Service für Internet of Everything konzipieren, planen und aufbauen

Einzelne Sensoren anzuschliessen ist das eine. Einen Service zu bauen, auf den sich ein Kunde verlassen kann, ist etwas anderes. In diesem Modul nimmst du Anforderungen auf, entwirfst eine Architektur über alle Schichten und legst Datenfluss und Datenmodell fest. Du baust den Service mit Containern auf, richtest Überwachung und Alarmierung ein und planst Sicherheit und Datenschutz von Anfang an mit. Zum Schluss rechnest du Kosten in CHF und präsentierst die Lösung wie in einem echten Kundenprojekt.

Das sind die Fähigkeiten, die am Ende des Moduls sitzen sollten. Jedes Ziel mit einem Beispiel aus dem Lehrbetrieb.

1. 1

   Anforderungen an einen IoT-Service erheben und priorisieren

   Kompetenz A

   Du findest im Gespräch heraus, was der Kunde wirklich braucht: welche Werte, wie oft, wie genau, wer wird wann informiert, wie lange werden Daten aufbewahrt. Funktionale und nicht-funktionale Anforderungen hältst du messbar fest.

   Situation

   Die Metzgerei Brunner AG hat 5 Filialen im Kanton Bern mit insgesamt 22 Kühl- und Tiefkühlgeräten. Die Temperaturen werden heute zweimal täglich von Hand in eine Liste eingetragen.

   Deine Aufgabe

   Erhebe die Anforderungen für eine automatische Überwachung.

   Gutes Ergebnis

   Muss: Temperatur pro Gerät alle 5 Minuten, Genauigkeit ±0.5 °C, Alarm per SMS an die Filialleitung nach 15 Minuten über Grenzwert, monatlicher PDF-Bericht für die Lebensmittelkontrolle, Daten 2 Jahre aufbewahren. Soll: Batterielaufzeit mindestens 3 Jahre, Verfügbarkeit des Dashboards 99 %. Kann: Türöffnungen erfassen.

   funktionale Anforderungnicht-funktionale AnforderungMoSCoWMessintervallAbnahmekriterium
2. 2

   Eine Architektur vom Sensor bis zum Dashboard entwerfen

   Kompetenz B

   Du teilst den Service in Schichten ein: Geräte, Übertragung, Gateway, Datenaufnahme, Speicherung, Auswertung und Darstellung. Für jede Schicht wählst du Technologien und begründest die Wahl anhand der Anforderungen.

   Situation

   Die Kühlgeräte stehen teilweise im Keller hinter dicken Mauern. WLAN ist dort schlecht, Stromanschlüsse für Sensoren gibt es nicht.

   Deine Aufgabe

   Entwirf die Architektur.

   Gutes Ergebnis

   Batteriesensoren mit LoRaWAN, je ein LoRaWAN-Gateway pro Filiale am Internetanschluss. The Things Stack als LoRaWAN-Netzwerkserver, Weitergabe per MQTT an Node-RED, Speicherung in InfluxDB, Dashboards und Alarme in Grafana, alles auf einer Linux-VM bei einem Schweizer Hoster. Architekturdiagramm mit allen Komponenten, Protokollen und Ports.

   SchichtenmodellEdge / Gateway / BackendLoRaWAN-NetzwerkserverArchitekturdiagrammTechnologieentscheid
3. 3

   Datenfluss, Topic-Struktur und Datenmodell festlegen

   Kompetenz B

   Du bestimmst, in welchem Format Daten unterwegs sind, wie Topics aufgebaut sind und wie die Daten in einer Zeitreihendatenbank abgelegt werden. Dazu gehören Aufbewahrungsregeln und verdichtete Daten für Langzeitberichte.

   Situation

   Die Rohdaten von 22 Sensoren alle 5 Minuten ergeben über 2 Jahre mehr als 4.6 Millionen Messpunkte. Berichte sollen trotzdem schnell sein.

   Deine Aufgabe

   Lege Topics, Payload und Datenmodell fest.

   Gutes Ergebnis

   Topic 'brunner/{filiale}/{geraet}/telemetrie' mit JSON {"temp": 3.4, "bat": 87}. In InfluxDB Measurement 'kuehlung' mit Tags 'filiale' und 'geraet' sowie Feldern 'temp' und 'bat'. Rohdaten 90 Tage, 15-Minuten-Mittel, Minimum und Maximum per Task in einen zweiten Bucket mit 2 Jahren Aufbewahrung.

