daten an einen Server, Dashboards empfangen sie — ohne direkte Verbindung zueinander. Publisher (Sensor/Mikrocontroller) sendet Daten an ein 'Topic' (z.B. 'haus/wohnzimmer/temperatur') auf dem Broker (Server). Subscriber (Dashboard, App) hat das Topic abonniert und empfängt automatisch neue Werte. Vorteil: Sensor und Dashboard müssen sich nie direkt kennen oder gleichzeitig online sein.
MQTT
Das meistgenutzte IoT-Protokoll — winzige Datenpakete, läuft auch über schlechte Verbindungen. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) wurde für schlechte Netzverbindungen entwickelt (Satelliten, GPRS). Pakete haben minimale Overhead — 2 Byte Header. Zum Vergleich: HTTP-Anfragen haben oft 500+ Byte Overhead. Kostenlose Broker: broker.hivemq.com, mosquitto lokal. Im Maker-Bereich: ESP32/ESP8266 haben eingebautes WLAN — mit der PubSubClient-Library ist MQTT in 20 Zeilen Code erledigt.
JSON
Das Standard-Format für Daten im Web — lesbar für Menschen und Maschinen. JSON (JavaScript Object Notation) strukturiert Daten als Text: `{"temp": 23, "hum": 45}`. Jedes IoT-System versteht JSON. Der Mikrocontroller sendet diesen String per serieller Verbindung oder MQTT — das Dashboard parst ihn und zeigt Werte an. Verbreitetere Alternative zu XML, weil kompakter und einfacher zu parsen.
ESP32 / ESP8266
Kleine, günstige Mikrocontroller-Module mit eingebautem WLAN — ideal für IoT-Projekte. ESP8266: 80 MHz CPU, 80 KB RAM, WLAN 802.11 b/g/n, ca. 2–4€. ESP32: 240 MHz Dual-Core, 520 KB RAM, WLAN + Blütooth, ca. 3–6€. Beide werden in der Arduino-IDE programmiert. Damit können ProtoPeaks-Sensordaten direkt ins Internet gesendet werden — ohne extra Computer zwischendrin.

Praktischer Aufbau: IoT-Simulator

Wir simulieren eine Internet-Schnittstelle, indem wir Daten über die serielle Schnittstelle an eine Web-Visualisierung übergeben.

  • ProtoPeaks Mainboard
  • WLAN-fähiger Controller (z. B. ESP32, optional)
  • PC mit USB-Anschluss

  1. Verbindung herstellen

    Verbinde das Mainboard per USB mit deinem Computer und stelle sicher, dass der COM-Port aktiv ist.

    Tipp: Halte die USB-Verbindung stabil und bewege das Board während des Programmierens nicht.

  2. Simulationscode aufspielen

    Lade das bereitgestellte Codebeispiel hoch, um Sensorwerte im JSON-Format auszugeben.

    Tipp: JSON ist das Standardformat für den Datenaustausch im Web.

Nutze die Standard-USB-Verbindung deines Mainboards zum PC. Es wird keine zusätzliche externe Hardware benötigt.

// ProtoPeaks - IoT JSON Simulator
void setup() {
  Serial.begin(115200);
}

void loop() {
  int simulatedTemp = random(20, 28);
  int simulatedHum = random(40, 60);
  
  // Ausgabe als JSON-String
  Serial.print("{\"temp\": ");
  Serial.print(simulatedTemp);
  Serial.print(", \"hum\": ");
  Serial.print(simulatedHum);
  Serial.println("}");
  
  delay(2000);
}
  • Der serielle Monitor zeigt Hieroglyphen an — Stelle sicher, dass die Baudrate im seriellen Monitor exakt auf 115200 Baud eingestellt ist.

Kurzzusammenfassung

IoT ermöglicht es uns, physische Sensordaten global verfügbar zu machen, um intelligente Automatisierungen in Echtzeit zu realisieren.