Internet-of-Everything-Endgeräte in bestehende Plattform integrieren

Temperaturfühler im Serverraum, CO2-Ampeln in Schulzimmern, smarte Steckdosen in der Werkstatt: Immer mehr Geräte liefern Daten ins Firmennetz. In diesem Modul lernst du, solche Endgeräte einzuordnen, einen Sensor an einen Mikrocontroller anzuschliessen und die Messwerte per MQTT an einen Broker zu senden. Du bindest neue Geräte in eine vorhandene Plattform wie Node-RED oder Home Assistant ein, baust eine einfache Automation und sorgst dafür, dass die Geräte das Netzwerk nicht gefährden.

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

1. 1

   IoT-Endgeräte und ihre Funkstandards einordnen

   Kompetenz A

   Du unterscheidest Sensoren, Aktoren, Mikrocontroller und Gateways und weisst, welche Funktechnik für welchen Einsatz passt. So kannst du beurteilen, ob ein Gerät in eine bestehende Plattform passt.

   Situation

   Eine Primarschule in Wädenswil möchte in 18 Schulzimmern die Luftqualität messen. Der Hauswart hat drei Angebote: WLAN-Sensoren, Zigbee-Sensoren und LoRaWAN-Sensoren.

   Deine Aufgabe

   Vergleiche die drei Varianten für diesen Einsatz.

   Gutes Ergebnis

   WLAN: einfach, aber Netzteil nötig und viele Geräte im Schul-WLAN. Zigbee: batteriebetrieben, braucht ein Gateway pro Gebäude, Reichweite pro Hop begrenzt. LoRaWAN: sehr lange Batterielaufzeit, aber Gateway oder Netzabo nötig. Empfehlung: Zigbee mit einem Gateway, weil die Schulzimmer nahe beieinander liegen und keine Netzteile nötig sind.

   Sensor / AktorMikrocontroller vs. EinplatinencomputerWLAN, Zigbee, BLE, LoRaWANGatewayEnergieversorgung
2. 2

   Einen Sensor an einen Mikrocontroller anschliessen und Messwerte auslesen

   Kompetenz B

   Du verbindest einen Sensor nach Datenblatt mit einem ESP32, installierst die passende Bibliothek und liest die Werte aus. Über den seriellen Monitor prüfst du, ob die Werte plausibel sind.

   Situation

   Im Serverraum eines KMU in Olten soll die Temperatur überwacht werden. Es liegen ein ESP32-Board und ein BME280-Sensor bereit.

   Deine Aufgabe

   Schliesse den Sensor an und gib Temperatur und Luftfeuchtigkeit alle 30 Sekunden aus.

   Gutes Ergebnis

   BME280 über I2C: VCC an 3.3 V, GND an GND, SDA an GPIO 21, SCL an GPIO 22. Mit der Adafruit-BME280-Bibliothek liefert der serielle Monitor '22.4 °C, 41 %'. Ein Vergleich mit einem Raumthermometer zeigt eine Abweichung von 0.3 °C.

   GPIOI2CDatenblattBibliothekserieller MonitorPlausibilitätsprüfung
3. 3

   Messwerte per MQTT an einen Broker senden

   Kompetenz C

   MQTT ist das Standardprotokoll für viele IoT-Plattformen. Du verbindest das Gerät mit dem Broker, wählst eine klare Topic-Struktur und sendest die Werte in einem einheitlichen Format.

   Situation

   Im KMU läuft bereits ein Mosquitto-Broker auf einem Raspberry Pi im Server-Netz (10.0.20.10). Weitere Sensoren sollen später folgen.

   Deine Aufgabe

   Sende die Messwerte des Serverraum-Sensors an den Broker.

   Gutes Ergebnis

   Topic 'olten/eg/serverraum/klima' mit JSON-Payload {"temp": 22.4, "hum": 41}. Der ESP32 meldet sich mit eigenem Benutzer 'sensor-srv01' an, Last-Will-Nachricht 'offline' auf 'olten/eg/serverraum/status'. Im MQTT Explorer erscheinen die Werte alle 30 Sekunden.

