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»Industrie 4.0«: Drahtlose Kommunikation, Lokalisierung und RFID als Basistechnologien
René Dünkler
Quelle: Fotolia.de
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GLIEDERUNG
� Begriffsverständnis Industrie 4.0
� Relevante Industrie 4.0 Basistechnologien
� RFID
� Drahtlose Kommunikation
� Lokalisierung
� Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Fraunhofer IIS
� Fazit
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BegriffsverständnisIndustrie 4.0 im historischen Kontext
1. Industrielle Revolutiondurch Einführung mechanischer Produktionsanlagen mit Hilfe von Wasser- und Dampfkraft
2. Industrielle Revolutiondurch Einführung arbeitsteiligerMassenproduktion mit Hilfevon elektrischer Energie
3. Industrielle Revolutiondurch Einsatz von Elektronikund IT zur weiteren Automatisierung der Produktion
4. Industrielle Revolutionauf der Basis von Cyber-Physischen Systemen, Vernetzung Produkt, Maschinen
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Kom
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Ende 18. Jhdt.
Beginn 20. Jhdt.
Beginn70er Jahre 20. Jhdt.
Heute
Quelle: In Anlehnung an Schlick, Jochen; Stephan, Peter; Zühlke, Detlef: Produktion
2020 – Auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution. In: IM – Fachzeitschrift für
Information Management und Consulting 27 (2012), Ausgabe 3, S. 26-33.
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BegriffsverständnisRelevante Industrie 4.0 Basistechnologien
� Radiofrequenzidentifikation (RFID)
� Near-Field Communication (NFC)
� Klassische »Data Logger«
� Echtzeitlokalisierungssysteme
� (Sichere) Drahtlose Kommunikation
� Komplexe Telematik
� Vernetzte Sensoren
� Sichere Funkkommunikation
� Cyber-physische Systeme
� Cloud Computing
� Big Data Analytics
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BegriffsverständnisRelevante Industrie 4.0 Basistechnologien
� Radiofrequenzidentifikation (RFID)
� Near-Field Communication (NFC)
� Klassische »Data Logger«
� Echtzeitlokalisierungssysteme
� (Sichere) Drahtlose Kommunikation
� Komplexe Telematik
� Vernetzte Sensoren
� Sichere Funkkommunikation
� Cyber-physische Systeme
� Cloud Computing
� Big Data Analytics
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Industrie 4.0 Begriffsverständnis am Fraunhofer IIS
Unser Ziel ist es, die reale und digitale Welt miteinander durch Lokalisierungs-, drahtlose Vernetzungs- und Identifikationstechnologien zu verknüpfen und einen Echtzeit-Austausch in beide Richtungen zu realisieren.Durch diese Kopplung der realen und der digitalen Welt schaffen wir transparente Prozesse.
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BegriffsverständnisRelevante Industrie 4.0 Basistechnologien
Lokalisierung
Drahtlose Kommuni-
kation
RFID
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RFID
Lokalisierung
Drahtlose Kom-
munikation
RFID
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RFIDAnwendungsfelder und Kundennutzen
� Eigenschaften RFID
� Optimierte Pulkerfassung mittels RFID und intelligenter Antennen
� Kundennutzen
� Identifikation von Produkten und Personen im Industrie 4.0-Umfeld
� Vermeidung von teuren Rückrufaktionen
� Erleichterung des Vorort-Services im Maschinenbau
� Produktverfolgung, Genaue Zuordnung
� Anwendungsbeispiele
� Allgemein Produktion und Logistik
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RFIDRFID in Faserverbundwerkstoffen
� Eigenschaften
� Integration von RFID in Faserverbundwerkstoffen
� Glasfaserverbundwerkstoffe und Kohlefaserstoffe
� Drahtlose Anbindung von eingebetteter Sensorik; Drahtlose Energieübertragung in die Bauteile
� Vorteile, Kundennutzen
� Geringe Abmessungen
