Eckdaten

Bluetooth Smart (dies ist der gebräuchlichere Name für Bluetooth Low Energy) wurde von Beginn an auf niedrige Leistungsaufnahme getrimmt, indem es sich nur von Zeit zu Zeit aktiviert, um geringe Datenmengen zu übertragen – mit eher langer Latenzzeit und über eine Distanz bis zu einigen Metern, ideal also für Sensoren. Dennoch setzt sich Bluetooth Smart jetzt auch in qualitativ hochwertigen industriellen Applikationen durch und verdrängt dort Techniken, die zum Teil seit sehr langer Zeit etabliert sind.

Als jüngste Ergänzung zur Bluetooth-Spezifikation nutzt Bluetooth Smart die Bluetooth-Low-Energy-Technologie, um Produkte, die jahrelang mit einer Knopfzelle auskommen sollen, an das Internet of Things (IoT) anzubinden. Doch wie wird so etwas möglich?

Es dauerte ein bis zwei Jahre, ehe die ersten Produkte in Form von Brustgurten zur Herzfrequenzmessung und Smart Watches auf dem Markt erschienen. Mit dem Apple iPhone 4s kam dann auch ein Smartphone hinzu. Als erstes Telefon auf dem Markt unterstützte es Bluetooth Low Energy, und der Markt zog an. Die Tatsache, dass man mit einem Smartphone stromsparend Verbindung mit allen möglichen Produkten aufnehmen konnte, war etwas Neues. Plötzlich strebte jeder nach einer Smartphone-Anbindung für sein Produkt.

Als logische Konsequenz hieraus kam das Thema IoT und Cloud-Anbindung auf. Das Smartphone sollte auf diese Weise an beliebige „Dinge“ angeschlossen werden können, und diese beliebigen Dinge sollten sich so mit dem Internet (sprich der Cloud) verbinden können. Diese dramatische Neuerung würde es möglich machen, Firmware-Updates an bereits im Einsatz befindliche Produkte zu pushen. Spielzeug-Hubschrauber ließen sich per Smartphone steuern, und es wäre möglich, an schwer zugänglichen Orten drahtlose Add-ons einzusetzen, anstatt Leitungen zu verlegen.

An diesem Punkt befinden wir uns im Jahr 2015, und plötzlich verwenden HerstellerBluetooth Smart (dies ist der gebräuchlichere Name für Bluetooth Low Energy) auch für größere Kommunikationsdistanzen, höhere Durchsatzraten und knifflige ISM-Anwendungen. Dies ist alles andere als das, wofür Bluetooth Low Energy ursprünglich konzipiert wurde. Dennoch setzt sich Bluetooth Low Energy jetzt auch in qualitativ hochwertigen industriellen Applikationen durch und verdrängt dort Techniken, die zum Teil seit sehr langer Zeit etabliert sind.

Bluetooth Smart stellt seinen Nutzen in neuen Einsatzgebieten unter Beweis und erobert bis dato unerschlossene, neue Marktsegmente, deren Spektrum von echten Industrieanwendungen über ausgefallene Hausgeräte bis zu trendigenBeacon-Systemen reicht.

Es gibt bereits etablierte Lösungen für Anwendungen mit leitungsgebundenen und drahtlosen Technologien, die sich durch Bluetooth Smart ersetzen lassen. Während sich Bluetooth Smart weiterentwickelt und an diese neuen Anwendungsfälle angepasst wird, könnte man den Ausbruch einer Verdrängungsschlacht zwischen den kommenden Standards befürchten. Realistischer ist jedoch eine Art Evolution im Darwinschen Sinn, in der der Stärkere überlebt. Die Zukunft wird zeigen, welche Technologie für welche Anwendung geeignet ist. Schon jetzt ist es jedoch sinnvoll, sich Gedanken über einige Anwendungen machen, die betroffen sein werden.

Ein Beispiel ist der Beleuchtungssektor. Zig-Bee dominiert hier den Markt mit intelligenten Leuchten, die sich zu einem Netzwerk verbinden und an ein Wi-Fi-Gateway anschließen lassen. Bluetooth Smart eignet sich derzeit für Stern-Netzwerke, in denen eine Zentraleinheit oder ein Smartphone mehrere Leuchten steuert. Zig-Bee dagegen basiert auf einer Maschen-Topologie. Informationen können also von Knoten weitergereicht werden, sodass sich die Reichweite über die Grenzen eines Gateways hinaus erweitern lässt. Dies ließe sich künftig auch mit Bluetooth Mesh unterstützen, sofern diese Technik auf energieeffiziente Weise implementiert wird (also keine Nutzung von Flooding und so weiter). Außerdem ist hohe Sicherheit für die gesamte Lösung gefordert. Macht das bereits in Betrieb befindliche Zig-Bee-Lösungen überflüssig? Nicht unbedingt. Wie wäre es, wenn ein Knoten im Zig-Bee-Netzwerk zusätzlich Bluetooth Smart unterstützen würde? Oder wenn das Gateway ein Bluetooth-Smart-Interface besäße?

Der Einbau digitaler eingebetteter Systeme in die Leuchtmittel brachte die Chance zur Vernetzung mit sich.

