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Azure IoT Edge und Windows 10 IoT: Künstliche Intelligenz auf Edge-Geräten

| Autor: Microsoft

Im modernen Internet of Things treffen Datenverarbeitung in der Cloud, leistungsfähige - womöglich intelligente - Edge-Geräte und in zunehmendem Maße der Einsatz künstlicher Intelligenz zusammen. Das Zusammenspiel aus dem verwalteten Dienst Azure IoT Edge und den Betriebssystemen der Windows-10-IoT-Familie hilft, all diese Aspekte möglichst effizient auszunutzen.
Im modernen Internet of Things treffen Datenverarbeitung in der Cloud, leistungsfähige - womöglich intelligente - Edge-Geräte und in zunehmendem Maße der Einsatz künstlicher Intelligenz zusammen. Das Zusammenspiel aus dem verwalteten Dienst Azure IoT Edge und den Betriebssystemen der Windows-10-IoT-Familie hilft, all diese Aspekte möglichst effizient auszunutzen. (Bild: Matthew Williams / Microsoft)

Das Internet of Things (IoT) entwickelt sich rapide, neue Trends wie künstliche Intelligenz wollen rasch integriert werden. Entwickler müssen sich darauf verlassen können, dass Workloads sowohl am Geräte-Edge als auch in der Cloud zuverlässig geleistet werden. Die Synergien aus Windows 10 IoT und Azure IoT Edge können dies effizient bewältigen.

Selbst wenn Sie in keinem besonders großen Unternehmen arbeiten sollten, haben Sie als IT-Experte vermutlich Kenntnisse über das moderne Internet der Dinge (Internet of Things, IoT): Hier treffen Cloud, künstliche Intelligenz (KI) und Edgecomputing (unter Verwendung intelligenter Edge-Geräte) zusammen. Unter Umständen wissen Sie seine Möglichkeiten zu schätzen und haben sogar ein paar Ideen für eigene IoT-Projekte. Allerdings ist das IoT kein ganz einfaches Thema, da es sich permanent im Wandel befindet. Möglicherweise wissen Sie, was Sie tun möchten, sind sich aber nicht ganz sicher, wie Sie es angehen sollen.

Beispielsweise müssen Sie bedenken, wie Sie Ihre KI-Workload am besten realisieren. Die ersten IoT-Lösungen basierten hauptsächlich auf „dummen“ Sensoren, die Rohdaten erfassten und zur Verarbeitung an die Cloud übermittelten. Gute Beispiele hierfür sind Kartenleser an Eingängen und elektronische Türschlösser in großen Bürogebäuden. Allerdings ist das nicht immer die beste Architektur, und in manchen Fällen ist es nicht einmal möglich. Ein Beispiel hierfür wäre ein Videoüberwachungsszenario, bei dem die Übertragung von Videomaterial mit hoher Auflösung von einer großen Anzahl Kameras zu viel Bandbreite erfordern würde. Ein weiteres Beispiel wäre ein Kreuzfahrtschiff, auf dem Konnektivität außerhalb des Hafens begrenzt (und teuer) ist. Latenz kann ebenfalls ein Problem darstellen, z. B. bei mehreren Millionen teuren Produktionsanlagen, bei denen die Zeit zwischen der ersten Steigerung der Vibration und einem katastrophalen Fehler in Millisekunden gemessen wird.

Analysefunktionen und KI verleihen IoT-Lösungen einen erheblichen Wert, auch wenn die Cloud für derartige Verarbeitung nicht immer der beste Ort ist. Es wird beispielweise empfohlen, die Anomalieprüfung am Gerät selbst durchzuführen, um Reaktionszeiten an der Produktionslinie zu minimieren. Zur Minimierung von Kosten für Bandbreite oder zur Vermeidung von Verbindungsproblemen ist es außerdem ratsam, Daten lokal zu bereinigen, zu aggregieren, zu verarbeiten und zu speichern, bevor Erkenntnisse an die Cloud übermittelt werden. Beides sind Beispiele für IoT-Lösungen, die intelligente Edge-Geräte bzw. „KI am Edge“ nutzen, um Daten lokal auf dem IoT-Gerät zu analysieren, statt alle Aktionen in der Cloud auszuführen. Gegebenenfalls müssen Sie die von Ihrer IoT-Lösung erfassten Daten auch am Edge verarbeiten und analysieren, um Probleme hinsichtlich Sicherheit, Datenschutz oder Datenhoheit zu umgehen.