� Erfassung und Optimierung von Produktionsabläufen
� Anwendungsbeispiele
� Fertigungsprozesses von Faserverbundwerkstoffen
� Luftfahrt, Windräder
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RFIDRFID TAG auf Metall
� Eigenschaften
� Integration von RFID TAGs in Metall
� Kundennutzen
� Funktionalität auch innerhalb funktechnisch ungünstigen Umgebungen
� Unempfindlich gegenüber Störungen des Funksignals durch Reflektion an metallischen Gegenständen
� Zuverlässige und wirtschaftlich darstellbare Datenübertragung über die gesamte Lager-und Transportzeit hinweg
� Anwendungsbeispiel: Präzise Zuordnung von Bauteilen auf ihrem Produktionsweg
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Drahtlose Kommunikation
Lokalisierung
Drahtlose Kom-
munikation
RFID
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Drahtlose KommunikationDrahtlose Vernetzung eingebetteter Systeme s-net®
� Eigenschaften
� extrem stromsparendes Kommuni-kationsprotokoll für bidirektionale Multi-Hop-Übertragung
� Kundennutzen
� langlebige Funksysteme
� einfache Installation durch Selbst-organisation „hot plug and play“
� zusätzliche Erhebung & Aggregation von Umweltdaten durch Sensorik
� Anwendungsbeispiele
� Überwachung von z.B. Temperatur, Behälterfüllstand Q
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Drahtlose KommunikationAnwendungsbeispiel: Intelligenter Behälter
� Eigenschaften
� Drahtlose Vernetzung und Überwachung im gesamten Produktionsprozess sowie bei Lagerung und Transport mit s-net®
� Kundennutzen
� Erkennung von Menge/Füllstand über Sensorik, automatisierter Kanban
� Überwachung von Temperatur, Feuchtigkeit, Lage, usw.
� Reaktionsmöglichkeiten am Behälter (Prozesslogik, Assistenz Prozessstörung)
� „Mir ist zu warm!“� „Ich wurde vergessen!“� „Ich bin umgefallen!“
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Drahtlose KommunikationAnwendungsbeispiel: Prüfstände zur Qualitätssicherung
� Eigenschaften
� Für Prüfung am Linienende teilt Werkstückträger teilt Prüfstand drahtlos Prüfaufgabe, Abmessungen etc. mit
� Prüfstand sucht selbstständig nach geeigneten Prüfköpfen und aktiviert diese
� Drahtlose Kommunikation zwischen Prüfkopf und Prüfstand
� Vorteile, Kundennutzen
� Prüfstand passt sich der Prüfaufgabe selbständig an
� Dynamische Lastverteilung der Prüfstände
� Werkstück-individuelle JustierungQuelle: SYSTEC GmbH
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Drahtlose KommunikationAnwendungsbeispiel: Drahtloses Signalisierungssystem Pick-by-local-Light
� Eigenschaften
� s-net®-Technologie mit bidirektionaler Kommunikation vernetzt Signalisierungssystem an Behältern, Regalen und lokalisiert die Picker
� energieeffizientes s-net®-Protokoll ermöglicht batteriebetriebene Geräte ohne Stromschienen
� Vorteile, Kundennutzen
� Reduzierte Suchzeiten und Fehlervermeidung bei Kommissionier- und Montageprozessen
� Flexibles System ermöglicht mobile Regale, temporäre Aufbauten, schnelle Lagerumgestaltung
Gefördert durch AiF/BMWI
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Drahtlose KommunikationMIOTY – My wireless IoT
� Eigenschaften
� Bis zu 1 Mio. Sender gleichzeitig
� Reichweite von mehreren Kilometern
� 40 km Reichweite
� Robuste Übertragung durch Telegramsplitting
� Kundennutzen
� Übertragung von Sensordaten in großen Netzwerken
� Vernetzung von Personen und Dingen mit Hilfe von intelligenten Objekten
� Anwendungsbeispiele: Überwachung von Sensor-daten im industriellen Umfeld, große Anlagen
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I AM MIOTY
MIOTY Netzwerk für industrielleAnwendungen
Drahtlose KommunikationMIOTY für Industrie 4.0
� Die Bestandteile von MIOTY
� eine Vielzahl an kostengünstigenStandardsendern
� eine Telemetrieplattform
