Beschreibung

Motivation und Vorteile

Die Erfindung soll drei Zielgruppen Vorteile bieten:

• Dem Besitzer einer mechanischen Uhr (i.d.R. mechanische Armbanduhr, nachfolgend nur noch als „Uhr" bezeichnet) dient sie als „intelligenter Wächter" und ein Mittel, den Wert der Uhr zu erhalten und sogar zu steigern: o Erkennung des technischen Zustands und der Ganggenauigkeit der Uhr (Uhr und Uhrwerk werden nachfolgend synonym verwendet) o Erhalten von Warnungen, wenn die Uhr unsachgemäß behandelt wird (z.B.

Aussetzung von Stößen oder schädigenden Umweltbedingungen) o Gewissheit, dass die Uhr stets ordnungsgemäß gewartet und erhalten ist o Gewissheit, dass gestohlene Uhren nicht mehr in den regulären Service- Prozess gebracht werden können (Abschreckungseffekt)

• Dem Uhrenhersteller bzw. der Uhrenmarke bietet sie bisher ungekannte Möglichkeiten zur Überwachung der Produktqualität und Mittel, um den Kunden stärker an die Marke zu binden: o Sammlung und umfassende Analyse aus der Ferne (Remote) von Daten zum Gebrauch und dem Zustand sämtlicher Uhren im Feld (= in Gebrauch durch die Kunden) o Korrelation von im Feld auftretenden Defekten mit Qualitätsproblemen in der Produktion zum Zweck der kontinuierlichen und vorausschauenden Verbesserung der Produktqualität o Langzeitbeobachtung und Anwendung fortschrittlicher

Datenanalyseverfahren und -algorithmen zum Zweck der prädiktiven Wartung („Predictive Maintenance"), um den Kunden optimale Serviceangebote / Servicepläne zu bieten und mit maßgeschneiderten Produkt- und Marketingangeboten zu adressieren o Verstärkung der Unattraktivität von Produktfälschungen, da sie elektronisch und aus der Ferne eindeutig erkannt werden können

• Uhrenhändlern und Werkstätten bietet sie eine neue Quelle wiederkehrender Umsätze und Mittel, um den Kunden stärker an den Laden bzw. die Werkstatt anzubinden: o Verfügbarkeit des aktuellen technischen Zustands der Uhren der Kunden mit der Möglichkeit, sie auf Basis von Serviceplänen und detektierten oder prädizierten Anomalien bzw. Defekten aktiv in den Laden/die Werkstatt zu rufen o Gewissheit, dass die Uhr während der Gewährleistungszeit zwischen Wartungsintervallen nicht manipuliert bzw. von unautorisiertem Personal gewartet wurde Technische Aufgabe

• Bestimmung des technischen Zustands und der Ganggenauigkeit von mechanischen Uhren (üblicherweise Armbanduhren, aber die Erfindung kann auf jede Art von mechanischer Uhr angewendet werden) durch Analyse der mechanischen Geräusche des Uhrwerks und Einbindung von Messwerten einer Vielzahl von Sensoren in diese Analyse

• Unterstützung der Benutzer / Besitzer der Uhr mit einer Vorrichtung, mit der die aktuelle Zeit und das Datum direkt an der mechanischen Uhr möglichst genau eingestellt werden kann

• Information der Benutzer / Besitzer über den aktuellen technischen Zustand und die Ganggenauigkeit der Uhr und Warnung der Benutzer im Fall einer (prädizierten) Fehlfunktion, bei unsachgemäßem Gebrauch oder Einwirkung schädlicher Umweltbedingungen (Stöße, hoher Wasserdruck, Magnetfelder, exzessive Temperaturen oder Feuchtigkeit, Eindringen von Flüssigkeiten in das Uhrengehäuse, ...)

• Vorhersage der bevorstehenden Notwendigkeit zur Wartung der Uhr, um Defekten vorzubeugen und die zum tatsächlichen Gebrauchsverhalten des Benutzers am besten passendsten Serviceintervalle zu bestimmen („Predictive Maintenance") • Bereitstellung einer Kommunikationsvorrichtung, um den aktuellen Zustand und die Vorhersageergebnisse einer Uhr an seinen Nutzer an sein Smartphone zu übertragen und ihm darüber mitzuteilen

• Bereitstellung einer Kommunikationsvorrichtung, um den aktuellen Zustand und die Vorhersageergebnisse aller Uhren im Feld an IT Backend / Cloud Systeme des Uhrenherstellers / der Uhrenmarke zu übertragen, um Qualitätsbeobachtungen über eine Vielzahl von Uhren zu ermöglichen

• Bereitstellung einer Kommunikationsvorrichtung, um den aktuellen Zustand und die Vorhersageergebnisse einer Uhr oder einer Vielzahl von Uhren an Uhrenhändler oder Werkstätten zu übertragen, z.B. über die IT-System des Uhrenherstellers / der Uhrenmarke oder einen PC, der zur Durchführung von Wartungszwecken in der Werkstatt bzw. beim Händler verwendet wird

• Bereitstellung einer technischen Vorrichtung, mit der die Uhr eindeutig identifiziert werden kann, um ihre Echtheit zu bestätigen und ihre Eigentümerschaft nachzuverfolgen: beugt Fälschungen vor und ermöglicht unmittelbare Erkennung gestohlener Uhren

• Bereitstellung einer technischen Vorrichtung zur Detektion von unsachgemäßer Manipulation der Uhr nach Öffnen des Uhrengehäuses durch unautorisiertes Personal: „Elektronisches Siegel" mit dem erkannt werden kann, ob hierdurch Garantieansprüche verloren gegangen sind

• Bereitstellung einer technischen Vorrichtung, mit der die bereits genannten technischen Vorrichtungen „up-to-date" gehalten werden können, indem durch sie Software- / Firmware- Updates empfangen und gespeichert werden können

• Bereitstellung einer authentifizierten Zugriffsmöglichkeit auf die Interna der vorstehenden technischen Vorrichtung zum Zweck der Inspektion und Wartung („Service Mode")

Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der Ansprüche gelöst.

B Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Die folgende Beschreibung soll nicht als einschränkend verstanden werden. Vielmehr ist die Erfindung einzig durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigt:

Fig. 1 Ein Modul in der Uhr mit Empfängern und vollständiger Wirkkette;

Fig. 2 Ein alternatives Modul außerhalb der Uhr; und

Fig. 3 Verarbeitungsschritte für die Analyse und Datenfluss

Beschreibung

Mit Bezug auf Fig. 1: Einsatz eines sehr kleinen und energiesparenden Moduls in der Uhr- im Folgenden als „das Modul" bezeichnet - unter Verwendung eines Microchips mit geeigneten Sensoren / MEMS einschließlich Mikrophon (gemäß Liste weiter unten) und drahtloser Konnektivität (z.B. Bluetooth Low Energy, NFC, optisch) zu einem Empfänger (direkt zu einem Smartphone oder PC, indirekt zu IT Backend / Cloud Systemen über die Smartphone und/oder PC Verbindung).

Das Modul überträgt dabei Informationen zur eindeutigen Identifizierung der Uhr („UUID" = „universally unique identifier", eine global eindeutige ID, die mit der Produktionsseriennummer und dem aktuell registrierten Besitzer der Uhr verknüpft ist. Details siehe "Schritte zum Nachweis der Echtheit der Uhr"), zur Unversehrtheit des „elektronischen Siegels", rohe Messdaten der Sensoren und daraus vorverarbeitete Ergebnisdaten zum Empfänger, wann immer es sich in enger Nähe zum Empfänger befindet und ausreichend Energie zur Verfügung steht, um die Kommunikation ausreichend lang aufrechterhalten zu können.

In umgekehrter Richtung empfängt das Modul die genaue aktuelle Zeit und Datum (um seine interne Echtzeituhr (RTC) danach zu stellen), Software Updates, Authentifizierungs- und Wartungs-/Diagnose-Kommandos (deren Ergebnisse wieder zum Empfänger transferiert werden). Identifikations- und Authentifizierungsdaten (Schlüssel, Zertifikate, ...) werden sicher im Modul gespeichert und sicher von ihm übertragen, unter Verwendung geeigneter State- of-the-Art Cyber Security Protokolle, die Authentizität der Daten garantieren. Dies unterstützt und beschleunigt ein Hardware Security Module (HSM) im Modul.

Erforderliche Sensoren / MEMS (mikro-elektromechanische Systeme) zur Erhebung der Messdaten im Modul / Microchip und ihr Zweck:

• Mikrophon o Aufzeichnung von Mitschnitten der durch das mechanische Uhrwerk erzeugten Geräusche zur Spektralanalyse und Mustererkennung durch den „AI Core" („Kl Beschleuniger") o Hauptquelle für Daten, die zur Berechnung der Ganggenauigkeit und Erkennung von mechanischen Defekten erforderlich sind o Ausmessung der Ganggenauigkeit durch Verwendung von Zählern (Beobachtung über ein längeres Zeitintervall)

• Beschleunigungsmesser (Accelerometer), 3-Achsen Gyroskop und/oder Trägheitsmesser (Inertial Measurement Unit - IMU) o Misst Erschütterungen und Stöße, sowie typische Bewegungsmuster beim Gebrauch der Uhr (z.B. bei Ausübung von Sport oder handwerklichen Tätigkeiten)

• Magnetometer o Misst negative Einflüsse von Magnetfeldern auf das mechanische Uhrwerk

• Feuchtigkeitssensor (Humidity sensor) o Misst negative Einflüsse von Feuchtigkeit aufgrund des Verlusts der Dichtigkeit des Uhrengehäuses oder Einsatz in ungeeigneter Umgebung (bei nicht wasserdichten Uhren)

• Druck-/Kraftsensor (z.B. MEMS basierend auf kapazitiver, Piezo-Wiederstands- oder optischer Messung) o Misst maximalen auf das Uhrengehäuse / Uhrenglas ausgeübten Druck o Bestimmung der mechanischen Energiereserve durch Messung der Kraft der Uhrfeder • Ladezustand des elektrischen Energiespeichers zur Berechnung der verbleibenden elektrischen Energiereserve

Das Modul wird in der Uhr mit elektrischer Energie betrieben, die aus folgenden Quellen gespeist bzw. generiert wird:

• Kinetische Energie des Uhrwerks (aus der mechanischen Energie der Uhrfeder, z.B. durch Vibrationen eines geeigneten piezoelektrischen MEMS generiert)

• Temperaturdifferenzen (z.B. durch Verwendung eines thermoelektrischen Generators (TEG) / Seebeck Generator)

• Solarzellen

Die gewonnene elektrische Energie wir in einem geeigneten elektrischen Speicher akkumuliert, z.B. einer Festkörperbatterie (Solid State Battery) oder einem Kondensator ohne die Gefahr des Verlusts von Flüssigkeiten in das Uhrengehäuse bzw. das Uhrwerk.

Die aufgezeichneten Signaldaten der Sensoren werden im Modul vorverarbeitet, unter Verwendung der Rechenkapazität der CPU Kerne, eines DSP (Digital Signal Processor) und einem „AI Core" zur Hardware-Beschleunigung für fortschrittliche Analysealgorithmen und Verfahren des maschinellen Lernens wie künstliche neuronale Netze (Convoluted Neural Networks - CNNs).