Darüber hinaus sind noch andere Aspekte zu berücksichtigen. Wie wird beispielsweise eine kurze Produkteinführungszeit gewährleistet? Haben Ihre Entwickler die nötigen Fähigkeiten, um solche Lösungen zu erstellen? Falls nicht, sind sie auf dem Markt leicht verfügbar? Ist es möglich, eine bestehende IT-Infrastruktur wiederzuverwenden, oder muss diese ebenfalls ganz neu entwickelt werden? Sind intelligente Geräte mit den erforderlichen Funktionen verfügbar, oder müssen diese selbst zusammengestellt werden? Wie verhält es sich mit dem laufenden Betrieb – von der Bereitstellung neuer Geräte bis hin zum alltäglichen Verwaltungsaufwand (einschließlich Patching, Überwachung der Systemintegrität und ähnlichen erforderlichen Tätigkeiten)? Und was ist mit anderen grundlegenden Dingen wie Sicherheit und Support? Wie werden Geräte vor Manipulation und die von ihnen erfassten Daten sowohl bei der Übertragung als auch im Speicher geschützt? Wie lange werden von Ihnen eingesetzte Technologien unterstützt, etwa mit zeitnahen Sicherheitspatches? Und gibt es eine zentrale Anlaufstelle für Support, falls etwas nicht erwartungsgemäß funktioniert?

In all diesen Bereichen kann Ihnen die Microsoft IoT-Plattform das Leben erleichtern. Der Rest dieses Artikels befasst sich damit, wie zwei Schlüsselkomponenten dieser Plattform – Azure IoT Edge und Windows 10 IoT – zusammenwirken, um Sie bei den oben genannten Aspekten zu unterstützen.

Azure IoT Edge und Windows 10 IoT: Eine leistungsstarke Kombination

Damit Sie besser verstehen, warum Azure IoT Edge und Windows 10 IoT eine so leistungsstarke Kombination darstellen, sehen wir uns zuerst ihre jeweiligen Funktionen und anschließend ihr Zusammenspiel an.

Windows 10 IoT

Windows 10 IoT ist für Edgecomputing optimiert. Die Version bietet für Unternehmen konzipierte Entwicklungstools, intelligente Sicherheit und zukunftsweisende KI für Ihre IoT Edge-Geräte sowie die „üblichen“ Vorteile von Windows, z. B. hervorragende Verwaltbarkeit, regelmäßige Updates, unternehmensorientierter Support, umfangreiche Hardwareoptionen, auf Standards basierende Konnektivität und ein globales Partnernetzwerk.

Von Windows 10 IoT werden drei Editionen angeboten.

Mit leistungsstarken, intelligenten Edge-Funktionen und Innovationen für Windows 10 IoT haben OEMs mehr Möglichkeiten, IoT-Lösungen mit der Windows 10 IoT-Plattform einfach und sicher zu erstellen.
Mit leistungsstarken, intelligenten Edge-Funktionen und Innovationen für Windows 10 IoT haben OEMs mehr Möglichkeiten, IoT-Lösungen mit der Windows 10 IoT-Plattform einfach und sicher zu erstellen. (Bild: Microsoft)

Windows 10 IoT Enterprise, ein binäres Äquivalent von Windows 10 Enterprise, wurde für IoT-Geräte mit einem festen Zweck entwickelt. Dieselben Tools für Entwicklung und Verwaltung, die Sie von Client-PCs und -Laptops kennen, können Sie auch hier verwenden. Geräte können so eingerichtet werden, dass nur bestimmte Apps und Peripheriegeräte zur Verfügung stehen. So kann beispielsweise die Nutzung von USB-Speichersticks unterbunden werden. Sie können Systemmeldungen unterdrücken und die Bootsequenz anpassen. Sogar ein schreibgeschütztes System ist möglich, das nach dem Ausschalten in den Urzustand zurückversetzt wird. Und dank der integrierten Cloud-Konnektivität können Sie Windows 10 IoT Enterprise-Geräte mit Azure IoT Hub bereitstellen und verwalten.

Windows 10 IoT Core ist eine Version von Windows 10, die für Einzweck-IoT-Geräte optimiert wurde. Mit einer Größe von weniger als 2 GB bietet sie dank unserer jahrzehntelangen Erfahrung mit Windows Embedded die Sicherheit, den Support und die Verwaltbarkeit, die Sie von Windows 10 gewohnt sind. Microsoft kooperiert mit führenden System-on-a-Chip-Anbietern (SoC) wie Broadcom, Intel, NXP und Qualcomm, um die Unterstützung von Windows 10 IoT Core auf deren SoCs sicherzustellen, die von Hunderten verschiedener Geräte-OEMs und -ODMs verwendet werden. Kürzlich hat Microsoft Windows 10 IoT Core Services eingeführt, einen Cloudabonnementdienst, der einen Mechanismus für Geräteupdates, fortlaufend Support und zusätzliche Sicherheit bietet und mit dem Microsoft-Partner neue Geschäftsmodelle entwickeln können, die für sie und ihre Kunden auf lange Sicht profitabel sind.