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Heute
Vorgänger-technologie: Implementierung in Smart-Meetering-Anwendungen
IoT -Telemetrie Link zwischenErlangen und Nürnberg
Integration in professionelle IoT –Anwen-dungen
Drahtlose KommunikationMIOTY Roadmap
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Drahtlose KommunikationBreitbandige Datenübertragung
� Eigenschaften
� Energieeffiziente Technologielösung
� Miniaturisierte Signalverarbeitungsplattform
� Integration von digitaler Signalverarbeitung und Hochgeschwindigkeits-D-A-Umsetzung
� Sendeanwendungen bis 2,7 GHz
� Kundennutzen
� Sichere Übertragung mit hoher Datenrate
� Anwendungsbeispiele
� Wartungen im industriellen Umfeld
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Lokalisierung
Lokalisierung
Drahtlose Kom-
munikation
RFID
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LokalisierungKundennutzen durch Ortungstechnologien
� Flexible Materialflusstechnik und Automatisierung
� Beschleunigtes Auffinden von Objekten
� Vermeidung von Suchaktionen und Prozessunterbrechung
� Automatisierung von Prozessschritten
� Verminderung von Fehlprozessierung
� Reduzierung von Handlingsprozessen
� Effiziente Steuerung von Prozessen
� Ressourcenersparnis
� Kosteneinsparungen
� Durchsatzerhöhung
� Transparenz in der Produktion und der Produktionsprozesse
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LokalisierungAnforderungen an die Lokalisierungstechnologien
� Kostengünstig bei hoher Zuverlässigkeit auch in heterogenen Umgebungen
� Koexistent zu etablierten Funktechnologien
� Leicht zu installieren, leicht zu bedienen
� Einmal installiert und kalibriert soll die Technologie aufwandfrei funktionieren
� Transparent zu den Produktionsprozessen (darf keine zusätzliche Arbeitsschritte einfügen)
� Geringer Wartungsaufwand, lange Batterielaufzeit
� Hohe Flexibilität, Kombination von verschiedenen Technologien
� Hybride Lokalisierungssysteme
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LokalisierungGrundprinzipien der Ortsbestimmung
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Infrastruktur-basierte
Funkortung
Infrastruktur-basierte
Funkortung RFIDRFID GNSSGNSS WLANWLAN WSNWSN
Ultraschall InfrarotFunk Sichtbares Licht
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Feldstärke-
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Nachbar-
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Winkel-
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Phasen-
messung
Inertial-
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Branchen / AnwendungenBranchen / Anwendungen
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LokalisierungGrundprinzipien der Ortsbestimmung
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Folie 25
rgs4 ICONS sind abgesägtAngela Raguse-Foessel; 24.06.2015
rgs5 fällt raus - einziges Adjektiv/AdverbAngela Raguse-Foessel; 24.06.2015
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LokalisierungAutarkes Monitoring und Tracking von Werkzeugen
� Qualitätssicherung in der Produktion, z.B. Zuordnung einer Verschraubung zu einem Werkstück und einer Position
� Erreichbar durch Kombination von Positionsdaten und Zustandsklassifikation
� Auf Basis von autarken, low-cost Sensoren: Beschleunigungen, Drehraten und Magnetfeld
� Ermittelt werden:
� Zurückgelegter Weg und Ausrichtung
� Zustände: Werkzeug in Ladestation, in Ruhe, in Bewegung, wird getragen, etc.
� Kombinierbar mit Funkortung
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LokalisierungBeispiele zur Ortsbestimmung: awiloc®
� Eigenschaften
� Basisstationen senden eindeutig identifizier-bare Signale aus und mobile Endgeräte empfangen diese Signale je nach Abstand mit unterschiedlichen Empfangsfeldstärken.
