M2M: Was ist Machine-to-Machine-Kommunikation?

• Was bedeutet M2M?
• Wie funktionieren M2M-Systeme?
• M2M-Anwendungen und Beispiele
• Was ist eine M2M-SIM-Karte?
• Vorteile der Sensorik in der Industrie 4.0
• Anforderungen an Machine-to-Machine-Technologie
• Das brauchen Sie für den Einstieg in die M2M-Kommunikation
• Vorteile von M2M-Kommunikation

Rund vier Milliarden per Mobilfunk vernetzte Geräte soll es nach Schätzung des Netzwerkausrüsters Cisco bis 2023 weltweit geben. Hinzu kommen Milliarden Maschinen, die auf anderen Wegen Daten austauschen. Diese Geräte kommunizieren untereinander, um Menschen von Standardaufgaben zu entlasten, Transportketten zu beschleunigen oder Verkehrsstaus zu vermeiden.

Die sogenannte Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) steigert Effektivität und Effizienz in der Smart Factory, der Logistik und der Gebäudeautomation. Aber auch Medizin und Landwirtschaft setzen auf diese Technologie. Was konkret hinter dem Begriff steckt, welche Vorteile und Besonderheiten Maschinenkommunikation bietet und wie Sie Mobilfunk auch in bestehende Anwendungen sinnvoll integrieren können, erfahren Sie hier.

 

Was bedeutet M2M?

Machine to Machine, kurz M2M, beschreibt den automatisierten Informationsaustausch zwischen Maschinen. Ziel der Machine-to-Machine-Kommunikation ist es,

• Informationen zwischen Maschinen jeglicher Art eindeutig, effizient und schnell auszutauschen
• Prozesse zu automatisieren, indem mehrere Maschinen zu einem interagierenden Gesamtsystem zusammengefasst werden
• Synergien dort zu nutzen, wo Geräte beispielsweise auf die Sensordaten anderer Maschinen zugreifen
• Menschen von monotonen Aufgaben zu entlasten

Für die Kommunikation kommen unterschiedliche Netze und Protokolle zum Einsatz. Üblich sind je nach Entfernung der Maschinen zueinander WLAN, LAN, WAN, Bluetooth, NFC, RFID, Satellitenfunk oder Mobilfunknetze. Speziell für die Maschinenkommunikation in der Hausautomation sind auch ZigBee und DECT-ULE/HAN-FUN weitverbreitet. Vorherrschendes Transportprotokoll ist das Internetprotokoll mit seinen Standards IPv4 und IPv6.

Machine-to-Machine-Kommunikation gibt es zum einen als direkte Kommunikation zwischen zwei Maschinen innerhalb eines Netzwerkes. Zum anderen gibt es die indirekte Variante, bei der Maschine A ihrer Leitzentrale ein Datentelegramm sendet. Diese gibt es wiederum an Maschine B weiter, die den Befehl schließlich ausführt.

Ein typischer Anwendungsfall ist eine Produktionsanlage, die ein leeres Magazin an die Leitzentrale meldet. Diese sucht dann das passende autonome Servicefahrzeug, das sie zu der Maschine mit dem leeren Vorratsbehälter sendet, um das Magazin aufzufüllen.

Der Unterschied zum Internet of Things (IoT) besteht darin, dass per Machine-to-Machine-Kommunikation die Maschinen und Geräte innerhalb eines Unternehmens verbunden werden. Das IoT kann zusätzlich auch Verbindungen zu den Objekten von Kund:innen und Lieferanten schaffen. Natürlich lassen sich auch beide Technologien verbinden.

M2M-Lösungen können in allen Wirtschaftszweigen Arbeitsabläufe rationalisieren und die Produktivität steigern. In vielen Sektoren ist Machine-to-Machine-Kommunikation sogar Voraussetzung für jede weitere Automatisierung, beispielsweise bei autonomen Fahrzeugen. Diese senden Informationen über Staus, Baustellen, Verkehrsunfälle und lokale Wetterverhältnisse an die Navigationszentrale und zusätzlich an nachfolgende oder entgegenkommende Fahrzeuge.

 

Video: YouTube / Pi Alpha

 

Wie funktionieren M2M-Systeme?