Unter Abwägung zwischen Energieverbrauch, gewünschter Genauigkeit und Speicherverbrauch der Ergebnisdaten (z.B. aktueller Zustand der Uhr, Vorhersagen) werden die Vorverarbeitungsschritte im Modul dynamisch angepasst: vorverarbeitete Daten verbrauchen weniger Speicher, was die Ablage von mehr Zwischenergebnissen über die Zeit ermöglicht während keine Verbindung zum Smartphone oder PC besteht. Es wird jedoch mehr Energie für die hierfür notwendigen Berechnungen benötigt (Details der Verarbeitung siehe "Verarbeitungsprinzip der Lösung" und "Detaillierte Verarbeitungsschritte und Datenfluss").

Jeder Vorverarbeitungsschritt, der mangels ausreichender Energiereserven nicht im Modul ausgeführt wird, kann nachträglich auf Basis der übertragenen Rohmessdaten im empfangenden Smartphone / PC / IT Backend / Cloud ausgeführt werden.

Eine LED (oder ein geeignet kleiner und energiesparender Summer oder Vibrator) wird im Modul zum folgenden Zweck eingesetzt: • Unterstützung des Benutzers beim Stellen von Zeit und Datum des mechanischen Uhrwerks (Detailschritte siehe "Einstellen der zeit mittels RTC und LED")

• Anzeige detektierter oder vorhergesehener (prädizierter) Defekte, Fehlbehandlungen oder bevorstehende Servicetermine zur Information des Trägers / Besitzers der Uhr

Für das elektronische Siegel wird ein zusätzlicher (sehr kleiner) Chip oder eine entsprechende gedruckte Schaltung so am Uhrendeckel oder im Uhrengehäuse angebracht, dass er/sie beim Öffnen der Uhr durch Entfernen des Uhrendeckels irreversibel zerstört wird und so unautorisierte Manipulationen am Uhrwerk festgestellt werden kann (Details siehe „Manipulationserkennung ("Elektronisches Siegel")").

Sobald die rohen und/oder vorverarbeiteten Daten und Ergebnisse zum Empfänger (Smartphone/PC) übertragen wurden, können sie dort weiter verarbeitet werden.

Dadurch kann der Uhrenzustand genauer bestimmt werden und Vorhersagen mit höherer Verlässlichkeit getroffen werden, da dort mehr Energie und Rechenleistung zur Verfügung steht (die erweiternde Funktionalität des Empfänger und der IT Backend / Cloud System wird in "Verarbeitungsprinzip der Lösung" und "Detaillierte Verarbeitungsschritte und Datenfluss" dargestellt).

Das Modul kann optional auch in einer Vorrichtung außerhalb der Uhr untergebracht werden, z.B. in einer Aufbewahrungsbox oder einem Uhrenbeweger (siehe Fig. 2 und Erklärungen in „Unterschiede zwischen externem vs. Internem Modul").

Verarbeitungsprinzip der Lösung (Siehe Fig. 1 und Fig. 3)

1. Sensordaten werden vom Modul in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen (in Abhängigkeit von der verfügbaren Energie) aufgezeichnet und vorverarbeitet

2. Die Ganggenauigkeit und Abweichung des Uhrwerks wird aus diesen Daten ermittelt

3. CPU / DSP / AI Core des Microchips führen eine Vorverarbeitung der Rohdaten durch, unter Reduktion/Komprimierung des Datenvolumens (was eine Speicherung von mehr Ergebnissen über die Zeit ermöglicht) und detektieren/indizieren Anomalien/Defekte des Uhrwerks oder prädizieren notwendige Wartungsarbeiten

• Die Fähigkeiten zur Vorverarbeitung durch CPU / DSP / AI Core sind vom Energieverbrauch dafür abhängig - vom einfachen Aufzeichnen von Rohdaten bis hin zu Kl / Verfahren des maschinellen Lernens, unterstützt durch den AI Core HW Beschleuniger

• Daher werden die Vorverarbeitungsschritte im Modul in Abhängigkeit von der verfügbaren Energiereserve ausgeführt (dynamisch bestimmt durch eine berechnete Abwägung zwischen Energie- und Speicherverbrauch)

• Jegliche Verarbeitung, die aus diesem Grund nicht im Modul durchgeführt wird, kann als Nachverarbeitung im Smartphone / PC oder nachfolgenden Stufen im IT Backend nachgeholt und erweitert werden DerTräger der Uhr kann über die im Modul vorhandene LED / Summer/ Vibrator unmittelbar über Anomalien / Defekte / prädizierte Ereignisse informiert werden, z.B. wenn die Uhr übermäßiger Erschütterung / Stößen ausgesetzt wird. Immer wenn das Smartphone nahe genug und ausreichend Energiereserve vorhanden ist, werden die aufgezeichneten Rohdaten und/oder vorverarbeiteten Ergebnisdaten vom Modul zum Smartphone übertragen Das Smartphone führt eine Nachverarbeitung der empfangenen Daten durch und wendet hierbei noch ausführlichere Analysen an und informiert den Benutzer unmittelbar über die Ergebnisse. Die nachfolgenden Schritte (bis auf den Einsatz der Kamera) können bei ausreichender Energie auch im Modul durchgeführt werden, ansonsten werden sie durch das Smartphone auf Basis der Rohdaten nachgeholt:

• Spektralanalyse der vom Mikrophon aufgezeichneten Audiodaten unter Anwendung von Mustererkennungsverfahren aus der Kl / dem maschinellen Lernen, z.B. unter Ausnutzung von künstlichen neuronalen Netzen (KNN, im Modul durch den AI Core implementiert), um Unregelmäßigkeiten im Betrieb des Uhrwerks festzustellen • Detektion einfacher Zustände wie „starker Stoß festgestellt", „starke Abweichung von der Referenzzeit" und nachfolgende Benachrichtigung des Benutzers darüber

• (nicht im Modul möglich) Einbindung visueller Daten der Smartphone- Kamera (z.B. Videoanalyse der Zeiger, Erkennung von Kratzern und Gebrauchsspuren)

