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Digitale Vernetzung und Industrial IoT – Ein IoT-Projekt mit Abnahmekriterien übergeben

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Digitale Vernetzung und Industrial IoT – Ein IoT-Projekt mit Abnahmekriterien übergeben

Einleitung

Ausbildungskurs · ca. 90–120 Minuten · Industrial IoT · Datenqualität · Informationssicherheit · Qualitätssicherung

Dein Auftrag: Übergebe eine fiktive Temperaturüberwachung am Förderband A. Du prüfst Messwerte, Berechtigungen und den Betrieb anhand nachweisbarer Kriterien. Am Ende liegt ein lokaler Prüfbeleg vor.

Sicherheitsgrenze: Nur fiktive Daten und eigene lokale oder ausdrücklich autorisierte Testumgebungen. Keine echten Maschinen, fremden Netze, Zugangsdaten oder Kundendaten verwenden; keine Daten ungefragt übertragen. Der Python-Code besitzt keine Netzwerkfunktionen. Videos und externe iFrames sind optionale Drittangebote, nicht Teil des Offline-Labors.

Bildimpuls: Wo endet die physische Anlage, wo beginnt ihre Datenverarbeitung?

Lernziele und Ausbildungsfall

Nach dem Kurs kannst Du ein IoT-Datenpaket beschreiben, Qualitätsmängel erkennen, einfache Berechtigungsregeln lokal testen und eine Übergabe mit Entscheidung und Nachweisen dokumentieren.

Fall: An einem rein simulierten Förderband meldet ein Temperatursensor jede Minute einen Wert. Ein gedachter MQTT-Broker verteilt die Nachricht an ein Dashboard. Für ein Prüfzeitfenster werden zehn Messpunkte erwartet. Der angenommene plausible Temperaturbereich 0 bis 80 °C ist nur eine Festlegung dieses Ausbildungsfalls, kein Grenzwert für reale Anlagen.

Beobachte: Sensor, Übertragungsweg, Empfänger – an welchen Stellen können Fehler entstehen?

Lerneinheit 1: Vernetzung verstehen (10 Minuten)

IoT verbindet Geräte mit Datenverarbeitung. Beim Industrial IoT stehen industrielle Prozesse sowie Verfügbarkeit und Sicherheit im Vordergrund. MQTT nutzt Publish/Subscribe: Ein Client veröffentlicht eine Nachricht auf einem Topic; ein Broker verteilt sie an passende Abonnenten.

Bildauftrag: Identifiziere Publisher, Broker und Subscriber (Bildbeschriftung teils portugiesisch).

Vertiefung: HiveMQ erläutert MQTT-Grundbegriffe. Es wird keine Verbindung zu einem Broker aufgebaut.

Datenweg im Fall: Sensor → simulierte Nachricht → Prüfroutine → lokaler Bericht. Wichtig: MQTT-QoS bezieht sich auf die Nachrichtenzustellung, nicht auf die Richtigkeit des Sensorwerts. QoS 1 erlaubt doppelte Zustellungen; eine Anwendung muss nötigenfalls selbst Duplikate behandeln.

Achte auf das QoS-Feld im MQTT-Paket, nicht auf vermeintliche Messgenauigkeit.

Basis-Impuls: Erkläre, weshalb ein pünktlich zugestellter Messwert trotzdem falsch sein kann.

Lerneinheit 2: Datenqualität messen (15 Minuten)

Für diesen Kurs gilt: Ein Messwert ist gültig, wenn er vorhanden und zwischen 0 und 80 °C liegt. Eindeutig bedeutet: pro Minuten-Slot höchstens ein Datensatz. Zeitgerecht bedeutet: simulierte Übertragungsverzögerung höchstens 120 Sekunden. Zeitangaben werden mit ausdrücklich bezeichnetem UTC-Bezug dokumentiert.

**Visualisierte Probemessung (fiktiv, zehn Slots)**
Slot	00	01	02	03	04	05	06	07	08	09
Befund	OK	OK	OK	OK	fehlt	doppelt	OK	95 °C	fehlt	150 s spät

Gültig im Sinne von A1: 7 von 10 = 70 %. Die Dublette wird für die Quote nur einmal gewertet. Die verspätete, aber wertmäßig plausible Messung in Slot 09 zählt bei A1 mit und fällt gesondert unter A3.

