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Diese Arbeit verbindet die Geschäftstätigkeit von Winzern im Weinbau mit einer innovativen technologischen Anwendung des Internet of Things. Die Arbeit des Winzers kann dadurch unterstützt und bereichert werden – bis hin zu einer bisher nicht möglichen Bewirtschaftungsoptimierung, insbesondere bei einer Überwachung einzelner Lagen bis hin zum einzelnen Rebstock. Exemplarisch werden Temperatur-, Luftfeuchtigkeit- und Bodenfeuchtigkeit-Daten gemessen, übertragen, gespeichert und bereitgestellt. Durch ein modulares Design des Systems können heute verfügbare Sensoren und gleichartige Niedervolt-Sensoren, die künftig entwickelt werden, sofort eingesetzt werden.
Durch IoT-Geräte im Weinberg erhält der Winzer eine neue Qualität der Genauigkeit der Vorhersage auf Basis aktueller Zustandsdaten seines Weinbergs. Zusätzlich kann er bei unvorhergesehenen Wetterbedingungen sofort eingreifen. Die sofortige Nutzbarkeit der Daten wird durch eine Cloud Infrastruktur möglich gemacht. Dabei wird eine offene Service-Infrastruktur genutzt. Im Gegensatz zu anderen bisher veröffentlichten kommerziellen Ansätzen ist dabei die beschriebene Lösung quelloffen.
Als eigenständiger Bestandteil der Arbeit wurde ein physikalischer Prototyp zur Messung relevanter Parameter im Weinberg neu entworfen und bis zur Erfüllung der gesetzten Spezifikationen entwickelt. Die skizzierten Merkmale und Anforderungen an eine funktionierende Datensammlung und ein autonom übertragendes IoT-Gerät wurden entwickelt, beschrieben und die Erfüllung durch das Prototypgerät demonstriert. Durch Literaturrecherche und unterstützende, orientierende Interviews von Winzern wurden die Theorie und die praktische Anwendung synchronisiert und qualifiziert.
Für die Entwicklung des Prototyps wurden die allgemeinen Prinzipien der Entwicklung eines elektronischen Geräts befolgt, insbesondere die Entwicklungsregeln von Design Science Research und die Prinzipien des Quality Function Deployment. Als ein Merkmal des Prototyps wurden einige Prinzipien wie die Wiederverwendung von bewährten Konstruktionen und die Materialpreise der Bausteine des Prototypen wurden ebenfalls in Betracht gezogen (z. B. Gehäuse; Arduino; PCB). Teilezahl-Reduktionsprinzipien, Dekomplexierung und vereinfachte Montage, Prüfung und Vor-Ort-Service wurden in den Entwicklungsprozess durch den modularen Aufbau der funktionellen Weinberg- Gerätekomponenten integriert, wie es der Ansatz des innovativen Schaltschrankbau- System Modular-3 beschreibt.
Das Software-Architekturkonzept basiert auf einer dreischichtigen Architektur inklusive der TTN-Infrastruktur. Das Frontend ist als Rich-Web-Client realisiert, als ein WordPress- Plugin. WordPress wurde aufgrund der weiten Verbreitung über das gesamte Internet und der Einfachheit in der Bedienung ausgewählt, was eine schnelle und einfache Benutzereinweisung ermöglicht. Relevante Qualitätsprobleme wurden im Hinblick auf exemplarische Funktionalität, Erweiterbarkeit, Erfüllung von Anforderungen, Verwendbarkeit und Haltbarkeit des Gerätes und der Software getestet und diskutiert.
Der Prototyp wurde mit Erfolg im Labor und im Einsatzgebiet unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert und getestet, um eine Messung und Analyse der Erfüllung aller Anforderungen durch die geplante und realisierte elektronische Konstruktion und Anordnung des Prototypen, zu ermöglichen.
Die entwickelte Lösung kann als Grundlage für eine zukünftige Anwendung und Entwicklung in diesem speziellen Anwendungsfall und ähnlichen Technologien dienen. Ein Ausblick möglicher zukünftiger Arbeiten und Anwendungen schließt diese Arbeit ab.
The Internet of Things is still one of the most relevant topics in the field of economics and research powered by the increasing demand of innovative services. Cost reductions in manufacturing of IoT hardware and the development of completely new communication ways has led to the point of bil-lions of devices connected to the internet. But in order to rule this new IoT landscape a standardized solution to conquer these challenges must be developed, the IoT Architecture.