Das Topologiemodell der M2M-Kommunikation setzt sich zusammen aus Datenendpunkten, Datenintegrationspunkten und den Netzen, die diese Punkte miteinander verbinden.

Datenendpunkt (Sender)

Maschinen mit einer intelligenten Steuerung, die selbstständig Datenübertragungen anstoßen und so mit ihrer Zentrale oder anderen Maschinen kommunizieren, werden als Datenendpunkt (DEP) bezeichnet. Ein solcher Datenendpunkt kann ein autonomes Fahrzeug, die digitale Steuerung einer Fertigungsanlage oder ein Verkaufsautomat sein. Mehrere DEP können sich wiederum zu einem virtuellen DEP zusammenschließen, der als eine Entität mit anderen Maschinen kommuniziert.

Datenintegrationspunkt (Empfänger)

Als Datenintegrationspunkt (DIP) werden übergeordnete Leitrechner bezeichnet, die meist an zentraler Stelle im Rechenzentrum stehen. Üblicherweise hat ein M2M-Netzwerk nur einen einzigen DIP. Wird das Rechenzentrum eines Unternehmens als IaaS– oder PaaS-Cloud gehostet, kann der DIP auch virtuell sein oder im Rechenzentrum des Dienstleisters stehen.

Kommunikationsnetze

Verbindendes Element zwischen DEP und DIP ist das Kommunikationsnetz. Es wird auch als M2M-Communication-Network (MCN) bezeichnet. Ob die Kommunikation über mobile oder kabelgebundene Netze erfolgt, ist hierbei zweitrangig. Auch Mischformen sind möglich und üblich.

In einem flexiblen und offenen MCN sind auch mehrere Kommunikationsebenen möglich. Jeder DEP und DIP kann Teil beliebig vieler Netze sein. Beispielsweise tauschen Maschinen in einem privaten Unternehmensnetz untereinander Befehle zum Auffüllen von Vorratsbehältern, zur Wartung oder zur Distribution gefertigter Waren aus.

Auf einer darüberliegenden, öffentlichen Kommunikationsebene, die auch für Dritte erreichbar ist, können Kund:innen die Belieferung mit den im Unternehmen hergestellten Waren anstoßen. Die Kund:innen oder ihre Bestellsysteme kommunizieren direkt mit der Produktionsumgebung, können aber nicht auf die darunterliegende private Kommunikationsebene zugreifen und Fertigungsanlagen direkt Befehle geben.

Ein Beispiel hierfür ist ein Onlinehändler oder Ersatzteillieferant aus der Automobilindustrie, dessen Lagerlogistik untereinander im privaten Netz kommuniziert. Gleichzeitig beauftragen Besteller:innen über das offene Netz beim Warendepot die Belieferung mit dort bevorrateten Waren.

 

Video: YouTube / impulse medien

  

M2M-Anwendungen und Beispiele

M2M im Internet of Things

Das große Wachstum des Internet of Things treibt auch die zunehmende Verbreitung der M2M-Kommunikation voran. Maschinen müssen dabei nicht zwingend über das Internetprotokoll oder überhaupt über das Internet miteinander kommunizieren. Aber da bereits viele Geräte entsprechende Netzwerk- und Mobilfunktechnik an Bord haben, läuft ein großer Teil der Maschinenkommunikation heute im IoT.

Während im IoT Geräte standortübergreifend via Cloud verbunden sind, kommunizieren Maschinen auf lokaler Ebene untereinander per M2M.

Im Mobilfunknetz können Unternehmen die IoT-Infrastruktur zudem kostengünstig über entsprechende Management-Plattformen verwalteen. Darüber werden beispielsweise genutzte SIM-Karten oder gebuchte Services für die Geräte verwaltet.

 

 

M2M im Online-Marketing

Auch im Online-Marketing setzen Unternehmen vermehrt M2M-Kommunikation ein. Beispielsweise werden beim Crawlen über Websites und Suchmaschinen vollautomatisiert Nutzungszeiten, Suchbegriffe und Suchverhalten erfasst und hierzu passende Angebote für die Nutzer:innen ausgespielt.

Werbekunden haben so die Gewähr, dass ihre Kampagnen geringere Streuverluste haben und das passende Zielpublikum bedienen. Zugleich werten Maschinen aus, wie die vermarkteten Angebote gelesen und geklickt werden.