A1 gültige Slots   ███████░░░  70 %   Ziel mindestens 90 %
A2 Dubletten       █           1      Ziel 0
A3 verspätet       █           1      Ziel 0

Denkfrage: Warum reichen zehn empfangene Datensätze nicht als Beweis für zehn vollständige Minuten?

Lerneinheit 3: Schutz und Berechtigungen (10 Minuten)

Die Schutzziele sind Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit. Bei einem realen, ausdrücklich genehmigten Einsatz wären etwa TLS, Authentisierung, eingeschränkte Rechte, Segmentierung und abgestimmte Wiederherstellungswege zu prüfen. In diesem Kurs testest Du nur eine lokale Rollenregel; sie ersetzt keine Sicherheitsprüfung einer Anlage.

Ordne zu: unberechtigtes Lesen, manipulierte Werte, ausgefallene Überwachung.

Rolle	Erlaubter Vorgang	Verbotener Vorgang
sensor	publish an training/foerderband/temperatur	publish an andere Topics
leser	subscribe auf training/foerderband/temperatur	publish auf dieses Topic

Ein Broker kann verschiedene Listener besitzen. Eine Zeichnung beweist keine sichere Konfiguration.

Optionales langes Fachvideo von HiveMQ: Für diesen Kurs insbesondere Abschnitte ab 13:00 zu Authentisierung und ab 30:29 zu Verschlüsselung. Herstellerinhalt, keine behauptete OER-Lizenz.

Prüffrage: Kann eine bestandene Rollen-Simulation einen TLS-Konfigurationsnachweis ersetzen? Begründe.

Lerneinheit 4: Isoliertes Python-Testlabor (25 Minuten)

Voraussetzung: Python 3, nur Standardbibliothek. Speichere den folgenden Code als iot_labor.py in einem eigenen Übungsordner. Ausgeführt wird ausschließlich in diesem Ordner; es werden nur lokale Dateien namens beleg_fehler.json bzw. beleg_korrekt.json geschrieben. Keine Installation, kein Broker, keine Internetverbindung und keine Zugangsdaten nötig.

# iot_labor.py: Nur fiktive Daten; keine Netzwerkverbindung.
import argparse
import json
from pathlib import Path

TOPIC = "training/foerderband/temperatur"
FEHLER = [(0, 41, 10), (1, 42, 8), (2, 43, 12),
          (3, 44, 9), (4, None, 15), (5, 45, 20),
          (5, 45, 20), (6, 46, 21), (7, 95, 23),
          (9, 47, 150)]
KORREKT = [(i, 40 + i, 10) for i in range(10)]

def darf(rolle, aktion, topic):
    return ((rolle == "sensor" and aktion == "publish" and topic == TOPIC)
            or (rolle == "leser" and aktion == "subscribe" and topic == TOPIC))

def pruefen(daten):
    erste = {}
    doppelte = 0
    for minute, wert, verzoegerung in daten:
        if minute in erste:
            doppelte += 1
        else:
            erste[minute] = (wert, verzoegerung)
    gueltig = sum(wert is not None and 0 <= wert <= 80
                  for wert, _ in erste.values())
    spaet = sum(verzoegerung > 120 for _, _, verzoegerung in daten)
    quote = gueltig / 10 * 100
    sicher = (darf("sensor", "publish", TOPIC)
              and darf("leser", "subscribe", TOPIC)
              and not darf("leser", "publish", TOPIC)
              and not darf("sensor", "publish", "fremdes/topic"))
    kriterien = {"A1_Datenquote": quote >= 90,
                 "A2_keine_Dubletten": doppelte == 0,
                 "A3_zeitgerecht": spaet == 0,
                 "A4_Testberechtigung": sicher}
    return erste, quote, doppelte, spaet, kriterien