� Die Empfangsfeldstärken mehrerer Basisstationen ergeben an einer Position ein charakteristisches »Muster« daraus bestimmt der Lokalisierungsalgorithmus die Position
� Kundennutzen
� Robuste Lokalisierung im m-Bereich
� Anwendungsbeispiel
� Gabelstaplern, Kennzahlenermittlung Quelle: Fraunhofer IIS
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LokalisierungBlackFIR® – adaptive Ortungstechnologien
� Eigenschaften
� Version in 868 MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz
� Indoor / outdoor
� Positionsgenauigkeit 1 – 2 m
� Reichweite (outdoor) 100 – 300 m
� Technologie: AoA, RTT, Inertialsensorik
� Kundennutzen
� » Easy to install
� «Anpassbar an verschiedene Kommunikationsstandards
� Anwendungsbeispiel
� Ortung von Gabelstaplern in Produktion
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� Eigenschaften
� Ultra-Wideband-Systeme als robuste Funkortungstechnologie in anspruchsvollen Indoor-Umgebungen
� Basiert auf zeitlich kurzen Impulsen
� Vorteile, Kundennutzen
� Hohe Robustheit gegenüber Effekten der Mehrwegausbreitung
� Ungestörte Nutzung des Spektrums in Koexistenz mit anderen Funksystemen
� Implementierung vorhandener Chipsätze
� Anwendungsbeispiele
� Hohe Genauigkeiten für Produktion
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LokalisierungUWB Systeme
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LokalisierungBeispiel zur Ortsbestimmung: Sensorfusion
� Eigenschaften:
� Kombination von Sensorsignalen durch Schätzalgorithmen
� Einbindung von Zusatzinformationen wie Karten oder Datenbanken
� Vorteile und Kundennutzen:
� Erhöhung von Genauigkeit, Robustheit und Verfügbarkeit der Ortungslösung
� Anwenderorientierte Datenveredelung
� Anwendungsbeispiele:
� Ortung von Menschen, Fahrzeugen und Objekten inner- und außerhalb
Quelle: Fraunhofer IIS
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Lokalisierungs-net ® SmartTracking: Lokalisierung, Kommunikation, Sensorik und Anwendungslogik vereint
� Eigenschaften:
� s-net® SmartTracking vereint Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik mit lokaler Anwendungs-logik und Prozesswissen auf mobilen Plattformen
� Vorteile und Kundennutzen:
� durchgängige Digitalisierung von Prozessen und Wertschöpfungsketten
� Anwendungsbeispiele:
� Verfolgung von Transportbehältern, Lokalisierung von Baugruppen im Montageprozess
Quelle: Fraunhofer IIS
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LokalisierungBeispiele zur Ortsbestimmung: Arealüberwachung
� Eigenschaften
� Aufbau eines schwachmagnetischen Feldes
� Einbettung eines stromdurchflossenen Leiters an Boden, Türen oder Toren
� Ausstattung der Personen und Objekten mit intelligenten Transpondern
� Kundennutzen
� Abgrenzung und Kontrolle von Arealen mittels Geofencing, trennscharfe Detektion von Grenzüberschreitungen
� Anwendungsbeispiele
� Alarmauslösung bei Grenzüberschreitung
� Schutz von Mitarbeitern und Objekten
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LokalisierungAnwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: Staplerortung und Warenortung
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� Tracking von Flurförderfahrzeugen mit aktiver Ortungstechnologie
� Hohe Performance
� Sensorfusion von unterschiedlichen Ortungstechnologien
� Zuverlässig und robust
� Warenortung mit passiven UHF RFID-TAGs
� Nutzung kostengünstiger standardisierter passiver UHF RFID-TAGS
� Kein Batteriewechsel notwendig
� Waren/Paletten zum Teil ab Werk getagged
� Reichweite <10 Meter
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LokalisierungAnwendungsbeispiel für Hybride Lokalisierungs-systeme: SELECT
� Eigenschaften
� Integration von Identifikations und präziser Lokalisierungsfunktionen
� Lokalisierung in Echtzeit im cm-Bereich
� Identifikation, Lokalisierung und Nachverfolgung von Produkten in Logistik und Industrie 4.0
� Kundennutzen
� Lange Batterielebensdauer durch semi-passive Transponder und ihre drahtlose Aktivierung
� Einfache Installation bei gleichzeitiger hohe Genauigkeit
� Intelligentes Funknetzwerk aus verteilten Sende-Empfängern
� Anwendungsbeispiele
� Derzeit Demonstrator in Produktionsumfeld, Fließband
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Lokalisierung:Anwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: BlackFIR® 868 + s-net®
� Eigenschaften
� Technologie zur Bestimmung des Aufenthaltsorts von Anlagenteilen, Werkzeugen und von Personen in Echtzeit in industrieller Umgebung