Mit Windows Server IoT 2019, einem binären Äquivalent zu Windows Server 2019, erstellen Kunden IoT-Lösungen, die größere Workloads mit höheren Ansprüchen an Rechenleistung, Speicher und Konnektivität verarbeiten können (z. B. die Anwendung von Bilderkennung auf mehrere Videostreams). Diese Lösungen können Daten von zahlreichen IoT-Geräten erfassen und in gigantischen lokalen Datenbanken speichern. Durch erweiterte Sicherheit, Hochverfügbarkeit und Verwaltbarkeit dank moderner, von Azure IoT Edge verwalteter Containertechnologien gelangen Sie schneller und sicherer zur nächsten Innovation.

Azure IoT Edge

Der Service Azure IoT Edge ermöglicht das sichere lokale Ausführen von Datenanalysen und künstlicher Intelligenz (z. B. mit Azure Cognitive Services oder Machine Learning) in Geräten, Maschinen und Anlagen ohne dauerhafte Cloud-Konnektivität sowie die Übertragung dieser Daten in die Cloud für genauere Analysen. So können Datenanalysen auch dann auf IoT-Geräten laufen, wenn keine permanente Internetverbindung gewünscht oder möglich ist.
Der Service Azure IoT Edge ermöglicht das sichere lokale Ausführen von Datenanalysen und künstlicher Intelligenz (z. B. mit Azure Cognitive Services oder Machine Learning) in Geräten, Maschinen und Anlagen ohne dauerhafte Cloud-Konnektivität sowie die Übertragung dieser Daten in die Cloud für genauere Analysen. So können Datenanalysen auch dann auf IoT-Geräten laufen, wenn keine permanente Internetverbindung gewünscht oder möglich ist. (Bild: Microsoft)

Azure IoT Edge, ein verwalteter Dienst von Microsoft, erleichtert die Erweiterung der Bereitstellung von KI, Analysefunktionen and benutzerdefinierter Unternehmenslogik auf Edge-Geräte. Das ist ideal für Szenarien, bei denen Anforderungen hinsichtlich Latenz, Bandbreite und Datenschutz wichtige Aspekte sind. Sie können leistungsfähige, sichere IoT-Lösungen hoch skalierend entwickeln und bereitstellen, ganz gleich, ob diese IoT-Geräte mit der Cloud verbunden oder offline sind. Azure IoT Edge steht im Free- und Standard-Tarif von Azure IoT Hub zur Verfügung, einem Service, der bidirektionale Kommunikation zwischen IoT-Geräten und den Back-End-Services unterstützt, von dem diese Geräte abhängen.

Das Zusammenspiel

Technisch gesehen können Sie IoT Edge nutzen, um Cloudworkloads zu containerisieren und lokal auf einer beliebigen Anzahl von Geräten auszuführen. Dies wird durch IoT Edge-Module (Container, die den Code ausführen, der zur lokalen Ausführung an IoT Edge-Geräte bereitgestellt wurde) sowie die IoT Edge-Runtime (die auf allen Edge-Geräten ausgeführt wird und die auf diesen Geräten bereitgestellten Module verwaltet) ermöglicht. Die IoT Edge-Runtime kann unter Windows IoT oder Linux ausgeführt werden.

Als Docker-kompatible Container implementierte IoT Edge-Module lassen sich für die Kommunikation miteinander konfigurieren, was gegebenenfalls für Datenverarbeitungspipelines auf Geräten erforderlich ist. Sie können bestimmte Azure-Dienste zur Bereitstellung in Modulen verpacken oder ihre eigenen benutzerdefinierten Module entwickeln. Beispielsweise ist es möglich, Azure-Dienste wie Azure Functions, Azure Stream Analytics und Custom Vision auf Edge-Geräten auszuführen, um die Verarbeitung komplexer Ereignisse, Bilderkennung und andere hochwertige KI-Funktionen dort bereitzustellen, wo sie den größten Wert bieten. Dazu müssen Sie selbst keine einzige Zeile Code schreiben. Sie können aber natürlich auch Ihren eigenen Code schreiben und bereitstellen.