Der Einbau digitaler eingebetteter Systeme in die Leuchtmittel brachte die Chance zur Vernetzung mit sich.Texas Instruments

Es gibt noch weitere Anwendungsfälle, die im industriellen Bereich von Bluetooth Smart profitieren könnten, beispielsweise Machine to Machine (M2M), der Ersatz von Kabelverbindungen, das Asset-Tracking oder die Automatisierungssteuerung. Bereits jetzt gibt es eine ganze Reihe von Konnektivitätstechnologien wie Ethernet, Zig-Bee, Wi-Fi oder Sub-1 GHz, die im industriellen Bereich Fuß gefasst haben. Bluetooth Smart könnte diese problemlos ergänzen. Gefragt ist die Konzentration auf das Rationalisieren von Technologien mit dem Resultat einer Kombination von Funk-Technologien.

Bluetooth Smart im industriellen Einsatz – Wireless M2M

Die drahtlose Konnektivität außerhalb der Mobilfunktechnik existiert bereits seit etwa 20 Jahren. Neue Technologien bringen hier Lösungen hervor, die den Weg zu leistungsfähigeren und Stromverbrauch-optimierten Architekturen ebnen. Bluetooth Smart nutzt das Bluetooth-Low-Energy-Protokoll, das im Jahr 2010 in Version 4.0 des Bluetooth-Standards aufgenommen wurde. Es nutzt den 2,4-GHz-ISM-Frequenzbereich und stellt in einer stromsparenden Implementierung eine robuste und sichere drahtlose Übertragungslösung zur Verfügung. Gerade die Sicherheit ist ein wichtiger Aspekt drahtloser Übertragungen, insbesondere wenn über die Verbindung physisches oder mechanisches Verhalten gesteuert werden kann oder wenn es private Informationen zu übermitteln gilt. Bluetooth Smart bringt eine Vielzahl von Sicherheitsmerkmalen mit:

Der Cloud Service fungiert als Host für die Daten, die anschließend an eine Web-basierende GUI wie Node-RED gepusht oder von dieser abgerufen werden können.

Der Cloud Service fungiert als Host für die Daten, die anschließend an eine Web-basierende GUI wie Node-RED gepusht oder von dieser abgerufen werden können. Texas Instruments

  • Authentifizierung zum Schutz gegen MITM-Attacken mit Out-Of-Band-Kopplung (OOB) oder Passkey
  • Autorisierung zur Abwehr von Datenzugriffen durch unbekannte Geräte
  • Integrität zur Gewährleistung unverfälschter, zuverlässiger Datenübertragungen
  • Vertraulichkeit durch 128-Bit-AES-Verschlüsselung (Advanced Encryption Standard)
  • Schutz der Privatsphäre durch nicht auflösbare Adressen und Frequenzsprünge über 37 Kanäle

Für Machine-to-Machine (M2M) -Anwendungen ist Sicherheit ein zentrales Kriterium. Unter M2M versteht man das Konzept, Geräte entweder drahtlos oder per Leitung untereinander kommunizieren zu lassen. Traditionell nutzten M2M-Netzwerke leitungsgebundene Netzwerklösungen, jedoch kann die Verwendung eines drahtlosen Protokolls in vielerlei Hinsicht Vorteile bieten. Der erste Aspekt sind die Kosten, die sich verringern, wenn teure Kabel entfallen und sich die Installation vereinfacht. Der zweite Aspekt ist die Robustheit, denn die komplette drahtlose Lösung lässt sich kapseln und vollständig gegen Wasser, Schmutz und andere Substanzen abdichten, die dem System schaden könnten. Der dritte Vorteil ist, dass bewegliche Teile kein Problem mehr sind, sodass sich die mechanische Konstruktion vereinfacht. Wird das System schließlich durch ein Smartphone ergänzt, ermöglicht Bluetooth Smart drahtlose Firmware-Updates und hilft bei der präventiven Instandhaltung von Systemen, indem gewarnt wird, bevor eine kritische Wartungsmaßnahme erforderlich wird. Zu alledem bringt Bluetooth Smart die bereits erwähnte Sicherheit mit, die die Voraussetzungen für eine private und zuverlässige Kommunikation schafft.

Ein M2M-fähiges Gerät kann ein beliebiges elektrisches Produkt sein, das Daten generiert oder benötigt, oder auch ein Gerät, mit dem eine Person interagieren möchte.

Ein M2M-fähiges Gerät kann ein beliebiges elektrisches Produkt sein, das Daten generiert oder benötigt, oder auch ein Gerät, mit dem eine Person interagieren möchte.Texas Instruments

Ein M2M-fähiges Gerät kann ein beliebiges elektrisches Produkt sein, das Daten generiert oder benötigt, oder auch ein Gerät, mit dem eine Person interagieren möchte. In einem durchschnittlichen Haushalt dürften sich wahrscheinlich mehr als zehn Geräte finden, die von der Möglichkeit der Kommunikation mit einem Smartphone profitieren könnten. Ein Beispiel wäre eine Waschmaschine, die eine Nachricht senden kann, wenn die Wäsche fertig ist. Die meisten Smartphones auf dem heutigen Markt unterstützen Bluetooth Smart und sind damit kompatibel zu jedem Gerät, das ebenfalls Support für diesen Standard bietet.