   BrokerPublish / SubscribeTopic-StrukturQoSRetained MessageLast Will
4. 4

   Ein neues Gerät in eine bestehende IoT-Plattform einbinden

   Kompetenz D

   Du nimmst ein Gerät in eine vorhandene Plattform auf, ordnest es dem richtigen Raum zu und stellst die Werte in einem Dashboard dar. Dabei hältst du dich an die Konventionen, die in der Plattform schon gelten.

   Situation

   Das KMU nutzt Home Assistant für Licht und Heizung. Der neue Serverraum-Sensor und eine Shelly-Steckdose für den Ventilator sollen dort erscheinen.

   Deine Aufgabe

   Integriere beide Geräte und baue eine Übersicht.

   Gutes Ergebnis

   Der Sensor wird über die MQTT-Integration mit Discovery automatisch erkannt, die Shelly-Steckdose über die Shelly-Integration. Beide sind dem Bereich 'Serverraum' zugeordnet und folgen der Namensregel 'Serverraum Temperatur'. Ein Dashboard zeigt Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Ventilatorstatus und den Verlauf der letzten 24 Stunden.

   IntegrationAuto-DiscoveryEntitätBereich / RaumDashboard
5. 5

   Eine Automation mit Schwellwert und Benachrichtigung umsetzen

   Kompetenz E

   Aus Messwerten wird eine Aktion: Du definierst einen Schwellwert, schaltest ein Gerät und informierst Menschen. Dabei verhinderst du, dass bei schwankenden Werten ständig Meldungen kommen.

   Situation

   Im Sommer wurde es im Serverraum schon 35 °C heiss, bevor es jemand bemerkte.

   Deine Aufgabe

   Baue in Node-RED eine Automation für den Serverraum.

   Gutes Ergebnis

   Ab 28 °C schaltet die Shelly-Steckdose den Ventilator ein, unter 25 °C wieder aus (Hysterese). Ab 32 °C geht eine Nachricht an den Teams-Kanal 'IT-Alarme', höchstens einmal pro 30 Minuten. Fehlt der Sensor länger als 5 Minuten, kommt ebenfalls eine Meldung.

   FlowSchwellwertHystereseRate LimitingHeartbeat
6. 6

   IoT-Geräte sicher ins Netzwerk einbinden

   Kompetenz F

   IoT-Geräte sind oft schlecht geschützt. Du setzt sie in ein eigenes Netzsegment, beschränkst ihre Verbindungen auf das Nötige, änderst Standardpasswörter und sorgst für Updates.

   Situation

   Eine Shelly-Steckdose im KMU hängt im Büro-WLAN, hat kein Passwort und ist aus dem ganzen Netz erreichbar.

   Deine Aufgabe

   Integriere die IoT-Geräte sicher.

   Gutes Ergebnis

   Eigene SSID 'KMU-IoT' im VLAN 60 (10.0.60.0/24). Der Broker steht im Server-Netz (10.0.20.10), damit der Verkehr über die Firewall läuft. Sie erlaubt aus VLAN 60 nur MQTT mit TLS (Port 8883) zum Broker sowie DNS und NTP. Auf allen Geräten Admin-Passwort gesetzt und Cloud-Funktionen deaktiviert. Firmware-Stand in einer Liste erfasst, Updates monatlich geprüft.

   Netzsegmentierung / IoT-VLANStandardpasswortMQTT über TLSFirmware-UpdateLeast Privilege

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.

Dario ist im 1. Lehrjahr als Informatiker Applikationsentwicklung in der Informatik der Kellerei Rhonetal AG in Salgesch, 45 Mitarbeitende. Die Kellerei steuert bereits Licht und Lüftung der Lagerhalle mit Home Assistant. Der Kellermeister möchte nun Temperatur und Luftfeuchtigkeit in den drei Weinkellern überwachen und gewarnt werden, wenn der Barrique-Keller über 16 Grad steigt.