This thesis examines the structure, purpose and requirements of IoT Architecture Models in the global IoT landscape and proposes an overview across the selected ones. For that purpose, a struc-tured literature analysis on this topic is conducted within this thesis, including an analysis on three existing research approaches trying to frame this topic and a tool supported evaluation of IoT Archi-tecture literature with over 200 accessed documents.
Furthermore, a coding of literature with the help of the specialised coding tool ATLAS.ti 8 is conduct-ed on 30 different IoT Architecture Models. In a final step these Architecture Models are categorized and compared to each other showing that the environment of IoT and its Architectures gets even more complex the further the research goes.
Das Internet of Things (IoT) ist ein schnell wachsendes, technologisches Konzept, das darauf abzielt, verschiedenste physikalische und virtuelle Objekte in einem globalen Netzwerk zu vereinen um Interaktion und Kommunikation zwischen diesen Objekten zu ermöglichen (Atzori, Iera and Morabito, 2010). Die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie sind vielfältig und könnten Gesellschaft und Wirtschaft in ähnlicher Weise verändern wie die Nutzung des Internets (Chase, 2013). Darüber hinaus nimmt das Internet of Things eine zentrale Rolle in der Realisation von visionären Zukunftskonzepten ein, beispielsweise Smart City oder Smart Healthcare. Zudem verspricht die Anwendung dieser Technologie Möglichkeiten, verschiedene Aspekte der Nachhaltigkeit zu verbessern und zu einem bewussteren, effizienteren und schonenderen Umgang mit natürlichen Ressourcen beizutragen (Maksimovic, 2017). Das Handlungsprinzip der Nachhaltigkeit gewinnt im gesellschaftlichen und akademischen Diskurs zunehmend an Bedeutung und trägt den teils schädlichen Produktions- und Konsummustern des vergangenen Jahrhunderts Rechnung (Mcwilliams et al., 2016). Im Zusammenhang mit Nachhaltigkeit ist die fortschreitende Verbreitung von IoT Technologie allerdings auch mit Risiken verknüpft, die im Rahmen des Vorsorgeprinzips rechtzeitig bedacht werden müssen (Harremoës et al., 2001). Dazu zählen der massive Energie- und Rohstoffbedarf der Produktion und des Betriebs von IoT Objekten, sowie deren Entsorgung (Birkel et al., 2019). Die genauen Zusammenhänge und Auswirkungen von IoT im Bezug auf Nachhaltigkeit sind bisher nur unzureichend erforscht und nehmen keine zentrale Rolle in der Diskussion dieser Technologie ein (Behrendt, 2019). Diese Arbeit hat daher das Ziel, einen umfassenden Überblick der Zusammenhänge zwischen IoT Technologie und Nachhaltigkeitsaspekten zu erarbeiten.
Um dieses Ziel zu verwirklichen, verwendet diese Arbeit die Grounded Theory Methodik in Verbindung mit einer umfassenden Literaturanalyse. Die analysierte Literatur besteht dabei aus Forschungsbeiträgen, die besonders dem Gebiet der Informationstechnik (IT) entstammen. Auf Grundlage dieser Literaturanalyse wurden Aspekte, Lösungsansätze, Effekte und Barrieren im Kontext von IoT und Nachhaltigkeit erarbeitet. Im Laufe der Analyse kristallisierten sich zwei zentrale Sichtweisen auf IoT im Zusammenhang mit Nachhaltigkeit heraus. IoT für Nachhaltigkeit (IoT4Sus) beschreibt dabei den Einsatz und die Nutzung von IoT generierten Informationen, um eine Verbesserung im Hinblick auf verschiedene Nachhaltigkeitsaspekte zu erzielen. Nachhaltigkeit für IoT (Sus4IoT) hingegen fokussiert Nachhaltigkeitsaspekte der eingesetzten Technologie und zeigt Lösungen auf um, mit der Produktion und dem Betrieb verknüpfte, negative Auswirkungen auf Nachhaltigkeit zu verringern. Die erarbeiteten Aspekte und Beziehungen wurden in einem umfangreichen Rahmenwerk, dem CCIS Framework, festgehalten und dargestellt. Dieses Rahmenwerk stellt ein Werkzeug zur Erfassung relevanter Aspekte und Beziehungen in diesem Bereich dar und trägt damit zur Bewusstseinsbildung in diesem Kontext bei. Darüber hinaus empfiehlt das Rahmenwerk ein Handlungsprinzip um die Performance von IoT Systemen im Rahmen der Nachhaltigkeit zu optimieren.
Der zentrale Beitrag dieser Arbeit besteht in der Bereitstellung des CCIS Framework, sowie der darin enthaltenen Informationen hinsichtlich der Aspekte und Beziehungen von IoT und Nachhaltigkeit.