IoT-Architektur in Schichten: vom Sensor bis zum Dashboard

IoT-Plattform souverän und self-hosted bauen? WZ-IT entwirft und betreibt vendor-neutrale IoT-Architekturen auf Open-Source-Basis - auf Ihrer Infrastruktur. Zu unseren IoT-Leistungen - IoT-Plattform-Entwicklung

Eine IoT-Architektur lässt sich sauber in sieben Schichten gliedern: Sensor/Gerät, Konnektivität, Edge/Gateway, Plattform, Datenhaltung, Visualisierung und Integration. Jede Schicht hat eine klar abgegrenzte Aufgabe, und für jede gibt es eine ausgereifte Open-Source-Komponente. Wer diese Trennung versteht, baut IoT-Systeme, die wartbar bleiben, sich austauschen lassen und nicht in einer Hersteller-Cloud festhängen. Dieser Artikel zeigt, welche Komponente wo sitzt und wie das self-hosted Gesamtbild aussieht.

Inhaltsverzeichnis

• Die sieben Schichten der IoT-Architektur im Überblick
• Schicht 1: Sensor- und Geräteebene
• Schicht 2: Konnektivität - LoRaWAN, MQTT und Mobilfunk
• Schicht 3: Edge und Gateway
• Schicht 4: Plattform - ThingsBoard
• Schicht 5: Datenhaltung - Time-Series mit InfluxDB oder PostgreSQL
• Schicht 6: Visualisierung mit Grafana
• Schicht 7: Integration in ERP und Cloud
• Das self-hosted Gesamtbild
• Architektur souverän bauen mit WZ-IT

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Die sieben Schichten der IoT-Architektur im Überblick

Statt von einem einzelnen "IoT-Produkt" zu denken, hilft das Schichtenmodell: Daten wandern von unten (physische Sensorik) nach oben (Geschäftsanwendung), und jede Schicht spricht nur mit der direkt darüber oder darunter. Diese Entkopplung ist der Grund, warum sich Komponenten einzeln austauschen lassen, ohne das ganze System neu zu bauen.

Schicht 1: Sensor- und Geräteebene

Ganz unten stehen die physischen Geräte: Temperatur-, Feuchte-, Füllstands- oder Energiezähler, Aktoren und Maschinensteuerungen. Im industriellen Umfeld liefern bestehende Anlagen ihre Werte oft über Feldbusse wie Modbus oder OPC-UA, während neue Funksensoren (etwa von Milesight) batteriebetrieben per LoRaWAN senden. Wichtig auf dieser Ebene: ein sauberes Datenmodell - welche Messgröße, welche Einheit, welches Sendeintervall - denn alles darüber baut darauf auf.

Schicht 2: Konnektivität - LoRaWAN, MQTT und Mobilfunk

Die Konnektivitätsschicht transportiert die Messwerte vom Gerät zur Plattform. Drei Wege dominieren:

• LoRaWAN für stromsparende Funksensorik über große Reichweiten (Gelände, Liegenschaften, Landwirtschaft). Mehr dazu in Was ist LoRaWAN?.
• MQTT als leichtgewichtiges Publish-Subscribe-Protokoll für IP-fähige Geräte und als interner Daten-Bus. Details in Was ist MQTT?.
• Mobilfunk (NB-IoT, LTE-M, 5G) für verteilte Einzelgeräte ohne lokale Infrastruktur, dazu Ethernet und WLAN im Gebäude.

MQTT ist dabei oft das verbindende Element: LoRaWAN-Pakete, Mobilfunk-Geräte und Edge-Knoten publizieren am Ende auf MQTT-Topics, die die Plattform abonniert.

Schicht 3: Edge und Gateway

Zwischen Funk und Plattform sitzt das Gateway. Bei LoRaWAN empfängt ein LoRaWAN-Gateway die Funkpakete und reicht sie an den Network Server ChirpStack weiter, der Entschlüsselung, Deduplizierung und Geräteverwaltung auf Funkebene übernimmt (chirpstack.io). ChirpStack ist quelloffen und vollständig self-hostbar - siehe Was ist ChirpStack? und unsere ChirpStack-Expertise.

Auf der Edge-Ebene leistet Node-RED die Protokollwandlung (Modbus/OPC-UA nach MQTT), puffert Daten bei Verbindungsabbruch und führt erste Vorverarbeitung oder Schwellwert-Logik lokal aus. Für Szenarien mit unzuverlässiger Anbindung gibt es zusätzlich ThingsBoard Edge, das Regeln nahe an der Maschine ausführt und später mit der zentralen Plattform synchronisiert.