   Payload-Format (JSON)Topic-HierarchieZeitreiheTag vs. FeldRetention / Downsampling
4. 4

   Den Service mit Containern reproduzierbar aufbauen

   Kompetenz C

   Du setzt alle Backend-Komponenten mit Docker Compose auf, sodass der Service auf einem neuen Server in wenigen Minuten wieder steht. Konfigurationen und Geheimnisse trennst du sauber vom Code.

   Situation

   Der Prototyp läuft auf deinem Laptop. Er soll auf eine VM mit Ubuntu 24.04 bei einem Hoster in der Schweiz umziehen.

   Deine Aufgabe

   Baue den Service produktionsnah auf.

   Gutes Ergebnis

   docker-compose.yml mit Mosquitto, Node-RED, InfluxDB und Grafana, persistente Volumes für alle Daten. Passwörter und Tokens in einer .env-Datei, die nicht im Git-Repository liegt. Nur Port 443 (Grafana über Reverse Proxy mit Let's-Encrypt-Zertifikat) und 8883 (MQTT mit TLS) sind von aussen offen. Neuaufbau aus dem Repository dauert 10 Minuten.

   Docker ComposeVolumeUmgebungsvariablen / SecretsReverse ProxyInfrastructure as Code
5. 5

   Alarmierung und Überwachung des Services sicherstellen

   Kompetenz D

   Du unterscheidest zwischen fachlichen Alarmen (Kühlgerät zu warm) und technischen Alarmen (Sensor sendet nicht mehr, Datenbank voll). Für beide legst du Regeln, Empfänger und Eskalation fest und planst Backups.

   Situation

   In einer Filiale fiel ein Sensor wegen leerer Batterie aus. Niemand bemerkte es zwei Wochen lang, weil 'kein Alarm' als 'alles in Ordnung' verstanden wurde.

   Deine Aufgabe

   Mache den Service betriebssicher.

   Gutes Ergebnis

   Grafana-Alarm 'Temperatur über Grenzwert seit 15 Minuten' per SMS an die Filialleitung. Technischer Alarm 'keine Daten seit 30 Minuten' und 'Batterie unter 20 %' per Mail an den IT-Support. Täglicher Backup der InfluxDB auf einen externen Speicher, monatlicher Restore-Test.

   fachlicher vs. technischer AlarmHeartbeat / No-Data-AlarmEskalationBackup und RestoreRunbook
6. 6

   Sicherheit und Datenschutz über den ganzen Lebenszyklus planen

   Kompetenz E

   Du schützt den Service von der Inbetriebnahme der Geräte bis zur Ausserbetriebnahme. Du prüfst, ob Personendaten anfallen, und hältst dich an das Schweizer Datenschutzgesetz.

   Situation

   Die Metzgerei möchte zusätzlich Türkontakte an den Kühlräumen. Die Personalkommission befürchtet, dass so die Mitarbeitenden überwacht werden.

   Deine Aufgabe

   Beurteile das Vorhaben und plane die Sicherheitsmassnahmen.

   Gutes Ergebnis

   Türöffnungen lassen sich mit Dienstplänen verknüpfen und können damit Personendaten sein. Lösung: nur die Dauer offener Türen über 5 Minuten speichern, keine Einzelereignisse, Mitarbeitende informieren. Technisch: eigene Schlüssel pro Sensor (LoRaWAN AppKey), MQTT nur mit TLS und Benutzer pro Dienst, Grafana mit Rollen pro Filiale, Hosting in der Schweiz.

   Personendaten nach DSGDatenminimierungSchlüssel pro GerätTLSRollenkonzeptAusserbetriebnahme
7. 7

   Kosten und Skalierung abschätzen und den Service präsentieren

   Kompetenz F

   Du rechnest einmalige und laufende Kosten realistisch und zeigst, was passiert, wenn der Service wächst. Die Lösung präsentierst du so, dass auch Nicht-Informatiker:innen entscheiden können.

   Situation

   Die Geschäftsleitung der Metzgerei will wissen, was die Lösung kostet und ob sie auch für 10 Filialen taugt.

   Deine Aufgabe

   Erstelle eine Kostenschätzung und eine kurze Präsentation.