� Kundennutzen
� Identifikation von Ersatzteilen, Halbzeugen, Endprodukten und Werkzeugen – keine Suche
� Schnelle Erfassung von kritischen Situationen und Beurteilung
� Anwendungsbeispiel: Integration in Halbleiterfertigung
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LokalisierungAnwendungsbeispiel für Hybride Lokalisierungs-systeme: Holodeck 4.0
VORTEILE
Anwendungsbereich Halbleiterfertigung
Kundennutzen und Potential von ORAT
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� Eigenschaften
� Genaue Positionierung in Virtual Reality-Anwendungen auf einem Areal von 1.400 qm
� Basistechnologie: RedFIR®
� Interaktive Nutzung und freies Bewegen in 3D-Modellen
� Entwicklung einer Virtual Reality-Anwendung maßgeschneidert nach Anforderungen des Kunden
� Adaption unserer VR-Technologie und Lokalisierung für kundeneigene VR-Anwendung
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LokalisierungAnwendungsbeispiel für hybride Lokalisierungssysteme: Holodeck 4.0
VORTEILE
Anwendungsbereich Halbleiterfertigung
Kundennutzen und Potential von ORAT
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� Kundennutzen
� Live-Optimierung von Produktionsprozessen
� Verkürzung der Produktentwicklungszeit
� Nachbau neuer Produktionslinien
� Kostenreduktion durch frühzeitige Fehlererkennung
� Anwendungsbereiche
� Produktion, Logistik
� Adaptierbar auf weitere Anwendungen: Gaming, Training, Architektur
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� Testhalle und Speziallabore
� 1400 qm Hallen- und Laborfläche
� Außenbereich
� 10.000 qm Freifläche
� LKW-Laderampen mit direkter Zufahrt durch die Halle und über die Freifläche zu Test- und Demonstrationszwecken von logistischen Anwendungen
� Sichere PKW-Fahrstrecke von 100m Länge
� Kontrollturm zur Steuerung der Gesamtanlage
PKW-Fahrstrecke
LKW- Rundkurs (durch Innen-und Außenbereiche
Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Standort NürnbergTest- und Anwendungszentrum L.I.N.K
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Blick ins Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K.
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Testumgebungen zu Industrie 4.0 am Standort NürnbergTest- und Anwendungszentrum L.I.N.K
Technologie Anwendung
Entwicklung und Forschung in realer
Umgebung für Industrie 4.0
Bündelung der IoT-Leittechnologien
− Lokalisierung
− Identifikation
− Navigation
− Kommunikation
am Standort Nürnberg
− Durchführung komplexer Testreihen
− Reproduzierbare Umgebungsbedingungen
− Charakterisierung von Lokalisierungs-systemen
− Studien zur Optimierung des Technologieeinsatzes
Demonstrationen und Tests für Partner und Kunden zur Entwicklung innovativer Lösungen für Logistik, Industrie 4.0, Energie, Sicherheit und Mobilität
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Industrie 4.0 am Standort NürnbergFraunhofer IIS – Fachzentren im Nordostpark
� Technologien für IoT im Nordostpark
� RFID
� Drahtlose Kommunikation, Vernetzung
� Lokalisierung
� Anwendungen/Branchen im IoT-Umfeld:
� Logistik
� Industrie 4.0
� Energie
� Sicherheit
� Mobilität
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© Fraunhofer IIS 42
Industrie 4.0 am Standort CoburgFraunhofer-Anwendungszentrum Drahtlose Sensorik
� Entwicklung kundenspezifischer Anwendungen drahtloser Sensorik für Industrie 4.0, Smart City, Gebäudemanagement und Landwirtschaft
� Kooperation mit Hochschule Coburg
� Expertise in
� Effizienter Erfassung und Übertragung von Sensorikdaten (mit s-net®, Bluetooth 2.0/LE, ZigBee etc.)
� Zielgruppengerechter Steuerung, Auswertung (z.B. mit MQTT), Visualisierung von Sensormessungen
� Sicherer Authentisierung, Identifikation und Datenspeicherung
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© Fraunhofer IIS 43
Fazit
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� Industrie 4.0 ist DIE Zukunftsstrategiefür die deutsche Wirtschaft
� Für diese Vision werden Basistechnologien benötigt
� Beispiele sind
� RFID
� Drahtlose Kommunikation
� Lokalisierungstechnologien
� Testmöglichkeiten bestehen im Test- und Anwendungszentrum L.I.N.K.
� Fraunhofer IIS ist kompetenter, technologieneutraler Entwicklungspartner
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Ihr Ansprechpartner
René DünklerFraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IISNordostpark 9390411 Nürnberg
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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