Schicht 4: Plattform - ThingsBoard

Die Plattform ist das Herz der Architektur. ThingsBoard übernimmt Geräteregistrierung und -verwaltung, eine visuelle Rule Engine für Verarbeitung und Alarme, Mandantenfähigkeit (Multi-Tenancy) und Dashboards. Die Community Edition ist quelloffen unter Apache 2.0, kostenlos und ohne Gerätelimit nutzbar; die Professional Edition ergänzt White-Labeling, erweiterte Rollen (RBAC) und fertige Plattform-Integrationen. Self-managed startet die PE laut Preisliste (Stand 30.06.2026, thingsboard.io/pricing) bei rund 10 USD/Monat im "Maker"-Plan; seit Version 4.3 sind Edge Computing und Trendz Analytics modular als Add-ons zubuchbar.

Mehr zu Funktionen und Editionen in Was ist ThingsBoard? und auf unserer ThingsBoard-Expertise.

Schicht 5: Datenhaltung - Time-Series mit InfluxDB oder PostgreSQL

IoT erzeugt Zeitreihen: viele Schreibvorgänge, zeitlich indiziert, langfristig aufzubewahren. ThingsBoard nutzt PostgreSQL für Stammdaten und kann Telemetrie wahlweise in PostgreSQL, TimescaleDB (Time-Series-Erweiterung für Postgres) oder Cassandra ablegen. Für reine Sensor-Zeitreihen mit hoher Schreiblast - besonders in Verbindung mit Grafana - ist InfluxDB weit verbreitet; aktuell stehen InfluxDB 3 Core (quelloffen) und kommerzielle Enterprise-Varianten zur Wahl. Die Entscheidung richtet sich nach Datenrate, Aufbewahrungsdauer (Retention) und vorhandenem Betriebs-Know-how, nicht nach Mode.

Schicht 6: Visualisierung mit Grafana

Für Dashboards, Trends und Alarmierung ist Grafana der Standard. Es ist quelloffen unter AGPLv3 (seit Version 8, grafana.com/licensing), kostenlos self-hostbar und liest direkt aus InfluxDB, PostgreSQL/TimescaleDB und vielen weiteren Quellen. Grafana ergänzt die ThingsBoard-Dashboards überall dort, wo es um historische Auswertung, gemischte Datenquellen oder zentrale Betriebsmonitore geht. Eine konkrete Anleitung gibt es unter Grafana IoT-Dashboard mit InfluxDB und auf unserer Grafana-Expertise.

Schicht 7: Integration in ERP und Cloud

Ganz oben verlässt der aufbereitete Datenstrom die IoT-Welt und fließt in Geschäftsprozesse: Verbrauchswerte ins ERP, Störungen ins Ticketsystem, Kennzahlen in ein BI-Tool. ThingsBoard liefert dafür REST-API, MQTT- und Kafka-Ausgänge sowie die Rule Engine; Node-RED baut die flexiblen Flows zu ERP, MES, Webhooks oder Datenbanken. Entscheidend ist, dass nur aggregierte Werte oder Alarme kontrolliert nach außen gehen, während die Rohdaten in der eigenen Infrastruktur bleiben.

Das self-hosted Gesamtbild

Zusammengesetzt ergibt sich ein durchgehend quelloffener Stack: LoRaWAN-Sensoren senden über ein Gateway an ChirpStack, IP-Geräte und Edge-Knoten publizieren per MQTT, ThingsBoard verwaltet Geräte und Regeln, InfluxDB oder PostgreSQL speichern die Zeitreihen, Grafana visualisiert, und Node-RED bindet ERP und Cloud an. Alles läuft auf eigener Infrastruktur - Proxmox, Hetzner oder On-Prem.

Der Unterschied zu Managed-Plattformen wie AWS IoT, Azure IoT oder Cumulocity: Sie zahlen Server und Betrieb statt Lizenzen pro Gerät und Datenpunkt, behalten die Datenhoheit in der EU und können jede Schicht einzeln austauschen. Ob sich das gegenüber der Cloud rechnet, beleuchtet IoT-Plattform: self-hosted vs Cloud. Wie aus diesem Stack ein konkreter Anwendungsfall wird, zeigt Predictive Maintenance & Retrofit.

Architektur souverän bauen mit WZ-IT

Wir entwerfen IoT-Architekturen schichtweise und betreiben sie als Open-Source-Stack auf Ihrer Infrastruktur - vom LoRaWAN-Gateway über ThingsBoard und InfluxDB bis Grafana und ERP-Anbindung. Vendor-neutral, ohne Per-Device-Lizenzen, mit ehrlicher Kostenrechnung.

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