   Gutes Ergebnis

   Einmalig: 22 Sensoren à CHF 95, 5 Gateways à CHF 250, Einrichtung 40 Stunden à CHF 130, total rund CHF 8'500. Laufend: VM CHF 25 pro Monat, SMS-Dienst ca. CHF 10 pro Monat, Wartung 2 Stunden pro Monat. Bei 10 Filialen reicht dieselbe VM, nur Sensoren und Gateways kommen dazu. Präsentation in 10 Minuten mit Architekturbild, Live-Dashboard und Kostenübersicht.

   einmalige vs. laufende KostenSkalierungEngpassEntscheidungsgrundlageLive-Demo

Die Kompetenzmatrix zerlegt das Modul in Themenstränge und drei Stufen. Für den Kompetenznachweis solltest du überall mindestens Stufe 2 erreichen. Dein Stand bleibt in diesem Browser gespeichert und färbt Lernweg und Übungen ein.

Alina ist im 3. Lehrjahr als Informatikerin Applikationsentwicklung bei der Sensorik Bodensee AG in Kreuzlingen, 28 Mitarbeitende. Die Obstgenossenschaft Thurland lagert in 8 Kühlzellen jährlich rund 2000 Tonnen Äpfel und kontrolliert Temperatur und Luftfeuchtigkeit bisher von Hand. Alina soll einen Dienst konzipieren und aufbauen, der die Zellen rund um die Uhr überwacht.

1. Kapitel 1

   Was heisst eigentlich rechtzeitig?

   Im Gespräch will der Lagerchef bei jeder Abweichung von 0,5 Grad sofort eine SMS, die Qualitätsverantwortliche braucht die Daten zwei Jahre lang für Audits. Alina fragt nach, wie schnell ein Apfel bei 6 Grad wirklich Schaden nimmt, und einigt sich auf einen Messwert alle 5 Minuten und einen Alarm innert 15 Minuten. Sie hält 14 Anforderungen fest, davon 9 als Muss. Die SMS an den Lagerchef bleibt Muss, eine Anzeige in der Halle wird ein Kann.

   Ziel 1

2. Kapitel 2

   Vom Kühlraum in die Datenbank

   In den Betonzellen dringt kein WLAN durch, deshalb setzt Alina auf LoRaWAN-Sensoren mit einem Gateway auf dem Dach und The Things Stack. Von dort gehen die Daten per MQTT an Telegraf und weiter in InfluxDB, Grafana zeigt sie an. Das Topic-Schema lautet thurland/halle1/zelle03/klima, jede Zelle ist ein Tag in der Datenbank. Rohdaten bleiben 90 Tage, danach rechnet ein Task Stundenmittel, die zwei Jahre aufbewahrt werden.

   Ziel 2Ziel 3

3. Kapitel 3

   Ein Befehl, und alles läuft

   Alina beschreibt Mosquitto, Telegraf, InfluxDB und Grafana in einer docker-compose.yml und legt Passwörter und Tokens in eine .env-Datei, die nicht ins Repository kommt. Nach einem Neustart der VM beim Schweizer Hoster sind alle Dashboards weg, weil Grafana kein Volume hatte. Sie ergänzt die Volumes und testet die Wiederherstellung auf einer frischen VM. Nach 12 Minuten läuft der Dienst wieder mit allen Daten aus dem Backup.

   Ziel 4

4. Kapitel 4

   Alarm oder Fehlalarm?

   Alina trennt zwei Arten von Alarmen. Liegt eine Zelle 15 Minuten über 4 Grad, bekommt der Lagerchef eine SMS und nach 30 Minuten ohne Quittung seine Stellvertretung. Sendet ein Sensor 30 Minuten lang nichts, geht eine Mail an den Support von Sensorik Bodensee. Weil beim Einlagern mit offenen Toren ständig Alarme kamen, gibt es nun einen Wartungsmodus, den der Lagerchef pro Zelle für zwei Stunden einschalten kann.

   Ziel 5

5. Kapitel 5

   Die Entscheidung im Vorstand

   Vor der Präsentation prüft Alina die Sicherheit: MQTT nur noch über TLS auf Port 8883, eigene Schlüssel pro Sensor und ein Ablauf, der beim Ausmustern eines Geräts dessen Schlüssel löscht. Der Lagerchef wünscht sich, dass jede Türöffnung mit dem Badge der Person gespeichert wird, Alina zeigt, dass das Personendaten nach DSG wären, und schlägt eine Erfassung pro Zelle ohne Namen vor. Sie rechnet mit CHF 9'600 einmalig und CHF 85 pro Monat und zeigt, dass 8 weitere Zellen nur CHF 2'900 dazu kosten würden. In 10 Minuten stellt sie dem Vorstand zwei Varianten vor, und er entscheidet sich für die Variante mit SMS-Alarm.

