Data Connectivity als wichtiger Schlüssel zu erfolgreicher Innovation

Insights

April 2022 – Software Engineering & Informationstechnologie

Das Zusammenspiel von mehreren Systemen durch zielgerichtetes Verarbeiten und Austauschen von Daten eröffnet neue Möglichkeiten, die ein einzelnes isoliertes System nicht bieten kann. Diese Datenkonnektivität (data connectivity) spielt für Innovationen eine immer wichtigere Rolle. Insbesondere für mobile Applikationen kann sie einen besonderen Mehrwert darstellen. Die Konzeption und Umsetzung geeigneter Connectivity-Lösungen braucht Erfahrung, auf welche Helbling aus vielen unterschiedlichen Projekten zurückgreifen kann.

Der vertraute Ton des Smartphone-Weckers läutet den Beginn des Tages ein und die ersten Benachrichtigungen treffen ein. Wie ist das Wetter heute? Schnell noch das Essen vorbereiten, pünktlich zum Arbeitsende soll dieses fertig sein. Am Bahnhof den Kaffee mit dem Smartphone bezahlen und, dank dem Vorweisen der App mit Treue-Punkten, noch ein gratis Produkt auswählen. Unterwegs im ÖV mit den verbundenen Bluetooth-Kopfhörern die täglichen Nachrichten streamen und durch die Portale der sozialen Medien und der News browsen.

Dabei sind selbst komplexere Anwendungen längst keine Zukunftsmusik mehr. Etwa wenn der Arbeitstag länger ist als gedacht, können schnell mit der App die Koch-Einstellungen geändert werden. Helbling hat aktuell im Auftrag des auf Kochgeschirr spezialisierten Unternehmens AMC die mobile App „AMC Cook & Go“ entwickelt. Mithilfe einer Connectivity-Lösung ermöglicht sie dem Nutzer, das AMC-Kochsystem lokal und remote zu bedienen (Abbildung 1). Eine Vielzahl weiterer Helbling Projekte beschäftigen sich mit der Vernetzung verschiedener intelligenter Geräte wie etwa Kaffeemaschinen (Abbildung 2).

All diese Anwendungen müssen so leicht wie möglich zu bedienen sein, obwohl dahinter umfangreiche Data-Connectivity-Lösungen stehen. Eine Herausforderung, der sich Helbling in den letzten Jahren für Kunden aus ganz unterschiedlichen Bereichen gestellt hat. Denn der Data-Connectivity-Trend betrifft nahezu alle Branchen und die Anwendungsgebiete sind fast grenzenlos. Auch aus der Medizintechnik ist dies unter Beachtung der regulatorischen Vorgaben und Einhaltung der hohen Anforderungen hinsichtlich Privacy und Security nicht mehr wegzudenken. Helbling vereint Erfahrungen aus verschiedenen Branchen in seinen Teams, was bei Data-Connectivity-Projekten zum entscheidenden Vorteil wird.

Abbildung 1: Im Auftrag von AMC hat Helbling die mobile App „AMC Cook & Go“ entwickelt, die es dem Nutzer ermöglicht, das AMC Kochsystem auf benutzerfreundliche Art und Weise lokal und remote zu bedienen. Bild: Helbling

Abbildung 2: Vernetzte Kaffeemaschinen, digitale Zwillinge, bieten eine Anbindung an das Backendsystem und an die auf unterschiedliche Stakeholder zugeschnittenen User Interfaces. Bild: Helbling

Das Smartphone dient als zentrale Kommunikationsschnittstelle

Das Smartphone ist bei all diesen Anwendungen ein wichtiger Dreh- und Angelpunkt. Es besitzt die Fähigkeit, geschickt und intelligent mit anderen Geräten Daten zu verarbeiten und auszutauschen. Durch die Verbindung des Smartphones zum WLAN oder direkt zum Internet wird die Kommunikation mit zahlreichen Datenquellen und Kommunikationsgeräten ermöglicht, auch wenn diese weit voneinander entfernt sind. Das Verbinden und Ansteuern von weiterem Zubehör via Bluetooth (BLE) oder Nahfeldkommunikation (NFC) ermöglicht es zudem, Geräte kabellos über kurze Distanzen zu verbinden. Die begrenzte Reichweite dieser Verbindungen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sensitive Daten wie Zahlungsinformationen über NFC oder Audiodaten über BLE übertragen werden.

Abbildung 3: Intelligent vernetzte Implantate sind keine Zukunftsvision mehr. Das remote-Monitoring kritischer medizinischer Daten bietet die Basis für mehr Sicherheit für den Patienten. Bild: Helbling

Nebst den Kommunikationsschnittstellen beinhaltet ein Smartphone auch eine Fülle an anderen Komponenten, die das Erfassen, das Verarbeiten und die Ausgabe (EVA) von Daten auf intelligente Art und Weise ermöglichen (siehe Abbildung 4).