Im Ergebnis können Werbetreibende so ihre Angebote stetig verbessern und zielgerichteter formulieren.

 

M2M im Kleinunternehmen

Kleine und mittelständische Unternehmen profitieren besonders von fertigen Lösungen, die sie ohne hohe Entwicklungskosten implementieren können. Auf Software-Ebene ist die M2M-Kommunikation bereits in vielen Unternehmen weit fortgeschritten, etwa bei der Nutzung von Cloud-Lösungen oder Datenbanken.

Die wachsende Verbreitung M2M-fähiger Endgeräte und der stetige Ausbau der Netze machen M2M für kleine und mittelständische Unternehmen wirtschaftlich interessant – aber auch für die Fertigung oder den Kundendienst .

Ein Beispiel sind Diagnosegeräte, die sich aus der Werkstatt per LAN oder im Außeneinsatz via Mobilfunk mit dem Server des Herstellers verbinden. Dabei gleichen sie ihre vor Ort erfassten Diagnosedaten mit der Herstellerdatenbank ab. Auf demselben Weg werden automatisiert passende Ersatzteile bestellt, falls eine Reparatur des Kundengerätes oder -fahrzeuges notwendig ist.

 

 

M2M im Tracking

Logistik und Flottenmanagement bieten ein großes Potenzial für M2M-Lösungen. Die Überwachung und das Routing großer Fahrzeugflotten sind ideale Einsatzgebiete für die Kommunikation zwischen Maschinen. Hier einige Beispiele, was mit M2M möglich ist:

• Fahrzeuge kommunizieren mit ihrer Leitzentrale und melden automatisiert Zustand, Position, Fahrtziel und Besonderheiten wie etwa unbekannte Baustellen, Staus oder Unfälle in ihrer Umgebung. Bei Ausfällen oder Verzögerungen vergibt die Zentrale Transportaufträge automatisch an andere Fahrzeuge.
• Über Geo-Fencing und kontinuierliches Fahrzeug-Tracking wird die gesamte Flotte überwacht. So kann die Zentrale etwa bei einem Diebstahl ein Fahrzeug aus der Ferne nachverfolgen und per Fernzugriff deaktivieren.
• Sensoren überwachen rund um die Uhr alle Fahrzeuge und übermitteln Informationen an die Leitzentrale – zum Beispiel zu Motormanagement, Betriebsmittelvorrat, Reifendruck oder zur Laderaumtemperatur von Kühlfahrzeugen. Bei Problemen sucht das System die nächstmögliche Werkstatt oder schickt automatisiert einen Auftrag an einen Reparatur- oder Reifendienst. Dabei handeln Leitrechner und Reparaturdienst untereinander den besten Treffpunkt für die Schadensbehebung aus – beispielsweise einen Autobahnparkplatz entlang der geplanten Fahrtroute.

 

 

M2M in der Medizin

In einer alternden Gesellschaft kommt dem Gesundheitswesen wachsende Bedeutung zu. Zugleich verfügt die Medizin heute über viele Diagnosetechniken und -verfahren, bei denen große Datenmengen anfallen. Mittels M2M-Kommunikation können Röntgengeräte, Magnetresonanz-Tomographen, EKG-Geräte oder Analyseautomaten aus Laboren ihre Diagnose-Ergebnisse schnell und verwechslungssicher an eine digitale Patientenakte übermitteln. Ärzt:innen und Patient:innen greifen dann über entsprechende Apps auf diese Daten zu.

Über Funkstandards wie Narrowband-IoT werden Geräte für die Maschinenkommunikation besonders energiesparend verbunden. So können kleine, tragbare Devices, die nur über eine Batterie mit Strom versorgt werden, besonders lange mit anderen Maschinen kommunizieren.

Ein mögliches Einsatzgebiet sind tragbare EKG-Geräte, wie sie heute in immer mehr Rettungswagen mitgeführt werden. Per M2M-Kommunikation senden die Geräte vom Einsatzort aus automatisiert Messwerte an die Notaufnahme des Krankenhauses. Parallel kann  sich die Notärztin oder der Notarzt weiter um die Patient:in kümmern.