1. Kapitel 1

   Was gibt es schon?

   Dario schaut sich die bestehende Plattform an: Home Assistant auf einem Raspberry Pi 4, acht Shelly-Steckdosen im WLAN und zwei Zigbee-Sensoren. In Keller 2 und 3 mit ihren dicken Mauern misst er kaum WLAN-Empfang. Er entscheidet sich dort für Zigbee-Sensoren, weil Zigbee-Steckdosen als Zwischenstationen ein Mesh bilden. Für Keller 1 direkt neben dem Access Point plant er einen eigenen ESP32 mit einem präzisen Sensor.

   Ziel 1

2. Kapitel 2

   Der erste Messwert

   Dario schliesst einen SHT31 über I2C an den ESP32 an und lädt das Beispielprogramm der Bibliothek hoch. Der serielle Monitor zeigt nur Fehlermeldungen, weil im Beispielprogramm die Adresse 0x45 eingetragen war. Mit einem I2C-Scanner findet er heraus, dass sein Modul auf 0x44 antwortet. Nach der Korrektur erscheinen plausible Werte: 14,2 Grad und 78 Prozent Luftfeuchtigkeit.

   Ziel 2

3. Kapitel 3

   Ordnung im Broker

   Dario installiert Mosquitto als Add-on und sendet alle 60 Sekunden ein JSON wie {"temp": 14.2, "hum": 78} an das Topic kellerei/salgesch/keller1/klima. Nach einem Neustart von Home Assistant zeigt der Sensor minutenlang unbekannt an. Er setzt deshalb das Retain-Flag, damit der letzte Wert sofort verfügbar ist. Zusätzlich richtet er einen Last Will ein, der offline meldet, wenn der ESP32 die Verbindung verliert.

   Ziel 3

4. Kapitel 4

   Ein Dashboard für den Kellermeister

   Die bestehenden Geräte heissen in Home Assistant nach dem Muster sensor.lagerhalle_temperatur. Dario übernimmt die Konvention, benennt seine Sensoren sensor.keller1_temperatur bis sensor.keller3_feuchte und ordnet sie den Bereichen Keller 1 bis 3 zu. Auf einem neuen Dashboard sieht der Kellermeister die aktuellen Werte und einen Verlauf über 7 Tage. In einer kurzen Anleitung hält Dario fest, wie ein weiterer Sensor eingebunden wird.

   Ziel 4

5. Kapitel 5

   Alarm, aber nicht bei jeder Türöffnung

   Die erste Automation schickt bei über 16 Grad sofort eine Nachricht, und beim Einlagern mit offener Tür kommen fünf Meldungen in einer Stunde. Dario verlangt nun, dass der Wert 20 Minuten über der Grenze liegt, und meldet erst wieder Entwarnung unter 15 Grad. Danach prüft er die Sicherheit: Drei Shellys haben kein Passwort und eine alte Firmware. Er aktualisiert sie, setzt Passwörter und verschiebt alle IoT-Geräte in ein eigenes VLAN, das nur den Broker und die Update-Server erreicht.

   Ziel 5Ziel 6

1. 1

   Überblick über IoT-Geräte

   ca. 2 Std.

   Du lernst die Bausteine einer IoT-Lösung kennen und ordnest Geräte aus deinem Umfeld ein.

   • Fünf IoT-Geräte aus Schule, Betrieb oder Zuhause auflisten und Sensor, Aktor, Funk und Plattform bestimmen
   • Eine Tabelle WLAN, Zigbee, BLE und LoRaWAN nach Reichweite, Energie und Kosten erstellen
   • Ein Starter-Set besorgen: ESP32, BME280 oder DHT22, Steckbrett, Kabel (ca. CHF 30)

   Trainiert Kompetenz A1

   Lernziel1

2. 2

   Erster Sensor am ESP32

   ca. 4 Std.