7. Alle Daten werden auch ins IT Backend / Cloud übermittelt, wo sie mit noch tiefer gehenden Verfahren des Maschinellen Lernens zu diesen Zwecken weiter analysiert werden:

• Ermittlung des höchstmöglich genauen Zustands der Uhr, der zur Informierung des Benutzers wieder zum Smartphone zurückgesendet wird

• Ableitung von genauen Vorhersagen bezüglich des nächsten Wartungstermins

8. Die Daten ganzer „Uhrenflotten" im Feld können als Eingabe für die Algorithmen des Maschinellen Lernens verwendet werden, um die Chancen für die Erkennung von Mustern im Auftreten von Anomalien/Defekten zu erhöhen und so bessere Prädiktionen zu erhalten

• Korrelation mit Daten aus anderen Quellen (z.B. globale Wetterereignisse, Katastrophen, ...)

• Ermöglichung der Qualitätsbeobachtung für alle Uhren im Feld aus der Ferne

• Hilft bei der Erkennung von fehlerhaften Produktchargen oder generellen Problemen, die erst bei längerem Gebrauch von Uhren auftreten

• Beispiel: Detektion der Verwendung von elektrischen Uhrenbewegern, welche die Uhr über einen längeren Zeitraum in kontinuierlicher Bewegung halten

Detaillierte Verarbeitungsschritte und Datenfluss (Siehe Fig. 1 und Fig. 3)

Im Microchip des Moduls: 1. Die Sensordaten werden von einer DSP-Stufe in Intervallen von x und einer Dauer von y Sekunden vorverarbeitet (x/y abhängig vom Energieverbrauch und -reserve, wobei die Intervalle dynamisch bestimmt werden)

• Spektralanalyse und Filterung des aufgezeichneten Audios (Reduktion auf relevante Anteile des Audiospektrums)

• Hysterese / Filterung der weiteren Sensordaten (Stabilisierung/Mittelwertbildung über die Eingangswerte -> Konvertierung in „stabile Messwerte")

• Bestimmung der „Ganggeschwindigkeit" des Uhrwerks (tatsächliche Frequenz und deren Schwankungen (Jitter)) durch Erkennung charakteristischer Muster im Spektrum, z.B. dem isolierten Geräusch der Unruh

• Im Fall ungenügender Energiereserve wird diese Vorverarbeitung übersprungen und es bleiben nur die Rohdaten zur Speicherung erhalten

2. Die vorverarbeiteten Sensordaten werden mit Daten der GPIOs und A/D-Wandler kombiniert und vom AI Core (HW-Beschleuniger für fortschrittliche Algorithmen des maschinellen Lernens) weiterverarbeitet

• Anwendung von künstlichen neuronalen Netzen (KNN oder„Convolutional Neural Networks (CNNs)) und anderen Machine Learning Verfahren, um eine Übereinstimmung mit bekannten Datenmustern („Trainingsdaten") zu erkennen

• Dadurch können Abweichungen vom Sollzustand und Fehlermuster festgestellt werden (z.B. Geräusche, die exzessive Abnutzung oder einen Defekt des Uhrwerks indizieren)

• Die CNNs werden vor Einsatz des Moduls auf Basis von aus den Erfahrungen und dem Wissen der Uhrenhersteller und Referenzuhrwerken abgeleiteten Daten trainiert (= Referenzmuster mit erwartetem / gewünschten / bekannt defektem Verhalten des Uhrwerks)

• Im Fall einer ungenügenden Energiereserve wird dieser Verarbeitungsschritt dynamisch übersprungen und nur die Rohdaten und ggf. das Ergebnis von Schritt 1. werden für die weitere Verwendung gespeichert

3. Die CPU bestimmt die Abweichung des mechanischen Uhrwerks von der durch die RTC (Real Time Clock) bereitgestellten Referenzuhrzeit/-datum.

• Bestimmung Ganggenauigkeit: Frequenzmessung über Capture/Compare Zähler um eine Frequenzmessung auf den vorverarbeiteten Audiodaten durchzuführen (isoliertes „Ticken" der Unruh)

• Bestimmung aktuelle Zeit / Datum des Uhrwerks: Verwendung einer geeigneten elektronischen Schaltung über die per GPIOs und A/D Wandler die aktuelle Position der Zeiger und Datumsräder eingelesen wird. Details zum Stellen der Uhr siehe „Einstellen der Zeit mittels RTC und LED".

4. Die CPU speichert die aus der Vorverarbeitung resultierenden Ergebnisdaten und sämtliche detektierten Ereignisse (Messwerte der Sensoren/MEMS, Stöße, Frequenz, Abweichung, Schwankungen (Jitter), Bruch des elektronischen Siegels), versehen mit einem RTC Zeitstempel (aktuelle Zeit/Datum) im NVRAM (non- volatiler Speicher)

• Ein Ringpuffer wird verwendet, um die Historie der n letzten Messungen zu erhalten (ältester Eintrag wird vom neuesten überschrieben)

• Dies kann durch DMA (Direct Memory Access) Datentransfers unterstützt werden, um die CPU vom Kopieren von Daten zu entlasten

5. Die CPU bestimmt, ob der Träger der Uhr über die Ergebnisse der Vorverarbeitung benachrichtigt werden soll (über LED, Summer oder Vibrator), z.B. bei Vorliegen eines Defekts oder einer unsachgemäßen Verwendung

6. Wann immer drahtlose Konnektivität zum Empfänger (Smartphone / PC) möglich ist, überträgt die CPU soviel der aufgezeichneten Messereignisse, um im Ringpuffer erneut Platz zu schaffen

• Hierbei wird die vom HSM verwaltete sichere Information (UUID, Schlüssel, Zertifikate) verwendet, um die Daten authentisch zu übertragen