 

   

 

Auch in der Pflege schafft die M2M-Kommunikation neue Möglichkeiten. Eine etablierte Anwendung sind Hausnotrufsysteme, die bei einem medizinischen Notfall eine Alarmnachricht inklusive Ortsangabe an die Leitstelle absetzen, wenn die Patient:in dies selbst nicht kann.

Ein ähnliches M2M-Kommunikationssystem ist heute bereits in jedem neu in der EU zugelassenen Kfz verbaut. Bei einem Unfall alarmiert es via Mobilfunk selbstständig die Rettungsdienste und übermittelt anhand der Belegungssensoren in den Sitzen auch die Zahl der an Bord befindlichen Personen. Außerdem überträgt es Positionsdaten und Fahrtrichtung sowie Fahrzeugsensordaten zur Schwere des Unfalls an die Notrufzentrale.

M2M in der Landwirtschaft

In der Landwirtschaft bestehen ein hoher Kostendruck und das Bestreben, mit Ressourcen und Maschinen sparsam zu wirtschaften. Das sogenannte Smart Farming gibt Betrieben neue Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung an die Hand. Erntemaschinen kommunizieren per Funk mit Servern, auf denen Karten der landwirtschaftlichen Flächen abgelegt sind. Per GPS-Navigation fahren sie selbstständig ihre Routen ab.

An landwirtschaftlichen Gerätschaften und Maschinen sind zunehmend Sensoren verbaut. Sie erlauben Voraussagen zur optimierten Bewässerung von Feldern oder für die Beurteilung der Erntebedingungen. In der Tierhaltung werden schon heute Halsbänder mit RFID-Chip verwendet. So lässt sich eindeutig feststellen, welches Tier an welcher Futterstelle wie viel Nahrung zu sich genommen hat. Dadurch können mögliche Krankheiten frühzeitig erkannt und behandelt werden.

 

 

Was ist eine M2M-SIM-Karte?

Für die Maschinenkommunikation gibt es spezielle SIM-Karten, die allein für den Datenverkehr über das Mobilfunknetz ausgelegt sind. Es gibt hierfür auch entsprechende Datentarife. M2M-SIM-Karten eignen sich nicht für den Einsatz in  Mobiltelefonen, sondern  nur für Maschinenkommunikation. Über entsprechende Management-Tools können Unternehmen größere Bestände von M2M-SIMs effizient verwalten.

 

   

 

Anforderungen an Machine-to-Machine-Technologie

Das Europäische Institut für Telekommunikationsnormen (ETSI) und Fachverbände wie die M2M Alliance arbeiten an der Standardisierung der M2M-Kommunikation. Hierfür stellt das ETSI folgende Anforderungen:

• Skalierbarkeit: Maschinennetzwerke sollen beliebig vergrößerbar sein.
• Anonymität: Bei entsprechendem Bedarf muss die Identität von Geräten verborgen werden können.
• Protokolle: M2M-Systeme sollen Fehler oder fehlgeschlagene Installationen erfassen und die Protokolle für eine bestimmte Zeit verwahren.
• Die Prinzipien der Machine-to-Machine-Kommunikation, die der hier erklärten Funktionsweise entsprechen, sollen aufrechterhalten werden.
• Übertragungsmodalitäten: Systeme sollen multiple Übertragungsmethoden unterstützen. Sie sollen bei Netzüberlastung automatisch auf andere wechseln (selbstständiges Routing).
• Planbarkeit von Übertragungen: Systeme sollen Zeitpunkte für die Datenübertragung festlegen und den Datenverkehr bei Bedarf steuern oder verzögern.
• Auswahl der Kommunikationswege: Kommunikationswege innerhalb des Machine-to-Machine-Systems sollten nach verschiedenen Kriterien optimierbar sein.