def zeigen(fall, daten):
    erste, quote, doppelte, spaet, kriterien = pruefen(daten)
    print("Fiktives Förderband | 10 Minuten | °C | 0–80 zulässig")
    for minute in range(10):
        if minute not in erste or erste[minute][0] is None:
            bild = "FEHLT"
        else:
            wert, verzoegerung = erste[minute]
            if not 0 <= wert <= 80:
                bild = "UNGUELTIG"
            elif verzoegerung > 120:
                bild = "VERSPAETET"
            else:
                bild = "#" * (wert // 10)
        print(f"{minute:02d}: {bild}")
    print(f"Gueltig: {quote:.0f}% | Dubletten: {doppelte} | Spaet: {spaet}")
    for name, ok in kriterien.items():
        print(f"{name}: {'BESTANDEN' if ok else 'NICHT BESTANDEN'}")
    beleg = {"projekt": "Förderband A (Simulation)", "version": "1.0",
             "fall": fall, "zeitfenster": "2026-01-01T12:00:00Z/10min",
             "pruefer": "Azubi im lokalen Testlabor",
             "messwerte": {"gueltig_prozent": quote,
                           "dubletten": doppelte, "spaet": spaet},
             "kriterien": kriterien,
             "entscheidung": ("Labortests bestanden; Freigabe offen"
                             if all(kriterien.values()) else "Nacharbeit erforderlich")}
    ziel = Path("beleg_" + fall + ".json")
    ziel.write_text(json.dumps(beleg, ensure_ascii=False, indent=2),
                    encoding="utf-8")
    print("Lokaler Prüfbeleg:", ziel)

if __name__ == "__main__":
    parser = argparse.ArgumentParser()
    parser.add_argument("--fall", choices=["fehler", "korrekt"],
                        default="fehler")
    parser.add_argument("--interaktiv", action="store_true")
    parser.add_argument("--selbsttest", action="store_true")
    args = parser.parse_args()
    if args.selbsttest:
        assert not all(pruefen(FEHLER)[-1].values())
        assert all(pruefen(KORREKT)[-1].values())
        assert not darf("leser", "publish", TOPIC)
        print("3 lokale Selbsttests bestanden")
    else:
        fall = args.fall
        if args.interaktiv:
            eingabe = input("Fall wählen: f = fehler, k = korrekt: ").strip()
            fall = "korrekt" if eingabe.lower() == "k" else "fehler"
        zeigen(fall, KORREKT if fall == "korrekt" else FEHLER)

Aufrufe im Terminal (lokal):

python iot_labor.py --selbsttest
python iot_labor.py --fall fehler
python iot_labor.py --fall korrekt
python iot_labor.py --interaktiv

Erwarteter Befund: Fehlerfall: 70 %, eine Dublette, eine verspätete Meldung; A1–A3 nicht bestanden, A4 bestanden. Korrekt-Fall: A1–A4 bestanden. Die JSON-Datei enthält Prüferrolle, Version, Fall, Zahlen und Entscheidung. Ein bestandener Labortest ist keine Freigabe einer realen Anlage.

Gestufte Hilfen zum Labor

Hilfe 1 – Frage ansehen

Welche Minuten fehlen? Wo sind Messwerte ungültig? Welche Zeile erscheint zweimal?

Hilfe 2 – Vorgehen ansehen

Zähle für A1 nur unterschiedliche Minuten mit Wert von 0 bis 80 °C. Prüfe für A3 die simulierte Verzögerung separat. Verwende zuerst den Selbsttest.

Hilfe 3 – Musterlösung ansehen

A1 = 7 / 10 = 70 %; A2 = 1 Dublette in Minute 05; A3 = 1 verspätete Meldung in Minute 09; A4 = bestandener lokaler Rollentest. Nacharbeit statt Abnahme.

Lerneinheit 5: Abnahme und Übergabe (15 Minuten)

Abnahmekriterien werden vor dem Test vereinbart, messbar formuliert und mit Belegen geprüft. Die folgenden Schwellen sind Lernfall-Vereinbarungen, keine allgemeinen Normvorgaben.

ID	Abnahmekriterium	Nachweis	Fehlerfall
A1	Mindestens 90 % der erwarteten Slots mit gültigem Wert	Skriptausgabe und JSON	Nicht bestanden: 70 %
A2	Keine doppelten Minuten-Slots	Dublettenzähler	Nicht bestanden: 1
A3	Keine Verzögerung über 120 s	Verzögerungsprüfung	Nicht bestanden: 1
A4	Lokale Rollenregel lässt erlaubte Aktionen zu und sperrt verbotene	Positive und negative Selbsttests	Bestanden, nur Simulation
A5	Übergabedokument enthält Version, Zuständigkeit, Ergebnisse, offene Punkte, Betriebs- und Sicherheitskonzept	Manuelle Sichtprüfung und Gegenzeichnung	Noch offen

Entscheidungsregel: Gesamtfreigabe nur bei erfüllten A1–A5, abgestimmter Sicherheitsprüfung und autorisierter Freigabe. Offene oder fehlende Belege bedeuten: keine Gesamtfreigabe.