Das Konzept, per Smartphone mit einem Gerät zu kommunizieren, lässt sich mit der zwar bildhaften, aber eher nüchternen Bezeichnung „Remote Display“ umschreiben. Das Smartphone ist insofern ein solches „abgesetztes Display“, als es aktuelle Informationen von einem physischen Gerät entgegennehmen kann, das häufig gar kein eigenes Display in seiner Nähe besitzt, um dem Anwender diese Informationen zu präsentieren. Die besagte Umgebung kann dabei größer sein, als man zunächst denken mag. Bluetooth Low Energy ist als Personal Area Network (PAN) mit einem typischen Einzugsbereich von zehn Metern konzipiert. Die meisten Bluetooth Smart unterstützenden Wireless-Mikrocontroller ermöglichen bei direkter Sichtverbindung jedoch Distanzen bis zu einigen hundert Metern. In einem Gebäude allerdings können bereits normale Wände das Signal blockieren. Dies aber ist kein wirklicher Nachteil, denn mit der Bluetooth Core Specification v.4.1 aus dem Jahr 2014 kam Unterstützung für eine Topologie, bei der ein Gerät gleichzeitig als Master und als Slave fungieren kann. Dies wiederum erschließt neue Anwendungen, in denen Bluetooth Smart eher als ein Netzwerk genutzt wird, das Informationen in einem ganzen Gebäude weiterleiten kann. Ein größeres Link-Budget hilft außerdem bei der Bewältigung von Herausforderungen in Lösungen für den Indoor-Bereich. Nun aber zurück zu den Remote-Displays: Für Kundendienst-Techniker bergen diese eine ganze Reihe von Vorteilen:

  • Einsatz von Messgeräten (zum Beispiel Multimetern oder AC-Messgeräten), die ihre Messwerte direkt an ein Smartphone senden können. Von dort aus lassen sich die Werte zur Weiterverarbeitung oder zur Speicherung für künftige Statistiken direkt an einen Cloud-Dienst weiterleiten.
  • Fehlerbehebung an Industriemaschinen aus sicherer Entfernung. Nützlich ist dies, wenn sich eine Maschine in einem unbekannten Zustand befindet oder schlichtweg gefährlich ist (und natürlich auch dann, wenn es für den Techniker einfach bequemer ist).
  • Einschränkung des Zugriffs, indem nur bestimmten Servicetechnikern der Zugang zu den Geräten oder zur Instandhaltung von Maschinen eingeräumt wird. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass ungeschultes Personal mit teuren Anlagen umgeht.
  • Interaktive Anleitungen auf Smartphones können die Störungsbeseitigung vereinfachen. Ebenso ist es möglich, Technikern zu zeigen, wie sie Probleme effizient und sicher lösen können.

Das Remote-Display ist ein hervorragendes Beispiel dafür, weshalb Bluetooth Smart eine bevorzugte Wahl für industrielle Anwendungen ist, die einfache und sichere Instandhaltungsverfahren benötigen. Ein Produkt mit Bluetooth Smart auszurüsten ist außerdem einfacher als oftmals gedacht. Notwendig ist nur das Nachrüsten eines kleinen diskreten Designs oder eines rund 2 cm² großen Moduls, das sich an Sensoren oder andere intelligente Systeme im Produkt anschließen lässt. Dieses kleine Modul würde das betreffende Produkt Bluetooth-Smart-tauglich machen, sodass es mit allen Bluetooth-Smart-kompatiblen Geräten kommunizieren könnte. Hierzu gehören so gut wie alle Smartphones und Tablets.

Bluethooth Smart beim Einsatz in der Beleuchtungstechnik

Bluetooth Smart ist eine Stern-Topologie, Zig-Bee hingegen eine vermaschte Netzwerk-Topologie.

Bluetooth Smart ist eine Stern-Topologie, Zig-Bee hingegen eine vermaschte Netzwerk-Topologie.Texas Instruments

Zurzeit erleben wir die Umstellung auf digitalisierte LED-Leuchtmittel. Das analoge Zeitalter weicht den digitalen, intelligenten Lösungen. Der Einbau digitaler eingebetteter Systeme in die Leuchtmittel brachte die Chance zur Vernetzung mit sich. Die Zig-Bee-Technik, die sich in diesem Bereich erfolgreich durchsetzen konnte, ist eine drahtlose Netzwerk-Topologie, mit der sich – gesteuert per Internet oder ebenfalls vernetzte Lichtschalter – über ein Gateway Hunderte von Lichtquellen oder Leuchtgruppen und bei entsprechender Unterstützung auch verschiedene Farben, steuern lassen. Mit Bluetooth Smart ist dies ebenfalls möglich. Bei der Stern-Topologie ist ein Master-Gerät wie etwa ein Smartphone mit mehreren Slaves (Leuchtmitteln) verbunden, die sich einzeln steuern lassen. Ein Vorteil von Zig-Bee mit der vermaschten Netzwerk-Topologie ist, dass die Netzwerk-Knoten Informationen weiterleiten können. Dies lässt die Steuerung auch von Geräten zu, die sich außerhalb der Reichweite des Gateways befinden.

Eine etablierte Zig-Bee-Lösung ließe sich durch Bluetooth Smart ergänzen, indem ein Knoten (also ein Leuchtmittel) hinzugefügt wird, der sowohl Zig-Bee als auch Bluetooth Smart implementiert.

Eine etablierte Zig-Bee-Lösung ließe sich durch Bluetooth Smart ergänzen, indem ein Knoten (also ein Leuchtmittel) hinzugefügt wird, der sowohl Zig-Bee als auch Bluetooth Smart implementiert.Texas Instruments

Damit dies auch bei Bluetooth Smart funktioniert, muss eine Möglichkeit existieren, Informationen von einem Slave zum anderen weiterzureichen. Dies ließe sich durch einen Rollenwechsel umsetzen, denn seit Bluetooth v4.1 kann ein Gerät gleichzeitig als Master und als Slave fungieren. Ein Rollenwechsel könnte jedoch eine unnötig komplexe Lösung sein. Glücklicherweise wird darüber nachgedacht, Bluetooth Mesh in das Feature-Portfolio von Bluetooth Low Energy aufzunehmen. Schon bald könnte es also eine Spezifikation dafür geben, auf effiziente, robuste und sichere Weise ein Maschen-Netzwerk zu implementieren. Wäre dies eine Konkurrenz für die bestehenden Zig-Bee-Lösungen, oder könnte Bluetooth Smart hier koexistieren und bereits installierte Lösungen durch neue Features aufwerten?