 

Video: YouTube / m2m Germany GmbH

 

Das brauchen Sie für den Einstieg in die M2M-Kommunikation

Sie möchten selber eine Testumgebung für M2M-Kommunikation in Ihrem Unternehmen schaffen, um mit der Technologie Erfahrungen zu sammeln? So gelingt Ihnen der M2M-Einstieg:

• Netzplanung: Welche Geräte sollen auf welchen Kommunikationswegen (Mobilfunk, Ethernet, WLAN) mit welchen anderen Geräten kommunizieren?
• Administration: Wie soll die M2M-Kommunikation verwaltet werden? Über welche Oberfläche wird das System überwacht? Wie werden beispielsweise neue Geräte hinzugefügt? 
• Protokollplanung: Welche Daten sollen in welcher Form ausgetauscht werden? Welche Protokolle kommen hierbei zum Einsatz? 
• Prüfen der Hardware: Welche Endgeräte können Sie per M2M verknüpfen? Für welche Endgeräte benötigen Sie zusätzliche Hardware? Gibt es hier bereits Lösungen vom jeweiligen Geräte-Hersteller oder von Drittanbietern? 
• Welche Datentarife werden für die Verbindung per Mobilfunk genutzt? Für welche Maschinen werden entsprechende M2M-SIM-Karten benötigt?

Für kleine und mittelständische Unternehmen gibt es bereits vorkonfektionierte Geräte-Lösungen für den M2M-Einsatz, darunter Router und Gateways für die Verbindung Ihrer Maschinen. Speziell für Produktionsumgebungen wird auch Hardware angeboten, die Industriestandards bei Ausfallsicherheit, Redundanz, Abschirmung und Sicherheit erfüllt und nach IP67 oder IP68 gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt ist. Ihr Mobilfunkanbieter kann Ihnen entsprechende Produkte nennen.

 

Vorteile von M2M-Kommunikation

Wo Maschinen direkt miteinander kommunizieren, können sie im IoT Daten schnell, exakt und fehlerfrei weitergeben.

Zugleich werden komplexe Abfolgen und Interaktionen auch in großen Systemen in Echtzeit möglich. Diese war bisher dort nicht möglich, wo durch Maschinen erfasste Daten erst manuell ausgewertet werden mussten, um dann von Anwender:innen in Handlungsanweisungen übersetzt zu werden.

M2M-Kommunikation zeichnet sich durch einen niedrigen Energieverbrauch aus, der die Effizienz der Systeme beim Datenaustausch erhöht.

Das exponentielle Wachstum von Datenbeständen, die Entwicklung hin zur Industrie 4.0 oder entsprechend zur Landwirtschaft 4.0 bzw. Medizin 4.0 treiben die Entwicklung der M2M-Kommunikation weiter voran.

M2M spart nicht nur Zeit, sondern auch Kosten und Ressourcen, indem Vorgaben und Aufträge schneller, schonender und exakter umgesetzt werden. In der Medizin können mehr Patientendaten effizient zusammengeführt und so bessere Diagnosen erstellt und Therapien geplant werden. In der Pflege sorgt M2M für mehr Lebensqualität, weil Menschen trotz körperlicher Einschränkungen dank Hausnotruf länger selbstbestimmt zu Hause leben können.

 

   

 

M2M im Überblick: Das Wichtigste in Kürze

• Die Machine-to-Machine-Kommunikation ermöglicht den schnellen und direkten Datenaustausch zwischen Geräten untereinander sowie zwischen Maschinen und ihren Leitständen.
• Die Entwicklung von M2M geht eng einher mit der Verbreitung des Internet of Things, über das viele Geräte untereinander kommunizieren.
• Viele Branchen profitieren von der Maschinenkommunikation. M2M beschleunigt den Informationsaustausch, reduziert Laufzeiten und Transportwege, etabliert neue Geschäftsmodelle und spart so Kosten und Material.
• Über entsprechende Management-Tools werden Geräte im IoT für die Maschinenkommunikation eingerichtet. Entsprechende Datentarife und Daten-SIM-Karten erlauben das kostengünstige Einbinden weiterer Geräte per Mobilfunk, ohne dass hierfür eine kabelgebundene Netzinfrastruktur erforderlich ist.
• Durch zunehmende Standardisierung wird die M2M-Kommunikation vereinheitlicht. Die Netze werden leistungsfähiger und neue Maschinen und Maschinentypen können einfacher eingebunden werden.

 

Welche Möglichkeiten zur M2M-Kommunikation gibt es in Ihrer Branche? Setzen Sie bereits entsprechende Lösungen ein? Schreiben Sie uns dazu gerne in den Kommentaren zu diesem Beitrag.