Planen → testen → beurteilen → nacharbeiten. Wo steht das Abnahmeprotokoll im Regelkreis?

Mini-Übergabeprotokoll zum Ausfüllen:

Feld	Dokumentation im Ausbildungsfall
Projekt / Version	Förderband A, Simulation / 1.0
Geprüfte Umgebung	Offline-Test mit fiktiven Daten
Ist-Ergebnis	A1 70 %, A2 1, A3 1, A4 bestanden, A5 offen
Offene Maßnahmen	Messlücke, Dublette, Wertebereich und Verzögerung beheben; Dokumente prüfen
Betrieb	Zuständigkeit, Alarmweg, Rückfallplan und Prüfintervall vor realem Einsatz festlegen
Entscheidung	Nicht abgenommen; Nachtest und fachliche Gegenzeichnung erforderlich

Kurzes FAQ-Video von HiveMQ: Wiederhole Broker, Client, Topic und Sicherheitsgrundlagen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aufgabe erfüllt ein MQTT-Broker? (Er vermittelt Nachrichten an passende Abonnenten) (!Er misst selbst die Temperatur) (!Er garantiert richtige Sensorwerte) (!Er ersetzt die Anlagenfreigabe)

Was bezeichnet ein MQTT-Topic? (Einen benannten Nachrichtenkanal) (!Den geheimen Zugangscode) (!Den Temperaturfühler) (!Die Sensor-Kalibrierung)

Was garantiert MQTT-QoS 1 bei der Zustellung? (Mindestens einmalige Zustellung auf dem jeweiligen Übertragungsweg) (!Immer fehlerfreie Messwerte) (!Niemals doppelte Nachrichten) (!Automatisch verschlüsselte Daten)

Wie viele gültige eindeutige Minuten enthält der Fehlerfall? (Sieben von zehn) (!Zehn von zehn) (!Neun von zehn) (!Drei von zehn)

Warum wird Minute 07 nicht als gültig gezählt? (Der Wert liegt außerhalb des festgelegten Bereichs) (!Die Minute ist doppelt) (!Die Zeitangabe fehlt) (!Ein Broker ist nicht erreichbar)

Wozu dient TLS bei einer geeigneten Konfiguration? (Zum Schutz der Kommunikation) (!Zur Kalibrierung von Sensoren) (!Zum Entfernen aller Dubletten) (!Zum Nachweis der Temperaturgenauigkeit)

Welche Aktion muss die simulierte Rolle leser verweigern? (Publish auf das Temperaturtopic) (!Subscribe auf das Temperaturtopic) (!Lokales Auswerten eines Prüfbelegs) (!Lesen eines fiktiven Diagramms)

Was gehört zu einem guten Abnahmekriterium? (Ein prüfbarer Sollwert mit Nachweis) (!Eine ungeprüfte Vermutung) (!Eine rein werbliche Zusage) (!Ein unbestimmtes Gefühl)

Was bedeutet ein vollständig bestandener lokaler Labortest? (Die Simulation hat die getesteten Bedingungen erfüllt) (!Die reale Anlage ist automatisch freigegeben) (!Eine Sicherheitsprüfung wird überflüssig) (!Die Netzwerksegmentierung ist nachgewiesen)

Was ist bei offenen Abnahmebelegen die richtige Entscheidung? (Keine Gesamtfreigabe und Nacharbeit dokumentieren) (!Fehlende Werte im Protokoll verbergen) (!Die Daten ohne Zustimmung veröffentlichen) (!Produktionszugänge für Testzwecke verwenden)

Memory

Sensor	Erfasst einen physikalischen Messwert
Broker	Verteilt Nachrichten nach Topics
Subscriber	Empfängt abonnierte Nachrichten
Dublette	Wiederholter Minuten-Slot
Validität	Erfüllung des festgelegten Wertebereichs
Prüfbeleg	Dokumentierter Testnachweis