Beide Fragen lassen sich mit ja beantworten. Wenn sich herausstellt, dass Bluetooth Mesh intelligenter als Zig-Bee ist und weniger Strom verbraucht, ließe sich Zig-Bee in diesem speziellen Anwendungsfall ersetzen. Andererseits gibt es immer Pro- und Contra-Argumente, und so ist es klug, auch solche Designs in Betracht zu ziehen, in denen Bluetooth Smart zusätzlich zu Zig-Bee zum Einsatz kommt.

Eine etablierte Zig-Bee-Lösung ließe sich durch Bluetooth Smart ergänzen, indem ein Knoten (also ein Leuchtmittel) hinzugefügt wird, das sowohl Zig-Bee als auch Bluetooth Smart implementiert. Ein Umrüsten des Gateways für diese Lösung wäre hier nicht vorteilhaft, da das Gateway bereits über eine Smartphone-Anbindung verfügt – sei es per Cloud oder durch direkte Kommunikation per Wi-Fi.

Da Texas Instruments sowohl Zig-Bee- als auch Bluetooth-Lösungen anbietet, ist eine offene Einstellung hinsichtlich der Weiterentwicklung der Funkstandards sehr im Interesse des Unternehmens. Bluetooth Mesh ist keine Kriegserklärung gegen die Zig-Bee-Alliance, sondern eine unausweichliche Entwicklung.

Die in diesem Artikel beschriebenen Konzepte lassen sich auf jede bestehende industrielle Applikation anwenden. Zig-Bee ist ein bestens bekannter Standard in einem massiven Bestand an drahtlosen Lösungen – von proprietären Sub-1GHz-Lösungen bis zum frei benutzbaren 2,4-GHz-Band und darüber hinaus. Der Beleuchtungssektor ist nur eines von vielen Beispielen dafür, wie sich Bluetooth Smart in neue Anwendungsgebiete vorarbeitet, die nach Robustheit und sicherem Betrieb verlangen. Auch wenn Bluetooth Smart als eine auf Consumer-Anwendungen zielende Technik vermarktet wurde, ist es durchaus nicht auf dieses Segment begrenzt.

Um Bluetooth Smart in Beleuchtungsanwendungen oder anderen industriellen Applikationen implementieren zu können, steht mit dem CC2540T ein für hohe Betriebstemperaturen qualifizierter Mikrocontroller zur Verfügung, der einen kompletten Bluetooth Smart Stack enthält.

Bluetooth Smart für Cloud Services

Mit MQTT steht ein schlankes Konnektivitätsprotokoll zur Verfügung, das auf TCP/IP aufsetzt und sich sehr gut als Transportschicht zum Cloud Service eignet.

Mit MQTT steht ein schlankes Konnektivitätsprotokoll zur Verfügung, das auf TCP/IP aufsetzt und sich sehr gut als Transportschicht zum Cloud Service eignet. Texas Instruments

Alles dreht sich heute um das Internet of Things (IoT), aber was ist hierunter eigentlich zu verstehen? Grundsätzlich bedeutet es, dass ein „Ding“, also ein Gerät, mit dem Internet verbunden werden kann, was für ein Produkt eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnet. In industriellen Anwendungen etwa ist die Konsequenz, dass sich Maschinen mit dem Internet verbinden und von einer zentralen Instanz aus instand halten lassen. Bluetooth Smart bringt diesem Anwendungsfall einen Nutzen, indem es die Smartphone-Anbindung und damit die Verbindung mit dem Internet ermöglicht. Es ist allerdings wichtig zu verstehen, was sich am anderen Ende der Verbindung befindet, nämlich die so genannten Cloud-Services.

Beginnen wir mit den Sensoren. Stattet man einen Beschleunigungs- oder Temperatursensor mit Bluetooth Smart aus, erhalten die erfassten Daten eine Verbindung mit dem Internet. Mit Bluetooth Smart bestückte Sensoren haben es üblicherweise mit kleinen Datenmengen zu tun. Diese werden an ein Smartphone oder ein anderes Gerät mit Bluetooth Smart geschickt, das sie für die Weiterverarbeitung sammelt.

Es gibt mehrere Möglichkeiten für eine solide Lösung. Eine Option wäre ein schlankes Protokoll, mit dem sich das Bluetooth-Smart-Ready-Gerät einfach mit dem Internet verbinden ließe. Mit MQTT steht ein solches schlankes Konnektivitätsprotokoll zur Verfügung, das auf TCP/IP aufsetzt und sich sehr gut als Transportschicht zum Cloud-Service eignet. Damit ist der Weg in die Cloud frei.

Am anderen Ende befindet sich einer der vielen zur Auswahl stehenden Cloud-Services. IBM Bluemix ist eine auf offenen Standards beruhende, cloudbasierende Plattform mit Services, die sich für alle möglichen Arten von Daten eignen. Der Cloud-Service fungiert als Host für die Daten, die anschließend an eine Web-basierende GUI wie Node-RED gepusht oder von dieser abgerufen werden können.