Abbildung 4: Gelistete Komponenten eines typischen Smartphones für Eingabe (Sensors/Communication), Verarbeitung (Processing) und Ausgabe (Actuators/Communication) Bild: Helbling

Das beim Smartphone beschriebene Prinzip der Eingabe-Verarbeitung-Ausgabe (EVA) findet sich in unterschiedlicher Ausprägung bei unzähligen Geräten wieder: in Smart Home Systemen für die Lichtsteuerung, BLE Kopfhörern, QR-Code-Lesern, Kassensystemen, RFID-Lesern bei der Mehrwegbecher-Rückgabestelle und diversen Cloud-Services.

Durch die Datenkonnektivität der einzelnen Systeme entsteht der Mehrwert, dass die Systeme nicht nur einzeln, sondern vielmehr als Teil eines grösseren Ökosystems verwendet werden können.

Geht es um die Konzeption neuer Lösungen, lässt sich ergänzend zu Smartphones repräsentativ mit Single-Board Computern arbeiten.

Abbildung 5: Raspberry Pi als repräsentatives Beispiel für ein Gerät innerhalb eines Netzwerks. Gelistet sind die entsprechenden Komponenten für Eingabe (Sensors/Communication), Verarbeitung (Processing) und Ausgabe (Actuators/Communication). Bild: Helbling

Als günstiger «Einplatinencomputer» eignet sich das Raspberry Pi aufgrund des enthaltenen Funktionsumfangs und des Supports durch eine grosse Community ideal zum schnellen Erstellen von Prototypen, zum sogenannten Rapid Prototyping, von intelligenten Geräten zur Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe von Daten. Dabei liegt bei Raspberry Pi im Vergleich zum Smartphone der Fokus deutlich stärker auf den digitalen Kommunikationsschnittstellen als auf der menschlichen Interaktion (siehe Abbildung 5).

Teilsysteme werden durch Datenkonnektivität zu smarten Systemen

Data Connectivity erlaubt es, Daten zwischen einzelnen Systemen auszutauschen, um diese systemübergreifend im gemeinsamen Netzwerk zu nutzen.

Abbildung 6: Ökosystem von verbundenen intelligenten (smarten) Geräten, lokal und via Cloud. Bild: Helbling

 

In Abbildung 6 sind lokale und Cloud-Verbindungen von Systemen innerhalb eines Netzwerks illustriert. Spezielle Bedeutung hat dabei der Einsatz von Internet of Things (IoT) Geräten, welche über das Internet mit Cloud-Services miteinander verbunden sind. Hierdurch können Daten ausgetauscht und verarbeitet werden, auch wenn die einzelnen Systeme weit voneinander entfernt sind. Amazon Web Services (AWS), Microsoft Azure oder Google Cloud Platform (GCP) sind etablierte Cloud-Plattformen, die von Helbling für Business-Lösungen bereits verwendet wurden.

Diese zielgerichtete Verbindung von Teilsystemen schafft smarte Systeme, die mithilfe daten-basierter Abläufe, Einblicke oder Entscheidungen den Alltag erleichtern können.

Abbildung 7: Helbling Software-Dienstleistungen im Bereich Smart Factory, Smart Insights, Smart Product Service Systems und Data Analytic. Bild: Helbling

Erfolgsfaktoren für die Umsetzung von Data-Connectivity-Projekten

Wichtig: Vor der Technik kommen die Anforderungen und das Nutzerversprechen. Erst wenn diese fundiert verifiziert sind, erarbeiten und testen Helbling-Experten technische Lösungskonzepte. Es hat sich im Rahmen von Use Cases, im Usability Engineering und in der Entwicklung mobiler oder Cloud-basierter Anwendungen gezeigt, dass es sich lohnt, besonderes Augenmerk auf die folgenden Aspekte zu legen:

  • Nutzerorientierte Systemarchitektur

Das System und seine Schnittstellen sollten basierend auf den angestrebten Anwendungsfällen (use cases) und dem angestrebten Kundenwert (customer value) optimiert werden. Die anzustrebende gute Benutzerfreundlichkeit spielt dabei eine zentrale Rolle. Workshops sind in einer frühen Projektphase hilfreich, um den Projektumfang und das Lösungskonzept gemäss der Kundenbedürfnisse zu definieren. Wichtig ist, dass die angestrebten Zielgruppen und deren Anwendungsfälle systematisch erfasst und beschrieben werden. Unterschiedliche Anwendungsperspektiven und mögliche Fehlerfälle müssen betrachtet und berücksichtigt werden.

