Bausteine einer IoT-Lösung

Worum es geht

Die Kellerei Rhonetal AG in Salgesch lagert in drei Weinkellern Tausende Liter Wein. Im Barrique-Keller reifen die teuersten Weine in Eichenfässern. Steigt die Temperatur dort über 16 Grad, altert der Wein schneller, und bei zu trockener Luft verdunstet mehr Wein durch das Holz. Bisher schaut der Kellermeister zweimal am Tag auf ein Thermometer an der Wand. Am Wochenende schaut niemand.

Dario, Lernender im 1. Lehrjahr, bekommt den Auftrag: «Bau eine Überwachung, die uns warnt.» Er muss dabei nicht bei null anfangen. Die Kellerei steuert Licht und Lüftung der Lagerhalle bereits mit Home Assistant, es gibt Shelly-Steckdosen und zwei Zigbee-Sensoren. Seine Aufgabe ist es, neue Geräte in diese bestehende Plattform zu integrieren, so dass sie zuverlässig laufen und das Netz nicht gefährden.

Genau darum geht es in Modul 216. Bevor du einen Sensor verkabelst oder eine Zeile Code schreibst, brauchst du ein klares Bild: Welche Bausteine hat eine IoT-Lösung, welche Aufgabe hat jeder Baustein, und wie fliessen die Daten vom Fühler im Keller bis zur Meldung auf dem Handy? Wer dieses Bild im Kopf hat, findet später auch Fehler schnell.

Die fünf Bausteine einer IoT-Lösung

Stell dir einen Menschen vor, der einen Raum überwacht. Seine Haut spürt die Wärme, seine Hände öffnen das Fenster, sein Rückenmark leitet Signale weiter, ein Dolmetscher übersetzt, wenn jemand eine andere Sprache spricht, und das Gehirn entscheidet. Eine IoT-Lösung ist genau so aufgebaut:

Dazu kommen zwei Begriffe, die du ab Lektion 5 ständig brauchst. Der Broker ist eine Art Postverteilzentrum: Geräte schicken ihm Nachrichten, und er verteilt sie an alle, die sich dafür interessieren. Das Protokoll dafür heisst MQTT. Der Broker läuft meist auf demselben Gerät wie die Plattform, ist aber ein eigener Dienst.

Ein Gerät kann mehrere Rollen haben. Die Shelly-Steckdose der Kellerei schaltet den Ventilator (Aktor) und misst nebenbei den Stromverbrauch (Sensorfunktion). Im Inventar ordnest du sie nach ihrer Hauptaufgabe ein: Sie ist ein Aktor mit Messfunktion. Und auch in ihr steckt ein Mikrocontroller, den du aber nicht selbst programmierst.

Mikrocontroller oder Einplatinencomputer?

Zwei Geräte begegnen dir in diesem Modul immer wieder: der ESP32 und der Raspberry Pi. Beide sind klein und günstig, aber sie sind grundverschieden.

Faustregel: Ein Mikrocontroller ist ein Spezialist, der eine Aufgabe zuverlässig und sparsam erledigt. Ein Einplatinencomputer ist ein Generalist, auf dem mehrere Dienste gleichzeitig laufen. Deshalb misst in der Kellerei der ESP32 im Keller, und der Raspberry Pi im Serverschrank betreibt Home Assistant und den Broker.

Der ESP32 wird in C++ (Arduino-Umgebung) oder über Konfigurationsdateien (ESPHome) programmiert. Du lädst das Programm per USB hoch, danach läuft es von selbst los, sobald Strom anliegt. Es gibt keinen Desktop, keine Updates im Hintergrund und keinen Virenscanner. Das macht ihn robust, aber du musst alles, was er tun soll, selbst festlegen.

Der Datenfluss: vom Messwert zum Dashboard

Jede Information, die der Kellermeister auf seinem Handy sieht, hat einen langen Weg hinter sich. Für den neuen Sensor in Keller 1 sieht er so aus:

Die zwei Zigbee-Sensoren in Keller 2 und 3 gehen einen anderen Weg: Sie funken zum nächsten Zigbee-Gerät, dieses leitet weiter bis zum Zigbee-Koordinator (dem USB-Stick am Raspberry Pi). Erst dort werden die Funkdaten in etwas übersetzt, das Home Assistant versteht. Zigbee-Sensoren haben deshalb keine IP-Adresse. Sie sind nur über das Gateway erreichbar.