In umgekehrter Richtung besteht auch die Möglichkeit, Kalibrierdaten oder Firmware-Updates von der Cloud an den Sensor zu pushen. Durch die Einrichtung von Cloud-Services lässt sich mit einem Web-Interface eine Privatwohnung oder eine Industrieanlage steuern. Sind die Daten einmal in die Cloud hochgeladen, lassen sie sich für Statistiken und die Wartung von Systemen nutzen, die weit ausgefeilter sind als ein einfacher Sensorknoten. Dies bezeichnet man als Cloud Computing, und schließlich ist es sehr sinnvoll, batteriebetriebene Geräte so einfach wie möglich zu halten und aufwändigere Funktionen auszulagern. Der Begriff Cloud bedeutet übrigens nicht unbedingt, dass alles über eine Internetverbindung verfügbar ist. Ein Cloud-Service kann auch nur lokal und über eine abgesicherte Internet-Schnittstelle zugänglich sein, die nur zu bestimmten Gelegenheiten oder für bestimmte Nutzer geöffnet wird.

In industriellen Anwendungen können Cloud-Services die Effizienz verbessern. Man kann sogar behaupten, dass vernetzte Systeme durch Bluetooth Smart intelligent werden. Hierzu braucht man sich nur eine Fabrik vorzustellen, in der es auf reibungslose Automatisierung und umfassende Kontrolle ankommt. Hier ist ein Cloud-Service sinnvoll, der Daten sammelt, Statistiken berechnet und mit ausgefeilten Algorithmen Schleifen zur Abschätzung künftiger Zustände ausführt, um vor dem Auslösen von Alarmen -Aktionen anzustoßen. Zusätzlich sind Diagnose- und Servicefunktionen für Fabrikarbeiter verfügbar, die per Smartphone oder Tablet mit dem Internet verbunden sind. Mithilfe von Bluetooth Smart nehmen die Techniker Verbindung zu Sensoren oder Systemen entweder direkt oder aus sicherer Entfernung über die Cloud auf. Flexibilität und Zuverlässigkeit sind neben Robustheit und Sicherheit die entscheidenden Eigenschaften.

2015 wird das Jahr sein, in dem Bluetooth Smart im IoT einen Boom erlebt. Bluetooth Smart bietet eine kostengünstige, sichere und einfach installierbare Lösung für ein umfangreiches, bereits existierendes Smartphone-Ökosystem.

Bluetooth Smart bietet eine kostengünstige, sichere und einfach installierbare Lösung für ein umfangreiches, bereits existierendes Smartphone-Ökosystem.

Bluetooth Smart bietet eine kostengünstige, sichere und einfach installierbare Lösung für ein umfangreiches, bereits existierendes Smartphone-Ökosystem. Texas Instruments

Der Sensortag-basierende Wireless-Mikrocontroller CC2541 von Texas Instruments ist eine gute Ausgangsbasis, um Bluetooth Smart mit Cloud-Service-Fähigkeiten zu erproben. Für die IBM-Cloud-Services gibt es außerdem eine Demo.

Bluetooth Smart als Kabelersatz

Kabel stehen auf der Beliebtheitsskala nicht besonders weit oben. Man trachtet deshalb danach, ohne sie auszukommen oder sie durch drahtlose Übertragungslösungen zu ersetzen. Es gibt eine Vielzahl von Funkübertragungs-Protokollen, die den Wegfall der teuren Kupferkabel bestens kompensieren können. Im industriellen Bereich werden immer mehr Systeme von Ersatzlösungen für Kabel abhängig, wenn die Kosten zu einem Thema werden oder es darum geht, ein Produktdesign vermehrt für beengte Platzverhältnisse zu optimieren. Angesichts der großen Zahl leitungsgebundener Protokolle wie RS-485 oder TCP und drahtloser Protokolle wie beispielsweise Wi-Fi oder Bluetooth Low Energy soll der folgende Beitrag ein wenig Licht in die verwirrende Vielfalt bringen.

Beim Ersetzen leitungsgebundener Lösungen stellen sich meist folgende Fragen:

  • Werden meine Daten das neue Medium so passieren, als wäre das Kabel noch da?
  • Wie steht es mit der Zuverlässigkeit?
  • Was kann schiefgehen?
  • Welche Vorteile hätte es, das Kabel weiter zu verwenden?

Der Kabelersatz kann aus zwei Perspektiven gesehen werden. Im einen Fall geht es um den einfachen Ersatz nach dem Prinzip, dass das, was herauskommt, gleich dem ist, was hineingeht. In diesem Fall würde Bluetooth Smart als Black-Box betrachtet. Reizvoller und innovativer ist dagegen die andere Sichtweise, die einen möglichen Zusatznutzen sieht, wenn Bluetooth Smart als Kabelersatz dient.