Auf dem Smartphone / PC und im IT Backend / Cloud: Auf dem Smartphone / PC wird weitere Nachverarbeitung, frühe Generierung von Benachrichtigungen an den Benutzer und die Weiterleitung der gepackten Messungen und Ereignisse zum IT Backen / Cloud durchgeführt

• Hinzufügung der GPS Position und von durch die Smartphone-Kamera aufgenommenen Bildern und Videos des Zifferblatts und Gehäuses der Uhr für visuelle Inspektion

• Speicherung einer längeren Ereignishistorie (mehr Ereignisses als Datenbasis für die Verarbeitung als im Modul verfügbar), sämtliche Daten werden ebenso ins IT Backend / Cloud übertragen

• Speicherintensivere Machine Learning Verfahren können auf der größeren Datenbasis durchgeführt werden (inkl. Verarbeitungsschritte 1. und 2., falls das Modul sie nicht ausführen konnte, + die Algorithmen von 8. aber nur für eine Uhr) IT Backend / Cloud: Erweiterte prädiktive Analyse-Stufe

• Machine Learning (CNNs) basierte Detektion von Mustern und statistische Analysen unter Einsatz von prädiktivem Data Mining (z.B. Time Series Analytics, k-Nearest Neighbours Klassifikation und andere) unter Verwendung der Datenbasis aller Uhren eines Typs + die Referenzmuster, die von den Referenz-Uhrwerken und der Erfahrung des Uhrenherstellers abgeleitet sind

• Korrelation mit bekannten anormalen Mustern und anderen Ereignissen (GPS Position der Uhr (z.B. Erkennung besonders lauter Umgebungen mit Störgeräuschen), klimatische Extreme, andere „Katastrophenereignisse",

...)

• Vergleich mit / Integration von Mustern anderer Uhrentypen, um die CNNs für noch genauere Vorhersagen zu trainieren Benachrichtigung der Benutzer (auf Smartphone) und Erzeugung von ausführlichen Analyseberichten für Hersteller, Händler und Werkstätten auf Basis der vollständig analysierten Daten Einstellen der Zeit mittels RTC und LED

1. Das Smartphone sendet die aktuelle Uhrzeit und das aktuelle Datum zum Modul, welches seine RTC (Real Time Clock) damit programmiert, wann immer Smartphone und Modul sich nahe genug sind und ausreichend Energiereserven zur Verfügung stehen.

2. Wenn die Krone zum Zweck der Zeiteinstellung des mechanischen Uhrwerks herausgezogen wird, erkennt das Modul den „Zeiteinstellungsmodus" über einen Schalter, der mit einem der GPIO Ports verbunden ist (das Modul wacht dann ggf. aus einem „Sleep Mode" auf):

• Eine LED (oder andere Lichtquelle, die an geeigneter Stelle auf dem Zifferblatt montiert ist, z.B. im Zentrum der Zeiger), blinkt mit einer zunehmenden Frequenz je näher die durch die Zeiger dargestellte Uhrzeit der Zeit der RTC ist. Wenn Übereinstimmung erreicht ist, wird ein spezielles Bestätigungssignal ausgegeben (die LED sollte dann schnell ausgeschaltet werden, um Energie zu sparen)

• Alternativ könnte ein Summer oder Vibrator als Indikator verwendet werden (in Abhängigkeit von Energie- und Platzverbrauch)

• Der Stand der Zeiger wird über eine geeignete elektronische Schaltung per GPIO Ports oder A/D Wandler vom Modul eingelesen.

3. Wenn die Krone zum Einstellen des Datums oder Tags herausgezogen wird, erkennt das Modul den „Datumseinstellungsmodus" über einen Schalter, der mit einem der GPIO Ports verbunden ist (das Modul wacht dann ggf. aus einem „Sleep Mode" auf):

• Die LED leuchtet kurz auf, wenn ein neuer Tag oder ein neues Datum ausgewählt wird (Aufwärts-/Abwärtsbewegung der Krone). Bei Übereinstimmung, bleibt das Licht für eine längere Zeit an (z.B. 1 Sekunde) und schaltet danach ab, um Energie zu sparen

• Der Stand des Datumsrads (oder ggf. Datums- und/oder Tagesräder) wird über eine geeignete elektronische Schaltung per GPIO Ports oder A/D Wandler vom Modul eingelesen • Um Energie zu sparen geht das Modul wieder in den Sleep Mode, wenn die Krone für eine längere Zeit nicht bedient wird (z.B. 30 Sekunden)

Schritte zum Nachweis der Echtheit der Uhr

• Das HSM im Modul sorgt für eine sichere Speicherung (= gegen Änderung geschützt) der global eindeutigen ID (UUID) der Uhr und sämtlicher Schlüssel und Zertifikate, die für einen authentifizierten Zugang und sichere (authentische) Kommunikation erforderlich sind

• Wenn das Modul mit dem Smartphone / PC kommuniziert, wird die UUID sicher (mindestens Ende-zu-Ende authentisch) über den drahtlosen Kanal übertragen, z.B. unter Verwendung von TLS (Transport Layer Security), bis hin zum IT Backend / Cloud, wo die korrekte Zuordnung zur dort bei der Registrierung der Uhr hinterlegten Produktionsseriennummer überprüft werden kann.

• Die Registrierungs-Datenbank im IT Backend / Cloud ermöglicht eine Korrelation zwischen der UUID und dem gegenwärtigen Besitzer der Uhr.

• Ein Uhrenbesitzer kann seine Uhr als gestohlen melden, was in der Registrierungs- Datenbank unter der zugehörigen UUID vermerkt wird. Wenn das Backend über ein Smartphone Daten von dieser Uhr Daten erhält, kann es in diesem Fall den ungefähren Standort der Uhr über die im Datenpaket enthaltenen GPS Daten bestimmen und die Polizeibehörde informieren. Dies wird Diebe oder ihre Käufer davon abschrecken, eine solche Uhr mit dem Smartphone zu koppeln. Im Endeffekt macht es den Diebstahl einer solchen Uhr unattraktiv, da sie dadurch de facto nicht mehr durch Händler und Werkstätten gewartet werden kann und ihr Halter keinerlei Vorteile durch den Hersteller mehr erhalten kann.

