Modul 02: IoT-Architekturen & MQTT-Protokoll (Publish/Subscribe) | LF 7: Cyber-physische Systeme & Instandhaltung

3-Ebenen-IoT-Architektur (Edge, Fog/Gateway, Cloud), MQTT-Architektur (Broker, Publisher, Subscriber, Topics, Wildcards) und Quality of Service (QoS 0, 1, 2).

📖 Fachtheorie & KMK-Prüfungswissen

1. Das MQTT-Protokoll (Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT ist ein extrem leichtgewichtiges Publish/Subscribe-Nachrichtenprotokoll nach ISO/IEC 20922, optimiert für IoT-Geräte mit geringer Bandbreite und schwachen Akkus:

MQTT Broker: Zentrale Schaltstelle (z. B. Mosquitto, HiveMQ). Er empfängt Nachrichten von Publishern und leitet sie gefiltert an alle interessierten Subscriber weiter. Publisher und Subscriber kennen sich nicht (vollständige Entkopplung!).
Publisher: Sendet Messwerte unter einem bestimmten Topic (z. B. fabrik/halle1/presse4/temperatur).
Subscriber: Abonniert Topics (z. B. Dashboard oder Leitstand).

2. Topic-Hierarchien & Wildcards

Ebenen-Trennzeichen: Schrägstrich / (z. B. campus/gebaeudeA/etage2/sensor1).
Single-Level Wildcard (+): Ersetzt genau eine Hierarchieebene.
Beispiel: campus/+/etage2/temperatur matcht campus/gebaeudeA/etage2/temperatur, aber nicht campus/gebaeudeA/raum5/etage2/temperatur.
Multi-Level Wildcard (#): Ersetzt alle nachfolgenden Hierarchieebenen (darf nur am Ende des Strings stehen!).
Beispiel: campus/gebaeudeA/# matcht alles innerhalb von Gebäude A.

3. Quality of Service (QoS) Level

QoS Level	Bezeichnung	Zustellgarantie	Overhead	Einsatzbereich
QoS 0	At most once (Best Effort)	Nachricht wird maximal einmal übertragen, keine Quittung (Fire and Forget).	Minimal	Unkritische Sensordaten im Sekundentakt (z. B. Außentemperatur).
QoS 1	At least once	Nachricht kommt garantiert an (mit PUBACK quittiert), kann aber dupliziert werden.	Mittel	Fehlermeldungen, Statusänderungen.
QoS 2	Exactly once	Garantiert exakt einmalige Zustellung über einen 4-Wege-Handshake.	Hoch	Kritische Zahlungsdaten, Not-Aus-Befehle in Fertigungsstraßen.

✍️ Authentische IHK-Prüfungsaufgaben mit Erwartungshorizont

MQTT-Topic Strukturierung & QoS-Auswahl 8 Punkte

In einem Smart-Factory-Projekt überwachen 200 Sensoren Motortemperaturen, Drehzahlen und Not-Aus-Schalter in drei Werkshallen. Die Daten werden an einen zentralen MQTT-Broker gesendet.

1. Entwerfen Sie eine logische Topic-Struktur für die Temperatur des Roboters 3 in Halle 2. 2. Geben Sie den Filterstring an, mit dem ein Wartungs-Dashboard alle Messwerte (Temperatur, Drehzahl, etc.) aller Roboter in Halle 2 abonnieren kann. 3. Welches QoS-Level (0, 1 oder 2) wählen Sie für die Übertragung des Not-Aus-Schalters? Begründen Sie Ihre Entscheidung.

💡 Didaktischer Erwartungshorizont & Punkteverteilung (nach KMK-Kriterien)

1. Topic-Entwurf: z. B. fabrik/halle2/roboter3/temperatur (2 Pkt.) 2. MQTT-Abonnement mit Wildcard: fabrik/halle2/# (oder fabrik/halle2/+/+ bei fixer Tiefe). (2 Pkt.) 3. QoS-Auswahl für Not-Aus-Signal: - Auswahl: QoS 2 (Exactly Once) oder mindestens QoS 1 (At least once). - Begründung: Das Signal eines Not-Aus-Schalters ist sicherheitskritisch für Menschenleben und Maschinen. Ein Verlust (wie bei QoS 0 möglich) darf unter keinen Umständen toleriert werden. QoS 2 stellt sicher, dass das Signal zuverlässig und ohne Doppelauslösung verarbeitet wird. (4 Pkt.)