Die IoT Edge-Runtime ermöglicht die Ausführung von IoT Edge-Modulen unter Windows 10 IoT. Sie befindet sich auf dem Edge-Gerät und führt dort Verwaltungs- und Kommunikationsfunktionen aus. Beispielsweise installiert und aktualisiert sie Workloads, erhält IoT Edge-Sicherheitsstandards auf dem Gerät aufrecht, gewährleistet die fortlaufende Ausführung der IoT Edge-Module und meldet die Modulintegrität zur Remoteüberwachung an die Cloud. Die IoT Edge-Runtime verwaltet außerdem die Kommunikation zwischen nachgeschalteten Geräten und einem IoT Edge-Gerät, zwischen Modulen auf einem IoT Edge-Gerät sowie zwischen einem IoT Edge-Gerät und der Cloud.

Die IoT Edge-Runtime bietet Ihnen die nötige Flexibilität, um Ihre IoT-Lösung für sich zu optimieren. Dies umfasst die Möglichkeit, IoT Edge-Module auf Gateways bereitzustellen, die Daten von mehreren anderen lokalen Geräten aggregieren und verarbeiten. Bei nachgeschalteten Geräten kann es sich auch um IoT Edge-Geräte handeln, unabhängig davon, ob sie mit einem Gateway oder direkt mit der Cloud verbunden sind. Die IoT-Edge-Runtime kann auf zahlreichen verschiedenen Geräten ausgeführt werden. Dabei werden Eigenarten von Geräten so relativiert, dass Sie alles von kostengünstigen kleinen Geräten für leichte Verarbeitungsworkloads bis hin zu industrialisierten Servern für ressourcenintensive Edgeworkloads verwenden können.

Wie man Azure IoT Edge am besten in einer industriellen Umgebung mit flexibler Auswahl an Betriebssystemen einsetzt, präsentieren Microsoft-Experten in einem Hands-on-Roundtable auf der Hannover Messe 2019.

Vorteile der gemeinsamen Nutzung von Azure IoT Edge und Windows 10 IoT

Azure IoT Edge und Windows 10 IoT sind auf Zusammenarbeit ausgelegt und erleichtern die sichere Implementierung von KI auf Edge-Geräten mit minimalem Aufwand. Das gilt auch in Fällen, bei denen Konnektivität ein Problem darstellen könnte. Wir haben uns um die meisten Kleinigkeiten schon gekümmert, damit Sie sich auf Ihre geschäftlichen Anforderungen konzentrieren, bestehende Geschäftslogik wiederverwenden und je nach Bedarf Partner als Hilfe hinzuziehen können. Und nach der Bereitstellung Ihrer IoT-Lösung können Sie sich entspannt in dem Wissen zurücklehnen, dass Sie für die Software auf Ihren IoT-Geräten zehn Jahre lang Support von einer zentralen Stelle erhalten.

Sinnvolle Platzierung der IoT-Workload

Mit Azure IoT Edge und Windows 10 IoT haben Sie die Möglichkeit, KI und Analysefunktionen am Edge bereitzustellen, um Verarbeitung komplexer Ereignisse, Bilderkennung und andere hochwertige KI-Funktionen zu ermöglichen – und zwar nicht nur in Form vorgefertigter Azure-Dienste, sondern auch mit selbst geschriebenem Code. Dank der geringstmöglichen Latenz zwischen Datenerfassung und Ausgabe der gewünschten Erkenntnisse können Sie durch den Einsatz von KI am Edge wiederum leichter und nahezu in Echtzeit auf Ereignisse im direkten lokalen Umfeld des Edge-Geräts reagieren.

Die Kombination von IoT Edge und Windows 10 IoT ermöglicht außerdem den zuverlässigen Betrieb von IoT-Geräten in jeder Situation und ist daher ideal für Fälle geeignet, in denen IoT-Geräte offline betrieben werden oder Verbindungsprobleme haben. Die lokale Verarbeitung von Daten unterstützt des Weiteren die Verringerung von Kommunikationskosten, indem nur an die Cloud übermittelt wird, was dort auch wirklich weiter analysiert werden muss. Natürlich wird dadurch auch die Erfüllung potenzieller Anforderungen hinsichtlich Datenschutz und Datenhoheit ermöglicht.

IoT Edge und Windows 10 IoT bieten Ihnen außerdem die nötigen Tools, um Ihre intelligenten Edge-Geräte vor potenziellen Bedrohungen zu schützen, z. B. physische Manipulation oder Hacken der IP-Adresse. Einige dieser Funktionen werden vom IoT Edge-Dienst und der IoT Edge-Runtime bereitgestellt, etwa integrierte Mechanismen für Authentifizierung, Autorisierung und Integritätsnachweis. Andere Funktionen gehören zu Windows 10 IoT, z. B. Secure Boot, BitLocker, Device Guard, TPM-Unterstützung und Integritätsnachweis für Geräte*1. Sie sind darauf ausgelegt, zusammen verwendet zu werden. Außerdem können Sie sich darauf verlassen, dass Ihre Geräte dank des globalen Windows Update-Diensts sicherheitstechnisch auf dem neuesten Stand bleiben.