Bluetooth Smart lässt sich als reine Black Box nutzen und kann beispielsweise einen bekannten Standard wie RS485 ersetzen, der im Bereich der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) sehr verbreitet ist. Von der Bluetooth SIG wurde bis dato noch kein Standardprofil für RS485 vorgelegt. Durch den Einsatz proprietärer Dienste (was mit Bluetooth Low Energy tatsächlich möglich ist) lassen sich Daten jedoch in jedem gewünschten Format übermitteln, sodass die Daten genauso herauskommen, wie sie hineingegangen sind. Dennoch gibt es bei Bluetooth Low Energy einige Restriktionen, zu denen die Latenz gehört. Diese kann 7,5 ms zuzüglich der Zeit für die serielle Kommunikation betragen. Die 7,5 ms resultieren aus der Bluetooth-Spezifikation und sind als das minimale Verbindungsintervall definiert. Bluetooth Low Energy verwendet ein Zeitschlitz-Verfahren, bei dem die Synchronisation während des Verbindungsaufbaus hergestellt wird. Deshalb kann es bis zu 7,5 ms dauern, bis ein Paket tatsächlich drahtlos übertragen wird. Eine drahtlose Gaming-Maus kann man also getrost vergessen. Wenn aber die Latenz kein Hinderungsgrund ist, gilt die nächste Frage der Sicherheit. Mit AES-128 und Frequenzsprüngen über 37 Kanäle hat Bluetooth Smart auch hier einiges zu bieten. Es überprüft jedes übertragene Paket per 24-Bit-CRC auf unerwünschte Modifikationen und die Datenintegrität ist für alle drahtlos übertragenen Pakete gewährleistet. Zum Authentifizieren der Verbindung ist es möglich, Out of Band Pairing zu verwenden.

Bluetooth Smart kann als reine Black Box genutzt werden und beispielsweise einen Standard wie RS485 ersetzen.

Bluetooth Smart kann als reine Black Box genutzt werden und beispielsweise einen Standard wie RS485 ersetzen.Texas Instruments

Sicherheitsexperten dürfte bewusst sein, dass alle Sicherheitsmechanismen knackbar sind, wenn man nur die richtige Ausrüstung und genügend Zeit hat. Allerdings gibt es gewisse Grenzen, wie viel Aufwand man in das Knacken eines Systems investiert. Wer beispielsweise ein Auto stehlen möchten, würden wohl eher dem Eigentümer den Schlüssel entwenden, als teures Equipment zu kaufen und das Hacken eines Autos bis zum Master-Diplom zu studieren. Zugegebenermaßen gibt es Berichte darüber, dass sich Bluetooth Smart knacken lässt, obwohl Initiativen der Bluetooth SIG wirksame Gegenmaßnahmen ins Feld führen: Die Elliptic-Curve-Kryptografie oder der Diffie-Hellman-Schlüsselaustausch sind auf mathematischem Weg äußerst schwer zu überwinden.

Ein weiterer Beweggrund, sich generell für eine drahtlose Lösung zu entscheiden, ist die Robustheit. Was früher zur Übertragung ein physisches Objekt benötigte, das entweder in der Luft baumelte oder am Boden herumlag, wird jetzt durch die Luft übertragen. Sogar bei fehlender Sichtverbindung findet das drahtlose Signal seinen Weg auch durch Objekte hindurch (oder im ungünstigsten Fall um sie herum). Einziger Vorteil der Leitungsverbindung sind eventuell geringere Entwicklungskosten. Das ist aber auch schon alles, und die Installationskosten würden ebenso wenig sinken wie die langfristigen Aufwendungen. Die Umstellung auf drahtlose Übertragung scheint also das Richtige zu sein.

Industrielle Anwendungen verlangen von den Lösungen meist die Fähigkeit zum Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen, bei Temperaturen von -20 bis +85 °C. Für diese und noch anspruchsvollere Einsatzverhältnisse ist es gut zu wissen, dass es sogar noch robustere Lösungen gibt. Beispiele sind der CC2540T von Texas Instruments, der bis +125 °C zuverlässig arbeitet, oder der Automotive-qualifizierte CC2541-Q1 für Temperaturen bis +105 °C. Mit einem Sensor-Tag von TI lassen sich die Möglichkeiten selbst ausprobieren, zudem steht ein uneingeschränkt zuverlässiges RS485-Brücken-Referenzdesign zum Download bereit.

Bluetooth Smart im industriellen Einsatz – Beacons

Im Jahr 2014 wurde das Wort „Beacon“ neu definiert. Wer das Wort „iBeacon-Technologie“ kennt, weiß worum es geht. Im Folgenden sollen die wesentlichen Einsatzbereiche der Technolgie aufgezeigt werden.

Im Wireless-Bereich versteht man unter Beacon das Konzept, kleine Informations-Elemente zu versenden. Bei diesen Informationen kann es sich um die unterschiedlichsten Dinge handeln, von Umgebungsdaten (Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte und mehr) über Mikro-Ortsdaten (für das Asset-Tracking, den Einzelhandel und weitere) bis zu Orientierungsdaten (Beschleunigung, Drehung und so weiter).

Die ausgestrahlten Daten sind zwar meist statischer Natur, können aber ebenso dynamisch sein und sich mit der Zeit ändern. Mithilfe von Bluetooth Low Energy lassen sich Beacons so konstruieren, dass sie jahrelang mit einer Knopfzelle auskommen. Interessanter bei längeren Daten-Bursts oder mehr Verarbeitungsfunktionen sind der Netzbetrieb und das Energy Harvesting, denn damit ist die Batterielebensdauer kein Kriterium mehr für den Betrieb von Beacons. Lösungen für diese unterschiedlichen Stromversorgungs-Applikationen sind bereits verfügbar.

Beacons lassen sich vernetzen und sind damit geeignete Kandidaten für Bluetooth Smart.

Beacons lassen sich vernetzen und sind damit geeignete Kandidaten für Bluetooth Smart.Texas Instruments

Beacons lassen sich vernetzen und sind damit geeignete Kandidaten für Bluetooth Smart. Die ausgesendeten Daten haben bei vernetzbaren wie nicht vernetzbaren Beacons das gleiche Format – mit Ausnahme eines bestimmten Flags, das den Unterschied signalisiert. Die Daten haben einen maximalen Umfang von 31 Bytes, allerdings beträgt die Obergrenze aufgrund der herstellerspezifischen Daten und der zwingend vorgeschriebenen Flags tatsächlich 25 Bytes. Wie diese 25 Bytes strukturiert werden, ist dem Entwickler überlassen. Es gibt allerdings bereits einige vorgegebene Formate wie etwa iBeacon (Apple) oder Alt-Beacon (Radius Networks), bei denen es sich um näherungsbasierte Beacons handelt.