  • Datenstruktur, Datenfluss und Kommunikationskonzept

Beim Speichern, Verarbeiten und Austauschen von Daten sollte die Struktur der Daten so definiert werden, dass die gewünschten Daten möglichst effizient gehandhabt werden können. Basierend auf den verschiedenen Anwendungsszenarien muss festgelegt werden, welche Daten wann zwischen den einzelnen Systemen fliessen und welche Fehlerfälle auftreten können. Helbling arbeitet dabei mit Fragen- und Checklisten. Hier einige Beispiele relevanter Fragestellungen:

  • Welche Daten werden wo erzeugt, verarbeitet und wie werden diese übertragen?
  • Welche Datenmengen sind zu erwarten?
  • Was geschieht, wenn eine Kommunikationsschnittstelle (temporär) nicht verfügbar ist?
  • Welche Performance- und Ausfallsicherheit muss gewährleistet werden?
  • Welche Kommunikationstechnologien und Protokolle eignen sich für die geforderten Zwecke?
  • Können Standard-Protokolle verwendet werden oder wird eine Eigenentwicklung benötigt?

 

  • Datensicherheit und Datenschutz

Mithilfe der Bedrohungsmodellierung (threat modeling) wird systematisch identifiziert, welche kritischen Daten vorhanden sind und welche unerwünschten Konsequenzen ein unerwünschter Zugriff oder Angriff auf diese Daten hätte. Basierend auf den Angriffsmöglichkeiten und Sicherheitsrisiken wird ein Abwehrkonzept (defense concept) ausgearbeitet. Nebst der Datensicherheit muss auch der Datenschutz gemäss geltender Richtlinien sichergestellt werden: Security & Privacy by Design.

  • Unterstützte Geräte und Software-Versionen

Die Auswahl der zu unterstützenden Geräte hat massgeblichen Einfluss auf die Komplexität der Software und auf den erwarteten Aufwand für deren Erstellung. Dabei geht es auch um unterschiedliche Software-Version und das Durchführen von Software-Updates im Feld sowie das Sicherstellen einer Rückwärtskompatibilität. Eine Einschränkung der zu unterstützenden Geräte ist insbesondere für zulassungsrelevante Geräte relevant.

  • Mobile Software-Technologie und Cloud-Anbieter

Bei der Auswahl der Software-Technologie und des Cloud-Anbieters muss verifiziert werden, dass die Anforderungen erfüllt werden können. Die Betrachtung der unterschiedlichen Betriebssysteme und möglicher technischer Lösungen (nativer versus plattform-übergreifender) sind relevant. Auch bei der Auswahl eines Cloud Anbieters müssen verschiedene Aspekte wie die angebotenen Services oder die weltweiten Standorte betrachtet werden.

Zusammenfassung: Datenkonnektivität bietet Innovationspotential für alle Branchen

Das Potential von verfügbaren Daten ist noch lange nicht ausgeschöpft. Die Wichtigkeit und Präsenz von Cloud-basierten Lösungen werden in naher Zukunft noch weiter zunehmen. Mit der fundierten Erfahrung in der Entwicklung von mobilen und Cloud-basierten Anwendungen kann Helbling bei der Konzeptionierung und Umsetzung von entsprechenden Connectivity-Lösungen kompetent unterstützen.

 

Erfolgreiche Helbling Projektbeispiele:

Kochen mit AMC wird noch einfacher dank der AMC Cook & Go App
https://www.helbling.ch/reference/smart-home/

Mobile App für Service Techniker
https://www.helbling.ch/reference/mobile-app-for-service-technician/

Produktvision „Connected Water“ für Wasserspender
https://www.helbling.ch/reference/product-vision-connected-water-for-water-dispensers/

Fernzugriff auf eine Einbruchsmeldeanlage
https://www.helbling.ch/reference/remote-access-to-intrusion-alarm-system/

Cloud Applikation – Industrie 4.0 / IoT
https://www.helbling.ch/reference/cloud-applikation-industrie-4-0-iot/

Gutes Klima aus der Wolke
https://www.helbling.ch/reference/perfect-climate-from-the-cloud/

Smarte Kaffeemaschinen «Prodigio» und «U»
https://www.helbling.ch/reference/prodigio-and-u-coffee-makers/

Intelligente Ventile für die Gebäudetechnik
https://www.helbling.ch/reference/intelligent-valves-for-heating-in-buildings/

Software für Brandmeldetechnik
https://www.helbling.ch/reference/software-for-fire-detection-technology/

 

Autoren: Berthold Andris, Manuel Wittwer