   Du schliesst einen Sensor an und liest die Messwerte aus.

   • Arduino IDE mit ESP32-Unterstützung installieren und ein Blink-Programm hochladen
   • Sensor nach Datenblatt anschliessen und mit einem I2C-Scanner die Adresse finden
   • Messwerte im seriellen Monitor ausgeben und mit einem Referenzthermometer vergleichen

   Trainiert Kompetenz B1B2

   Lernziel2

3. 3

   MQTT verstehen und nutzen

   ca. 4 Std.

   Du setzt einen eigenen Broker auf und sendest Daten mit klarer Topic-Struktur.

   • Mosquitto auf einem Raspberry Pi oder in Docker installieren und Benutzer anlegen
   • Mit mosquitto_pub und mosquitto_sub von der Kommandozeile Nachrichten austauschen
   • Den ESP32 per WLAN verbinden und JSON-Werte publizieren, im MQTT Explorer beobachten

   Trainiert Kompetenz C1C2

   Lernziel3

4. 4

   In die Plattform integrieren

   ca. 4 Std.

   Du bindest deinen Sensor und ein fertiges Smart-Gerät in Home Assistant oder Node-RED ein.

   • Home Assistant als VM oder auf dem Raspberry Pi installieren und die MQTT-Integration einrichten
   • Alternativ den Sensor mit ESPHome neu flashen und die Unterschiede vergleichen
   • Ein Dashboard mit Verlauf und Gerätestatus bauen

   Trainiert Kompetenz D1D2

   Lernziel4

5. 5

   Automatisieren und absichern

   ca. 4 Std.

   Du baust eine Automation mit Alarm und sicherst die Geräte ab.

   • In Node-RED einen Flow mit Schwellwert, Hysterese und Benachrichtigung bauen
   • Mosquitto auf TLS (Port 8883) umstellen und anonyme Verbindungen verbieten
   • Im Heimrouter oder in OPNsense ein Gäste- oder IoT-Netz einrichten und die Geräte dorthin verschieben

   Trainiert Kompetenz E1E2F1F2

   Lernziel56

6. 6

   Abschluss: Raumklima-Monitoring

   ca. 2 Std.

   Du setzt ein kleines Gesamtprojekt um und dokumentierst es so, dass jemand anderes es übernehmen kann.

   • Sensor, Broker, Plattform, Automation und Sicherheit in einem Durchgang umsetzen
   • Eine Doku mit Verdrahtung, Topics, Zugangsdaten-Ablage und Netzwerkregeln schreiben
   • Die Lösung in 5 Minuten vorführen

   Trainiert Kompetenz B3C3D3E3F2

   Lernziel23456

IoT / IoE

Internet of Things bzw. Internet of Everything: vernetzte Geräte, die Daten erfassen, austauschen oder Aktionen ausführen.

ESP32

Günstiger Mikrocontroller mit WLAN und Bluetooth, sehr verbreitet für IoT-Projekte.

MQTT

Leichtgewichtiges Protokoll für Nachrichten zwischen Geräten über einen zentralen Broker.

Broker

Zentraler Server, der MQTT-Nachrichten empfängt und an Abonnenten verteilt, z.B. Mosquitto.

Topic

Hierarchischer Kanalname bei MQTT, z.B. 'olten/eg/serverraum/klima'.

I2C

Zweidraht-Bus, über den ein Mikrocontroller mit mehreren Sensoren kommunizieren kann.

Zigbee

Energiesparender Funkstandard für Smart-Home-Geräte, die ein Maschennetz bilden.

LoRaWAN

Funktechnik für grosse Reichweiten und sehr geringen Energieverbrauch bei kleinen Datenmengen.

Node-RED

Visuelles Werkzeug, mit dem man Datenflüsse und Automationen durch Verbinden von Bausteinen erstellt.

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