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Texas Instruments

Erfolgreich installiert wurden Beacons in Fußballstadien, Einkaufsstraßen und Bibliotheken. Alle diese Implementierungen haben den gemeinsamen Zweck, Informationen an Smartphone-Nutzer zu übermitteln. Meist wird dabei nicht die Information selbst ausgesendet, sondern eine URL oder ein spezieller Code, mit dem das Smartphone die korrekten Informationen von einem Cloud-Dienst abrufen kann.

Wo aber lassen sich Beacons im industriellen Bereich einsetzen? Die Antwort ist: überall! Die folgenden Beispiele machen deutlich, dass die Anwendungsmöglichkeiten schier endlos sind:

  • Fabrikautomation und -steuerung: Überwachung kritischer Produktionsschritte mit verschiedenen Sensoren, die Daten für Statistik- und Überwachungszwecke an eine Cloud hochladen.
  • Asset Tracking: Sicherstellung, dass entweder wichtiges Equipment nicht das Firmengelände verlässt oder dass andere Güter verschickt werden, falls vorgesehen.
  • E-Metering: Anwender können umgehend Rückmeldungen zu ihrem Verbrauch erhalten, verbunden mit Hinweisen dazu, wie sie ihn senken können.
  • Rauchmelder: Diese Geräte können eine Meldung versenden, wenn ihre Batterie nahezu erschöpft ist (anstelle des allseits bekannten, störenden Warntons).
  • Elektronische Regaletiketten: Informationen über den Nährwert oder Sonderangebote lassen sich an Kunden pushen.

All diese Beispiele sind besonders für die bereits im Einsatz befindlichen Smartphones geeignet und recht komfortabel. Derzeit erfordert die Mehrzahl der verfügbaren Anwendungen eine App als Schnittstelle zum jeweiligen Dienst. Die iBeacon-Technologie von Apple dagegen ermöglicht einen nahtlosen Betrieb ohne jede allgemeine Interaktion seitens des Benutzers. Die iBeacon-Technologie legt dazu ein bestimmtes Format für die ausgesendeten Daten fest, das von iOS automatisch verarbeitet wird und dem Anwender Informationen präsentieren kann, auch wenn die installierte App gerade nicht läuft. Gleichwohl musste an einem bestimmten Punkt eine App installiert werden. Aktuelle innovative Arbeiten haben das Ziel, ohne eine spezielle App wie zum Beispiel Google Physical Web auszukommen. Der Grundgedanke hierbei ist es, die Beacon-Informationen über einen Dienst direkt in der Cloud zu verarbeiten, was die Implementierung erheblich vereinfacht.

Für den Beacon geht es kaum mehr einfacher. In (Pseudo-) Code geschrieben, setzt man den Beacon wie folgt um:

ti-beacons-3.jpg

Texas Instruments

Diese Implementierungsweise ist unabhängig vom jeweiligen Software Development Kit und der verwendeten Plattform. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Beacon durch Sensoren und mehr Komplexität aufzuwerten. Texas Instruments verfügt über mehrere Softwarelösungen, die auf einer vielfältigen Auswahl an Entwicklungs-Plattformen laufen, ergänzt durch Tools zur Implementierung einer vollständigen Beacon-Lösung. Das TI Sensor-Tag-Kit, zu dem eine iBeacon-Beispiellösung gehört, gibt es für 25 US-Dollar.

Bluetooth Smart im industriellen Einsatz – Asset Tracking

Unter Asset Tracking kann man eine ganze Menge verstehen. Meist aber geht es um das Verfolgen von Objekten ganz unterschiedlicher Natur. Container lassen sich auf ihrem Weg über den Ozean verfolgen, und man kann sicherstellen, dass Feuerlöscher in Schulen an ihrem vorgesehen Platz bleiben. Wie aber lässt sich Bluetooth nutzen, um das Asset Tracking auf kostengünstige, energiesparende und robuste Weise einfacher zu gestalten?

Mit Beacons auf der Basis von Bluetooth Low Energy lässt sich ein unidirektionales Tracking-System realisieren, das ein passives Tracking ermöglicht. Ein Feuerlöscher etwa meldet periodisch seine Verfügbarkeit, indem er ein paar Bytes mit einer speziellen Kennung versendet. Zusätzlich lassen sich weitere Informationen übertragen, wie etwa die örtliche Temperatur oder das Datum des letzten Austauschs. Andere Arten des passiven Asset Trackings schließen auch Statusmeldungen ein, die angeben, ob sich Objekte sicher in einem bestimmten Bereich befinden, etwa eine Katze in einer Wohnung. Diebstahlssicherungen für Fahrräder und andere mäßig teure Gegenstände lassen sich mit einer Applikation von niedriger Sicherheitsstufe schützen. Von einer niedrigen Sicherheitsstufe ist deshalb die Rede, weil sich ein Beacon potenziell kopieren lässt. Ist mehr Sicherheit erforderlich, sollte deshalb ein verbindungsbasiertes Protokoll mit Verschlüsselung zum Einsatz kommen, was von Bluetooth Low Energy ebenfalls unterstützt wird.