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Bedeutung im Ausbildungsprojekt
Vollständigkeit	Erwartete Minuten sind durch Werte abgedeckt
Zeitgerechtigkeit	Nachrichten erfüllen die vereinbarte Verzögerungsgrenze
Autorisierung	Rechte beschränken mögliche Aktionen
Nachtest	Geänderte Lösung wird erneut geprüft
Gegenzeichnung	Zuständige Person bestätigt die Prüfung

Kreuzworträtsel

Broker	Wie heißt die MQTT-Vermittlungsstelle?
Sensor	Was erfasst den Temperaturwert?
Topic	Wie heißt der benannte MQTT-Nachrichtenkanal?
Dublette	Wie heißt ein doppelt auftretender Minuten-Slot?
Protokoll	Worin werden Prüfung und Entscheidung dokumentiert?
Abnahme	Wie heißt die formale Prüfung gegen vereinbarte Kriterien?

LearningApps

Externe Suchansicht: Die angezeigten Übungen sind Fremdinhalte und müssen vor dem Einsatz geprüft werden.

Lückentext

Im Industrial IoT werden Geräte und Datenverarbeitung digital

.

MQTT verwendet das Kommunikationsmuster

.

Eine zentrale Vermittlungsstelle in MQTT heißt

.

Ein benannter Nachrichtenkanal heißt

.

Die Qualität eines Messwertes wird nicht durch MQTT-

garantiert.

Im Beispiel werden zehn Messwerte im Minutentakt

.

Der festgelegte Temperaturhöchstwert beträgt

Grad Celsius.

Im Fehlerfall beträgt die Quote gültiger Minuten

Prozent.

Eine doppelte Minutenangabe heißt

.

Nicht erfüllte Kriterien führen zunächst zu

.

Die dokumentierte Prüfung wird als

aufbewahrt.

Vor einer Gesamtfreigabe fehlen gegebenenfalls Sicherheits- und

.

Offene Aufgaben

Bearbeite alle zwölf Aufgaben. Basis (leicht), Anwendung (Standard), Transfer (schwer) bauen aufeinander auf. Nutze nur das Offline-Labor.

Leicht – Basis

Sensor: Zeichne den Weg Sensor → Nachricht → Broker → Auswertung mit fünf Beschriftungen.
Datenqualität: Markiere im fiktiven Tabellenbild drei verschiedene Fehlertypen und benenne sie.
MQTT: Erläutere mit eigenen Worten den Unterschied zwischen Topic und Messwert.
Abnahmekriterium: Formuliere einen messbaren Sollwert für vollständige Minuten-Daten.

Standard – Anwendung

Python: Führe beide Laborfälle und die Selbsttests lokal aus; dokumentiere die vier Ergebnisse.
Datenvisualisierung: Erstelle aus den Ergebnissen ein eigenes Säulendiagramm für Datenquote, Dubletten und verspätete Meldungen.
Zugriffskontrolle: Ergänze im eigenen Testordner einen negativen Rollen-Test, der einen unzulässigen Topic-Namen zurückweist.
Dokumentation: Vervollständige das Übergabeprotokoll einschließlich Zuständigkeit und konkreter Nacharbeit.

Schwer – Transfer

Qualitätssicherung: Verändere nur fiktive Messwerte so, dass A1 erfüllt, A3 aber verletzt wird; erkläre die getrennten Befunde.
Risikoanalyse: Erstelle eine Risiko-Matrix für manipulierte Messwerte, Datenlücken und unberechtigte Veröffentlichungen.
IT-Sicherheit: Konzipiere eine dokumentierbare Sicherheitsprüfung für einen späteren ausdrücklich autorisierten Betrieb, ohne sie an realen Systemen auszuführen.
Projektübergabe: Führe ein Rollenspiel mit Abnehmenden durch, begründe die Nichtfreigabe und plane einen Nachtest.

Begründetes Feedback für Basis, Anwendung und Transfer

Basis: (1) Der Datenweg ist korrekt, wenn Broker und Sensor verschiedene Funktionen haben. (2) Fehlende, doppelte und unplausible Werte erfordern unterschiedliche Korrekturen. (3) Das Topic benennt den Kanal, nicht den Inhalt. (4) „Mindestens neun von zehn gültige Slots“ ist überprüfbar; „gute Daten“ nicht.