Der Datenfluss ist mehr als eine schöne Skizze. Er ist dein wichtigstes Werkzeug bei der Fehlersuche. An jeder Station kannst du nachsehen, ob die Daten angekommen sind:

Schritt für Schritt: Die Geräte der Kellerei einordnen

Dario macht als Erstes eine Bestandesaufnahme. Er läuft durch die Kellerei, notiert jedes Gerät und schaut in den Datenblättern nach. Gehe mit ihm durch:

Schritt 1: Alle Geräte erfassen. Dario findet: acht Shelly-Steckdosen (Typ Plus Plug S, WLAN), zwei Zigbee-Temperatursensoren, einen Zigbee-USB-Stick am Raspberry Pi, den Raspberry Pi 4 mit Home Assistant, einen WLAN-Access-Point im Büro. Geplant sind ein ESP32 und ein SHT31-Sensor.

Schritt 2: Pro Gerät fragen: Was tut es? Misst es etwas? Schaltet es etwas? Vermittelt es zwischen Funk und Netz? Ist es frei programmierbar? Hat es ein Betriebssystem?

Schritt 3: Rolle nach der Hauptaufgabe festlegen. Die Reihenfolge der Fragen ist wichtig. Ein Gerät, das Funk übersetzt, ist ein Gateway, auch wenn es zusätzlich einen Temperaturfühler eingebaut hat. Ein Gerät, das schaltet, ist ein Aktor, auch wenn es nebenbei Strom misst.

Schritt 4: Funktechnik und Stromversorgung aus dem Datenblatt ablesen. Diese beiden Angaben entscheiden, ob ein Gerät in die Plattform passt (mehr dazu in Lektion 2).

Schritt 5: Ergebnis als Tabelle festhalten.

Mit dieser Tabelle sieht Dario sofort: Die Plattform kann WLAN-Geräte und Zigbee-Geräte aufnehmen, ein Gateway ist schon da. Für den Barrique-Keller reicht also ein zusätzlicher Sensor, eine neue Plattform braucht es nicht.

Jetzt bist du dran. Bring Python bei, Geräte nach denselben Regeln einzuordnen. Wenn alle Tests grün sind, hast du die Reihenfolge der Fragen verstanden, denn genau sie entscheidet bei Geräten mit mehreren Funktionen.

Typische Fehler

• Geräte nach dem Aussehen einordnen statt nach der Funktion. Eine smarte Steckdose sieht aus wie ein Stromstecker, ist aber ein vernetzter Aktor mit eigenem Mikrocontroller und eigener Firmware. Sie braucht Updates und ein Passwort wie jedes andere Netzwerkgerät.
• Den Raspberry Pi als Sensorknoten im Keller einsetzen. Er kann das, aber er braucht viel mehr Strom, startet langsam und seine SD-Karte kann bei Stromausfällen beschädigt werden. Für «messen und senden» ist ein Mikrocontroller die robustere Wahl.
• Erwarten, dass Zigbee-Geräte im WLAN auftauchen. Zigbee-Sensoren haben keine IP-Adresse. Wer sie in der DHCP-Liste sucht, sucht vergeblich. Sie erscheinen nur in der Geräteliste des Koordinators.
• Bei Fehlern sofort in der Plattform suchen. Wenn ein Wert im Dashboard fehlt, ist der Fehler oft weiter vorne: Kabel, Spannung, WLAN oder Broker. Prüf den Datenfluss Station für Station.

Zusammenfassung

• Eine IoT-Lösung besteht aus Sensoren (messen), Aktoren (bewirken), Mikrocontrollern (lesen aus, steuern, senden), Gateways (übersetzen Funk ins IP-Netz) und einer Plattform (sammelt, zeigt an, entscheidet).
• Der ESP32 ist ein sparsamer Mikrocontroller ohne Betriebssystem, ideal als Sensorknoten. Der Raspberry Pi ist ein Einplatinencomputer mit Linux, ideal als Server für Plattform und Broker.
• Geräte mit mehreren Funktionen ordnest du nach ihrer Hauptaufgabe ein.
• Zigbee-, BLE- und LoRaWAN-Geräte brauchen ein Gateway, WLAN-Geräte sprechen direkt mit dem Netz.
• Der Datenfluss vom Sensor bis zum Dashboard ist dein Fehlersuch-Werkzeug: Prüfe jede Station einzeln, von vorne nach hinten.
• Integrieren heisst: in eine bestehende Plattform einfügen, deren Regeln schon gelten. Deshalb beginnt jedes Projekt mit einer Bestandesaufnahme.