   Ziel 6Ziel 7

1. 1

   Vom Wunsch zur Anforderung

   ca. 4 Std.

   Du lernst, ein IoT-Vorhaben in klare, messbare Anforderungen zu übersetzen.

   • Ein Rollenspiel-Interview mit einem 'Kunden' führen (Tutor:in oder Kollegin) und Anforderungen notieren
   • Anforderungen nach MoSCoW priorisieren und Abnahmekriterien formulieren
   • Drei bestehende IoT-Produkte analysieren: Welche Anforderungen erfüllen sie?

   Trainiert Kompetenz A1A2

   Lernziel1

2. 2

   Architektur und Datenmodell entwerfen

   ca. 5 Std.

   Du entwirfst die Gesamtarchitektur und das Datenmodell und begründest jede Technologiewahl.

   • Ein Architekturdiagramm mit allen Schichten, Protokollen und Ports in draw.io zeichnen
   • Topic-Struktur und JSON-Payload für mindestens zwei Gerätetypen definieren
   • Speicherbedarf für 2 Jahre berechnen und eine Downsampling-Strategie festlegen

   Trainiert Kompetenz B1B2B3

   Lernziel23

3. 3

   Backend mit Containern aufbauen

   ca. 8 Std.

   Du setzt den Service mit Docker Compose auf, zuerst lokal, dann auf einer VM.

   • docker-compose.yml mit Mosquitto, Node-RED, InfluxDB und Grafana schreiben
   • Einen ESP32 oder einen simulierten Sensor (Python-Skript) Daten senden lassen
   • Den Stack auf eine Cloud-VM übertragen und mit Reverse Proxy und TLS absichern

   Trainiert Kompetenz C1C2B2

   Lernziel43

4. 4

   Betriebssicher machen

   ca. 6 Std.

   Du richtest fachliche und technische Alarme ein und testest Backup und Restore.

   • Grafana-Alarme für Grenzwerte und fehlende Daten einrichten und gezielt auslösen
   • Ein Backup-Skript für InfluxDB schreiben und einen Restore auf einer leeren VM testen
   • Ein kurzes Runbook für die drei häufigsten Störungen schreiben

   Trainiert Kompetenz D1D2

   Lernziel5

5. 5

   Sicherheit und Datenschutz prüfen

   ca. 5 Std.

   Du gehst den ganzen Service aus Sicht eines Angreifers und aus Sicht des Datenschutzes durch.

   • Eine einfache Bedrohungsanalyse pro Schicht erstellen (was kann passieren, wie schützen wir uns)
   • Prüfen, welche Daten Personendaten sein könnten, und Massnahmen nach DSG festlegen
   • Anonymen MQTT-Zugriff, Standardpasswörter und offene Ports mit nmap gezielt suchen und schliessen

   Trainiert Kompetenz E1E2E3

   Lernziel6

6. 6

   Kosten rechnen und präsentieren

   ca. 4 Std.

   Du schliesst das Projekt mit einer Kostenschätzung und einer Präsentation ab.

   • Einmalige und laufende Kosten in CHF zusammenstellen und eine Variante für doppelte Grösse rechnen
   • Eine 10-Minuten-Präsentation mit Live-Demo vorbereiten
   • Die Präsentation halten und Fragen zu Sicherheit und Kosten beantworten

   Trainiert Kompetenz F1F2F3A3

   Lernziel71

Zeitreihendatenbank

Datenbank, die für Messwerte mit Zeitstempel optimiert ist, z.B. InfluxDB.

Downsampling

Verdichten älterer Rohdaten zu Durchschnitts-, Minimal- und Maximalwerten.

LoRaWAN-Netzwerkserver

Zentrale Komponente, die Daten von LoRaWAN-Gateways empfängt, entschlüsselt und an Anwendungen weitergibt.

Docker Compose

Werkzeug, um mehrere zusammengehörige Container mit einer Konfigurationsdatei zu starten.

Reverse Proxy

Vorgeschalteter Server, der Anfragen entgegennimmt, TLS abwickelt und an interne Dienste weiterleitet.

No-Data-Alarm

Alarm, der auslöst, wenn über eine definierte Zeit keine Daten eintreffen.

MoSCoW

Priorisierung in Must, Should, Could und Won't.

Runbook

Kurze Anleitung, wie bei einer bestimmten Störung vorzugehen ist.

Datenminimierung

Nur so viele Daten erfassen und speichern, wie für den Zweck nötig sind.

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