Vereinfachung des IoT für kürzere Produkteinführungszeit

Mit IoT Edge und Windows 10 IoT können Sie die Produkteinführungszeit verkürzen, indem Sie bestehende Entwicklerfähigkeiten und IT-Infrastrukturen nutzen. Durch die Nutzung desselben Programmiermodells, das Sie auch für andere Azure-Dienste einsetzen, vereinfachen Sie den Entwicklungsprozess. Dabei haben Sie die Möglichkeit, denselben Code in der Cloud und auf Edge-Geräten mit Windows 10 IoT auszuführen.

Bereits jetzt ist die Entwicklung von IoT Edge-Modulen in C#, .NET Core, .NET und C++ möglich. Python and Node.js werden in Kürze ebenfalls unterstützt, sie können also bald in diesen Sprachen verfasste Geschäftslogiken nutzen. Des Weiteren können Sie auf Ihren Edge-Geräten Azure-Dienste wie Azure Functions, Azure Stream Analytics, Custom Vision und Inferenzmodelle verwenden, die mit Azure Machine Learning trainiert wurden, damit sie nicht selbst so viel Code schreiben müssen. Auf jeden Fall haben Sie als Hilfe für den Einstieg Zugriff auf mehrere IoT Solution Accelerators von Microsoft.

Außerdem vereinfachen Sie IT-Vorgänge. Nach der Bereitstellung Ihrer IoT-Lösung verwalten Sie sie mithilfe derselben Tools, mit denen Sie Ihre Windows-basierten Server und Desktop-PCs verwalten. Und nicht zuletzt können Sie das umfassende Microsoft-Partnernetzwerk nutzen, um die Produkteinführungszeit zu reduzieren, indem Sie externe Ressourcen hinzuziehen, z. B. Berater, Softwareentwickler, Systemintegratoren und Microsoft-Hardwarepartner.

Unternehmensorientierter Support

Was den fortlaufenden Support angeht, sind Sie bei uns in guten Händen. Microsoft hat jahrelange Erfahrung in Bezug auf die Unterstützung eingebetteter Geräte für Unternehmen aller Größenordnungen, von Start-ups bis hin zu Fortune 100-Unternehmen. Sie müssen nicht mit unterschiedlichen Anbietern separate Supportvereinbarungen für Cloud und Geräte abschließen: Stattdessen genießen Sie denselben unternehmensorientierten Support von Microsoft, den Sie bereits für Ihre Server und PCs nutzen. Und was Geräte angeht, werden Sie nicht mit kurzen Supportlebenszyklen im Regen stehen gelassen, wie das bei manchen Geräteplattformen der Fall ist. Microsoft hat sich verpflichtet, für LTSC-Releases (Long-Term Servicing Channel) von Windows 10 IoT zehn Jahre lang Support zu leisten*. Dabei werden Sicherheitsupdates und Fehlerbehebungen auf dieselbe Art und Weise bereitgestellt wie Updates für Ihre Server und PCs: über unser stabiles, globales Windows Update-Netzwerk oder über Windows Server Update Services (WSUS*2).

Mit Azure IoT Edge und Windows 10 IoT platzieren Sie Ihre KI-Workloads so sinnvoll wie möglich – auch in Szenarien mit Offlinebetrieb oder Verbindungsproblemen. Somit können Sie sich darauf konzentrieren, was Ihre IoT-Lösungen tun müssen, anstatt darauf, wie sie es tun. Dabei können Sie sich entspannt in dem Wissen zurücklehnen, dass Ihre Lösungen stabil, geschützt und unterstützt sind – am Edge, in der Cloud und überall dazwischen.

Weitere Informationen

Azure IoT Edge: https://azure.microsoft.com/de-de/services/iot-edge/
Windows 10 IoT: https://www.microsoft.com/de-de/windowsforbusiness/windows-iot

Einstieg in die Entwicklung für Azure IoT Edge: https://docs.microsoft.com/de-de/azure/iot-edge/
Einstieg in die Entwicklung für Windows 10 IoT: https://docs.microsoft.com/de-de/windows/iot-core/

* 1 Einige Funktionen erfordern unter Umständen zusätzliche Dienstabonnements.

* 2 WSUS wird nur unter Windows 10 IoT Enterprise unterstützt.

Ergänzendes zum Thema
 
Solution Builder Roundtables auf der Hannover Messe 2019