Manipulationserkennung ("Elektronisches Siegel")

• Eine vorbestimmte „geheime Zahl" wird durch Key-Hashing einer festen vordefinierten Nachricht mit einem privaten Schlüssel (z.B. dem HMAC-Verfahren) berechnet. Diese wird sicher im Speicher des Moduls abgelegt, d.h. durch das HSM gegen Auslesen geschützt, und kann nur über sicher authentifizierte Wartungsbefehle („Service Commands") vom Smartphone oder Wartungs-PC geändert werden. Die Zahl ist über die Registrierungsdatenbank im IT Backend /

Cloud mit der UUID der Uhr verknüpft und somit auch ihrem Besitzer. • Die selbe Zahl wird „fest verdrahtet", d.h. ohne eine Möglichkeit sie erneut zu programmieren, in einem „Manipulationserkennungschip" oder einer gleichwertigen gedruckten Schaltung abgelegt (nachfolgend als „Schaltung" bezeichnet). Die Zahl wird „so wie sie ist" gespeichert, um die Schaltung so günstig und klein wie möglich halten zu können. Die Schaltung wird so auf der Innenseite des Uhrengehäuses oder Uhrendeckels angebracht, dass sie unwiederbringlich zerstört wird, wenn die Uhr geöffnet wird, so dass die Zahl nicht mehr ausgelesen werden kann.

• Bei geschlossenem Uhrengehäuse ist die Schaltung mit dem Modul elektronisch verbunden (über eine verdrahtete serielle Verbindung oder drahtlose Verbindung, z.B. NFC (Near Field Communication)) und wird bei Bedarf des Auslesens der Zahl vom Modul mit Energie gespeist. Immer wenn dem Modul ausreichend Energie fürs Aufstarten zur Verfügung steht, liest es die Zahl aus der Schaltung aus und vergleicht sie mit der im Modul gespeicherten Zahl.

• Der Versuch einer Manipulation wird durch das Modul detektiert, wenn entweder die Zahl nicht ausgelesen werden kann weil die Schaltung zerstört wurde oder wenn die aus der Schaltung gelesene Zahl nicht mit der sicher im Modul gespeicherten Zahl übereinstimmt (die Zahl kann aufgrund der Eigenschaften des Key-Hashing-Algorithmus nicht erraten werden).

• Das Erkennung dieser Manipulation kann als Ereignis im Ringpuffer des NVRAM im Modul gespeichert und bei der nächsten Übertragungsmöglichkeit zum externen Empfänger (Smartphone / PC) gesendet werden. Auf diese Weise gelangt das Ereignis letztlich bis in die IT Backend / Cloud Systeme, wo das Ereignis zentral registriert wird.

• Das Wartungspersonal bei autorisierten Händlern und Werkstätten erhält neue Schaltungen vom Uhrenhersteller, damit sie nach durchgeführter Wartung und vor dem Verschließen des Gehäuses in der Uhr angebracht werden können.

• Mittels authentifizierter Wartungsbefehle (Service Commands) wird die geheime Zahl im Modul so programmiert, dass sie der Zahl der neuen Schaltung entspricht. Auf diese Weise wird die Garantie erneuert. • Die neue Zahl wird anschließend vom Wartungspersonal mit der UUID der Uhr (und somit ihrem Besitzer), mittels eines Registrationsprozesses, in der Registrationsdatenbank der IT Backend / Cloud Systeme verknüpft.

Unterschiede zwischen externem vs. Internem Modul

(Siehe Fig. 2)

• Deutlich höhere Kapazität des Energiespeichers möglich o Günstigere Batterien / Akkus möglich (z.B. CR2032 Lithium Batterie) o Drahtgebunden über USB-Kabel oder drahtlos über Ql wiederaufladbar o Schnellere und leistungsfähigere Vorverarbeitung möglich (sämtliche Stufen inkl. AI Core)

• Leicht anderer Fokus der Sensoren o Es werden die Bedingungen während der Lagerung und nicht während des Tragens gemessen o Der Zweck der Überwachung des „Gesundheitszustands" der Uhr bleibt jedoch erhalten

• Mechanisches Design so gestaltet, dass „Kontakt mit der Uhr" besteht o Um die Geräusche des Uhrwerks besser aufnehmen zu können, sollte die Uhr vom Diagnosemodul „umklammert" werden (z.B. eine Halterung, die genau den Umrissen der Uhr entspricht, in die sie eingebettet wird, oder eine Klammer)

• [Optional] Kombination mit motorisiertem Uhrenbeweger o Stellt sicher, dass das Uhrwerk läuft, während es diagnostiziert wird o In Kombination mit Versorgung durch Netzspannung

Zusammenfassung der Fähigkeiten und Anforderungen

Fähigkeiten des Moduls

• Eindeutige Identifikation der Uhr o Verfolgung der Eigentümerschaft / von Besitzerwechseln und Beweis der Echtheit der Uhr

• Elektronisches Siegel o Detektiere Manipulationen / Öffnen der Uhr durch unautorisiertes Personal lokal und aus der Ferne o Zusätzlicher ID Chip / gedruckte Schaltung im Uhrengehäuse oder am Uhrendeckel mit einer Verbindung zum Modul, in welchem eine „geheime Zahl" gespeichert wird. Wird beim Öffnen der Uhr auf eine solche Weise zerstört, dass die Zahl anschließend nicht mehr ausgelesen werden kann

• Kopplung (Pairing) mit Smartphone und Erhalt der Referenzuhrzeit/-datum von dort