Anwendung: (5) Ein reproduzierbarer Selbsttest macht Aussagen nachvollziehbar. (6) Ein Diagramm muss Einheiten und Sollgrenzen zeigen, sonst kann es irreführen. (7) Ein positiver Rechte-Test allein übersieht verbotene Aktionen. (8) Ohne Verantwortliche und Nachtermin bleibt eine Übergabe unvollständig.

Transfer: (9) A1 und A3 messen verschiedene Eigenschaften; ihr Widerspruch ist möglich. (10) Ein Risiko braucht Eintrittsszenario, Wirkung und Gegenmaßnahme. (11) Offline-Rollentests belegen weder TLS noch OT-Segmentierung. (12) Ein Nein zur Abnahme ist fachlich richtig, wenn kritische Kriterien nicht erfüllt sind.

Lernkontrolle

Fehleranalyse: Ein Dashboard zeigt zehn Nachrichten. Begründe, warum trotzdem die Datenquote unter 100 % liegen kann und welche Zusatzinformationen Du benötigst.
Qualitätsmanagement: Eine Messreihe erreicht 100 % gültige Werte, enthält aber eine Verzögerung von fünf Minuten. Entscheide anhand A1 und A3 über die Abnahme.
Informationssicherheit: Der Leser-Zugang kann unerwartet veröffentlichen. Beschreibe die Folgen für Integrität und Betrieb und formuliere einen Testnachweis.
Projektmanagement: Entwirf einen minimalen Maßnahmenplan mit Verantwortlichen, Priorität, Frist, Nachtest und Freigabeentscheidung.
Transferleistung: Übertrage die Abnahmekriterien auf einen fiktiven Vibrationssensor. Begründe, welche Grenzen beibehalten und welche neu vereinbart werden müssen.
Kommunikation: Erkläre einer nichttechnischen abnehmenden Person, warum ein grüner Labortest keine Freigabe einer Produktionsanlage bedeutet.

Lernnachweis

Abzugeben sind: eigenes Datenflussbild, lokale Skriptausgabe beider Testfälle, die erzeugten JSON-Prüfbelege, Diagramm mit Soll-Ist-Vergleich, schriftlich begründete A1–A5-Entscheidung, Rollen- und Sicherheitskonzept für eine ausschließlich gedachte spätere Installation sowie ein Übergabeprotokoll mit offenen Punkten und Verantwortlichkeiten.

Bewertung: 30 % Datenqualität und nachvollziehbare Rechnung, 25 % reproduzierbarer lokaler Test, 20 % Sicherheitsverständnis, 25 % Dokumentation und begründete Freigabeentscheidung. Keine externen Medien oder fremden Daten im Lernnachweis.

OERs zum Thema

Fachquellen (geprüft): OASIS: MQTT 5.0, Standard (2019) · NIST SP 800-82 Rev. 3: OT Security (2023) · ISO/IEC 25012: Datenqualitätsmodell · OPC Foundation: Security Model.

Medien und Nutzungsrechte

Wikimedia Commons (Dateiseiten enthalten Lizenzdetails und Urhebernennung):
Automatisierungspyramide – 17387349L8764, CC0.
Sensornetz – Michel Bakni, CC BY-SA 4.0.
MQTT-Architektur – Ana beloti, CC BY-SA 4.0.
MQTT-Paket – Blacktron, CC BY-SA 4.0.
Schutzziele – Michel Bakni, Bearbeitung Hohum, CC BY-SA 4.0.
Broker-Listener – Ademant, CC BY-SA 4.0.
PDCA-Kreis – Sven mit Benji und Markus Bärlocher, CC BY-SA 3.0.

YouTube: Die drei eingebetteten Videos stammen nach Anbieterangabe von HiveMQ. Ihre öffentliche Abrufbarkeit bedeutet keine nachgewiesene offene Bearbeitungs- oder Weiterverbreitungslizenz. Nur Einbettung/Verlinkung, keine Übernahme oder Bearbeitung. Bei der Nutzung von Drittangeboten gelten deren Datenschutzbedingungen; das Offline-Labor funktioniert ohne sie.