Wird mehr Sicherheit benötigt, sollte ein verbindungsbasiertes Protokoll mit Verschlüsselung verwendet werden, was von Bluetooth Low Energy unterstützt wird.

Wird mehr Sicherheit benötigt, sollte ein verbindungsbasiertes Protokoll mit Verschlüsselung verwendet werden, was von Bluetooth Low Energy unterstützt wird. Texas Instruments

Personal Area Network (PAN) ist mit einer typischen Reichweite von 10 m konzipiert. Trotzdem lassen sich Reichweiten von einigen hundert Metern realisieren, ohne den geringen Stromverbrauch aufzugeben. Für geschlossene Räumen, in denen Beton und Stahl die Ausbreitung des Signals behindern, gibt es zwei ausgefeilte Lösungen:

  • 1. Bluetooth Smart wird als vermaschte Lösung implementiert, sodass Informationen über Knoten weitergeleitet werden können. Zurzeit ist Bluetooth Low Energy eine Stern-Topologie, jedoch kam mit Bluetooth v4.1 ein neues Feature hinzu, das Geräten den gleichzeitigen Betrieb als Master und Slave ermöglicht. Ein Design auf der Applikations-Ebene ist nach wie vor erforderlich, und es gibt verschiedene Möglichkeiten der Implementierung. Am praktikabelsten wäre eine standardisierte Maschen-Lösung (möglicherweise arbeitet die Bluetooth SIG an einer solchen).
  • 2. Nutzung von Gateways zum Pushen der Information an einen Cloud-Service, der die Kontrolle über ein größeres Netzwerk aus miteinander verbundenen Geräten hat.

Denkbar wäre auch eine auf Crowd-Sourcing basierende Lösung, bei der Nutzer ihren Smartphones die Erlaubnis erteilen, Informationen automatisch weiterzuleiten. Aktives Tracking bedingt die Meldung der Empfangsfeldstärke (Received Signal Strength Indication – RSSI). Wenn Pakete von einem Gerät gesendet werden, steht bei deren Empfang durch den Empfänger die RSSI zur Verfügung. Diese hat die Einheit dBm, die sich auf die Signalleistung an einem bestimmten Punkt im Raum bezieht. Wenn ein Paket mit einer Ausgangsleistung von 0 dBm gesendet wird, reduziert sich das Signal im logarithmischen Maßstab, wobei eine Änderung um -6 dBm der halben Entfernung entspricht. Hat ein Empfänger eine bestimmte Empfindlichkeit von beispielsweise -100 dBm, kann er Pakete empfangen, deren Signalstärke höher als -100 dBm ist. Man sollte hier also erwarten, dass ein empfangenes Paket eine RSSI zwischen 0 dBm und -100 dBm hat, bei denen es sich um die idealen Werte handelt. Da sich die RSSI infolge von Mehrwegempfang, Schwund, Rauschen und anderen abschwächenden Einflüssen äußerst stark ändert, ist es üblich, die RSSI für Bluetooth Low Energy in vier einzelne Abschnitte zu unterteilen:

  • Immediate: Weniger als 1 m (meist über -40 dBm)
  • Near: Zwischen 1 m und 5 bis 10 m (meist zwischen -40 dBm und -60 dBm)
  • Far: 10 mm und mehr (meist weniger als -60 dBm)
  • Außerhalb des Bereichs

Sowohl die Empfindlichkeit als auch die Sendeleistung sind demnach wichtig für eine große Übertragungsentfernung. Die numerische Differenz zwischen Empfindlichkeit und Ausgangsleistung wird üblicherweise als „Link-Budget“ bezeichnet und ist ein Maß für die Leistungsfähigkeit einer Lösung. Diese Größe eignet sich also hervorragend zum Vergleich von Lösungen, wenn Reichweite und Performance die wichtigsten Anforderungen sind.

In einem Museum könnte ein Besucher seinen Weg mithilfe umgebender Beacons verfolgen.

In einem Museum könnte ein Besucher seinen Weg mithilfe umgebender Beacons verfolgen. Texas Instruments

Die Mikro-Ortsbestimmung ist eine Variante des Asset Trackings, bei der Objekte oder Bereiche verwendet werden, um den Standort eines Beobachters zu ermitteln. In einem Museum zum Beispiel könnte ein Besucher seinen Weg mithilfe umgebender Beacons verfolgen. Sobald ein Besucher eine Ausstellung betritt, erscheint eine Nachricht mit interaktiven Informationen. Auch zum Zurechtfinden in einem bestimmten Bereich lässt sich ein solcher Dienst verwenden. der Antenna-Diversity-Technik lässt sich die Genauigkeit der Mikroortung verbessern. Wie bereits erwähnt, quantifiziert die RSSI mit einer einzigen Antenne die Reichweite in eher große und unsichere Bereiche. Obwohl diese Technik normalerweise zur Verbesserung der Qualität und Zuverlässigkeit genutzt wird, ermöglicht Antenna Diversity auch ein detailliertes Einkreisen von Objekten mit einem der Triangulation ähnelnden Verfahren. Mit zwei oder vier Antennen ist eine Genauigkeit von deutlich unter einem Meter denkbar. Der Bluetooth Smart Wireless Mikrocontroller CC2540T von TI bietet ein Link-Budget von 97 dBm und eignet sich für Temperaturen bis 125 °C. Er wird mit einem fertig qualifizierten, komplett ausgestatteten Bluetooth Smart SDK geliefert, zu dem zahlreiche Beispiel-Applikationen für das Rapid Prototyping industrieller Anwendungen gehören.