• Bestimme den Zustand des Uhrwerks und Umgebungsbedingungen in regulären (oder irregulären) Zeitintervallen o Ein Satz von Sensoren / MEMS, die Daten zur Speicherung als Log- Ereignisse und Aufzeichnungen generieren (z.B. Audio-Schnipsel) o Sammle Ereignisse mit Zeitstempel und rohe oder vorverarbeitete Aufzeichnungen im Modul

• Vorverarbeitung der Daten durch CPU / DSP / AI Core

• Übertrage aufgezeichnete rohe oder vorverarbeitete Daten zum Smartphone, wenn es nahe genug ist

• Auslaufsicherer Energiespeicher (Festkörperbatterie -> keine Flüssigkeiten im Vergleich zu Kondensator oder Li Ionen Akku)

• Unterstützung beim Stellen der Uhrzeit/Datum o Benutze RTC (Real Time Clock) im Modul zum Vergleich mit der aktuellen Stellung der Zeiger/Datumsräder des mechanischen Uhrwerks (e.g. mittels 1 LED / Summer / Vibrator)

• Benachrichtige den Benutzer über detektierte Ereignisse mittels 1 LED / Summer / Vibrator • Software-Update-Möglichkeit über die drahtlose Verbindung zum Smartphone

• Fähigkeit zur UWB (Ultra Wide Band) Drahtloskommunikation, um z.B. den Standort der Uhr bestimmen zu können (analog Apple Air Tag)

• GPS Empfang

Anforderungen an das Modul

• Elektronik des Moduls hat keine steuernde Wirkung auf das mechanische Uhrwerk (nur Sensoren, keine Aktoren) o Die „Reinheit" der Philosophie von mechanischen Uhren muss für die angepeilte Klientel erhalten bleiben o Die Uhr muss selbst mit leerem elektrischen Energiespeicher vollständig mechanisch betrieben werden können

• Minimaler Verlust der mechanischen Energiereserve o Äußerst geringer Energieverbrauch - max. 10% der gesamten mechanischen Energiereserve bei normalem Gebrauch o Striktes Energiemanagement: Einnahme des Sleep-Mode (Standby) wenn keine Geräusche detektiert werden (= Uhrwerk angehalten) o Frequenz und Dauer der Messungen abhängig von der verfügbaren Energie und dem verfügbaren Speicher im NVRAM

• Standby der Elektronik mit aktivem RTC über lange Zeitperioden (mehrere Monate) o Vermeidung, dass die RTC neu gestellt werden muss, wenn die Uhr über längere Zeit nicht genutzt wird

• Unsichtbarkeit: Ästhetik der mechanischen Uhr und der sichtbaren Teile des Uhrwerks darf nicht beeinträchtigt werden o Kleinstmögliche Größe o Intelligente Positionierung der Elektronik und der Verdrahtung notwendig o Kein Batteriewechsel oder Aufladen über eine drahtgebundene externe Energiequelle (induktive oder solare Lademöglichkeit denkbar) o Sämtliche elektrische Energie sollte aus dem mechanischem Betrieb der Uhr stammen (in der Uhrenfeder gespeicherte Energie)

• Service Mode / Wartungsmodus o Sichere Aktivierung (Authentifikation) eines speziellen Betriebsmodus mit höheren Privilegien (z.B. per drahtlosem Zugang vom Smartphone / PC oder drahtgebundener serieller Schnittstelle) unter Verwendung eines State-of-the-Art Cyber-Security Authentifikationsverfahrens o Wartungsverbindung drahtlos (BTLE, NFC, optisch) oder drahtgebunden (USB oder andere serielle Schnittstelle) o Verarbeitung von Wartungskommandos (Service Commands) zur

Inspektion und Änderung der geheimen Nummer, die für das elektronische Siegel zum Manipulationsschutz verwendet wird

• Verwendung des Standards für drahtlose Konnektivität zum Smartphone mit dem geringsten Energieverbrauch (BT LE, in der Reichweite reduziert)

• Eingebaute Cyber Security (Hardware Security Module, HSM) o Schützt die Echtheit der Uhr (UUID, Schlüssel, Zertifikate), den

Datenspeicher und die Datenübertragung (z.B. per TLS - Transport Layer Security)

Fähigkeiten auf dem Smartphone

• Kopplung (Pairing) mit einer oder mehreren Uhren o Kommuniziert mit dem Backend um die Uhr und ihren Besitzer zu registrieren, zu authentifizieren (und damit zu legitimieren, zum Zweck des Diebstahlschutzes) und erkannte Manipulationsversuche zu melden o Aktiviert Überwachung, wenn dieser Registrierungsprozess erfolgreich ist o Übertrage aktuelle Referenz-Uhrzeit / Datum zur Uhr

• Benutze Smartphone-Kamera zur visuellen Inspektion o Überprüfe die korrekte Einstellung von Uhrzeit/Datum durch Scannen der Zeigerstellung sowie der Datumsräder im Datumsfenster o Standfotos oder Videos werden für „tiefe visuelle Inspektion" zum Backend hochgeladen

• Initiiere die Übertragung von aufgezeichneten Daten vom Modul wann immer die Uhr nahe genug ist o Füge GPS Position und weiter vom Smartphone ermittelte Daten (z.B. Benutzeridentifikation) hinzu

• Nachverarbeitung der empfangenen Daten o Führe weitere, ressourcen-intensive Verarbeitungsschritte durch

(Spektralanalyse, Mustererkennung, ...) oder alle Schritte, die vom Modul nicht ausgeführt werden konnten, mangels Fähigkeiten, Energie oder Datenspeicher

• Sende die nachverarbeiteten Daten zum Backend und erhalte „Gesundheitsbericht" o Schließe sämtliche vom Modul stammenden Informationen ein (UUID, Manipulationsereignisse, rohe und vorverarbeitete Daten) o Im Backend Tiefenanalyse mittels prädiktiver Analyseverfahren auf den aufgezeichneten Daten

• Zeige dem Benutzer Handlungsanweisungen an, in Abhängigkeit der im Gesundheitsbericht enthaltenen Ergebnissen

Eigenschaften im IT Backend

• Cloud oder „On-Premise" o Cloud-basierter, Multi-Client und Multi-Marken Ansatz ist vorzuziehen o Hosting von Uhren und Benutzer Registrierungs-Datenbanken

• B2C (Business-to-Consumer) Portal o Registrierungsprozess o Auswahl von Wartungsplänen (verschiedene Level von „kostenlos" bis „Elite") o Maßgeschneiderte Marketingkampagnen

• B2B (Business-to-Business) IT Konnektivität o Nahtlose Integration in die IT-Landschaft der Uhrenhersteller o B2B Portal für Händler und Werkstätten o Austausch von Uhren und Kundendaten

• Datenzufluss von den Smartphones der Kunden o Datenstrom-Verarbeitung, Speicherung in einem Data Lake

• Datenverarbeitung (Prädiktive Analyse, siehe, httpsi//en.wikipedia.org/wiki/Predictive analytics#Machine learning techniques) o Anwendung prädiktiver Analyseverfahren auf Daten von einzelnen Uhren und ganzen „Uhrenflotten" -Ziel: bestimme die idealen Wartungsintervalle o Aufbau einer großen Datenbasis mit Verhaltensmustern verschiedener Uhrenmodelle o Detektion von Mustern und Anomalien (Erkennung von Ausreißern) mittels „KI''-Methoden wie Maschinelles Lernen (z.B. künstliche neuronale Netze / CNNs), Prädiktive Analyse (z.B. Zeitreihenanalyse, Regression, ...), Klassifikation (kNN (k-nearest Neighbors, Bayes'sche Netzwerke, ...) - siehe https://en.wikipedia.org/wiki/Anomaly detection o Langzeitbeobachtung o Korrelation mit anderen Datenquellen (z.B. globale Wetter- und Katastrophenereignisse etc.)

• „Automatische Empfehlungen" (Recommendation Engine) o Erzeugung von Benachrichtigungen („Wartungsereignisse") und Empfehlungen an die Kunden und die Händler / Werkstätten o Erzeuge Qualitätsberichte für die Uhrenhersteller (Qualitäts KPls, Trends, abnorme/Ausreißer-Werte, ...) Vorteile für Qualitäts-, Kundendienst-, Marketingabteilungen

In den Figuren werden folgende Elemente gezeigt:

1: Uhrwerk-Geräusche; Geräusch der Unruh für Ganggenauigkeit, alle

Geräusche für "Gesundheits-zustand"

2: Uhr

2a: Mechanisches Uhrwerk

2b: Mechanischer Energiespeicher (Uhrenfeder)

2c: Rotor für automatischen Aufzug, Handaufzug

3: ESP Chip / Modul

4: Sensoren/MEMS

4a: Akustisch (Mic)

4b: Beschleunigung (IMU, Gyro)

4c: Magnetometer

4d: Feuchtigkeit

4e: Temperatur

4f: Druck

5: Energiereserve (mechanisch)

6: Energiereserve (elektrisch)

7: Elektrischer Energiespeicher (Festkörperbatterie, Kondensator)

8: Generator

9: LED (Summer, Vibrator)

10: Antenne

11: DSP : CPU : Drahtlose loT Kommunikation (BT LE) : AI Core (maschinelles Lernen) : Counter (Zähler) : GPIO & A/D : Code (z.B. Flash) : NVRAM (Ereignis-Logs, Aufzeichnungen) : HSM : UUID : Schlüssel : Zertifikate : Service Port (USB, Seriell) : Schaltung zur Manipulationserkennung : Kronenschalter : RTC : Power Management : Quarz : Drahtlose Kommunikation (BT LE) : Smartphone: Berechnungs-intensive Nachverarbeitung; Zeit-

Synchronisierung; Visuelle Inspektion und Kontrolle der eingestellten Uhrzeit über eingebaute Kamera; Erzeugung von Telemetriedaten zum Backend: GPS : Kamera : Visuelle Inspektion : Internet : IT (Cloud) Backend : Datenzufluss : B2C Portal : Data Lake : Prädiktive Analysen : Benachrichtigungen z.B. über (Wartungs-) Ereignisse, Empfehlungen,

Generierung von Berichten, Marketing-Kampagnen : Kunden-Registrierung : Uhren-Registrierung : B2B Integration : Uhrenbesitzer : Uhrenhersteller : Händler und Werkstätten : [opt.] USB, serielle, optische Kommunikation zum PC : Externes Diagnosemodul: Das externe Diagnosemodule (EDM) wird verwendet wenn: in der Uhr nicht ausreichend Platz ist; es eine Serie mit geringer Stückzahl ist, für die sich eine Uhrenspezifische Anpassung nicht lohnt; Die Uhrenbesitzer eine Elektronik in der Uhr ablehnen; das Diagnosemodul könnte mit einem motorisierten Uhrenbeweger kombiniert werden, um sicherzustellen, dass das Uhrwerk läuft, während die Uhr diagnostiziert wird a: Sensoren des externen Diagnosemoduls b: ESP Chip des externen Diagnosemoduls c: Elektrischer Energiespeicher des externen Diagnosemoduls (wieder aufladbarer Li-Ionen Akku oder Batterie : USB oder drahtlose Stromversorgung zum Aufladen : Zur Uhr: USB, seriell, optisch : PC/Notebook (z.B. für Wartungszwecke): Sichere Information : Erzeugung von Benachrichtigungen : Nachverarbeitung und Speicherung : Erzeugung von Benachrichtigungen : Packen der Telemetriedaten