Bild 3: Ein Beleuchtungssystem bindet die Belüftungs- und Zugangssteuerung ins Bluetooth-Mesh-Netzwerk einer Smart-Home-Applikation ein, worin ein Smartphone als Proxy die Bedieneinheit bildet und ein Temperatursensor Messwerte zum Abonieren anbietet. (Bild: Cypress)
Mit zunehmendem Umfang verschiedener Gebäudefunktionen wie Heizung, Klimatisierung und Belüftung (HVAC), sowie Beleuchtung, Sicherheit und Kommunikation macht es Sinn, die Komponenten mit Intelligenz auszustatten und zu automatisieren. Dabei darf der Gewinn an mehr Komfort und Sicherheit, wie auch weniger Energieverbrauch nicht zu Lasten des Installations- und Bedienungsaufwandes gehen. Cypress stellt eine Lösung vor, mit der sich eine Vernetzung sämtlicher Gebäudefunktionen über einen einheitlichen Funkstandard und gesteuert von einem oder mehreren Netzwerkknoten, realisieren lässt.
Bild 1: Marktprognosen gehen davon aus, dass im Jahr 2019 insgesamt 2,7 Milliarden Bluetooth-fähige Geräte verkauft werden. Bluetooth SIG
Eine intelligente, automatische und anpassungsfähige Steuerung der genannten Gebäudefunktionen bietet einge wesentliche Vorteile. Im Gebäude befindliche Personen genießen die Komfortsteigerung und eine einfache Bedienung. Das Abschalten oder Herunterdimmen der Beleuchtung in ungenutzten Räumen senkt den Energieverbrauch und neue nützliche Funktionen wie zum Beispiel Präsenzerkennung ermöglichen eine intelligente Raumnutzung.
Hohe Anwenderakzeptanz
Die Hauptkomponenten für Smart-Building-Systeme dieser Art gibt es bereits, sie haben sich jedoch bisher wenig durchgesetzt, denn potenzielle Anwender fürchten hohe Installationskosten und zweifeln an der Bedienungsfreundlichkeit.
Bestehende Netzwerktechniken, wie beispielsweise Dali für Beleuchtungssysteme, können durchaus mit einigen Vorteilen der intelligenten, automatisierten Steuerung aufwarten. Allerdings erfordert die Installation eines leitungsgebundenen Netzwerks zur Verbindung von Sensoren und Schaltern, deren Anzahl im zwei- oder gar dreistelligen Bereich liegen kann, viele Arbeitsstunden. Zudem erweist sich der Aufwand häufig als störend, sowohl für die bestehende Leitungsstruktur eines Gebäudes, als auch für die darin wohnenden oder arbeitenden Menschen.
Das Problem der Benutzerfreundlichkeit resultiert aus der Vielzahl von unterschiedlichen Hardware-Bediengeräten und Benutzeroberflächen, mit denen man es zu Hause und im Büro zu tun hat. Fernbedienungen gehen oft verloren, sind falsch platziert, werden beschädigt, oder sie funktionieren aufgrund leerer Batterien nicht. Heutige Nutzer sind intuitive Touchscreen-Bedienung ihres Smartphones gewöhnt, anstatt sich in unzähligen funktionsspezifischer Tasten eines Wandthermostaten mit kleinem Monochrom-Display ohne Touch-Funktionalität auseinanderzusetzen.
Beste Voraussetzungen für Bluetooth Low Energy
Ein Aufschwung der Smart-Building-Systeme und deutlich mehr Anwenderakzeptanz verspricht eine einheitliche drahtlose Vernetzung per Bluetooth, insbesondere die Option der Maschen-Netzwerktechnologie. Parallel zur neuen Version 5.0 des drahtlosen Kommunikationsprotokolls Bluetooth hat die Bluetooth Special Interest Group (SIG) die Erweiterungsoption Mesh-Networking als Bluetooth-versionsunabhängige Software veröffentlicht.
BLE-Knoten (Bluetooth Low Energy) können mit sehr geringer Leistungsaufnahme arbeiten und deshalb jahrelang mit einer Batterie auskommen. In einer Mesh-Topologie vernetzt, eignet sich BLE für die drahtlose Abdeckung eines kompletten Gebäudes, um Hunderte oder gar Tausende von Knoten zu vernetzen, ohne dass eine Leitungsverbindung zu einem Datennetz oder einer Stromversorgung erforderlich ist.
Das bestehende riesige Netzwerk von Mobilfunkgeräten nutzen
Hinzu kommt, dass die Milliarden Smartphones, Tablets und Laptops auf der Welt alle mit Bluetooth ausgestattet sind und dass alle diese Geräte auf ein BLE-Mesh-Netzwerk zugreifen und es verwalten können – ganz ohne Gateway- oder Hub-Einheit. Die Konformität zum Bluetooth-Standard garantiert dabei die Interoperabilität zwischen den mit einem Bluetooth-Netzwerk verbundenen Geräten – also beispielsweise zwischen einer Bluetooth-fähigen Leuchte und einem Smartphone.
Ein per BLE Mesh vernetztes Beleuchtungssystem im Büro, Wohngebäude oder in der Fabrik lässt sich somit nicht nur schnell und einfach installieren, die Leuchten sind auch über die vertraute Benutzeroberfläche von Smartphones oder über andere Bediengeräte des Anwenders steuerbar.
Mittlerweile gibt eine ganze Reihe weiterer Kurzstrecken-Funktechniken, das BLE-Protokoll aber ragt durch seine besondere Unterstützung für den Gebäudeautomations-Markt heraus. Als einziges drahtloses Netzwerkprotokoll ist BLE einerseits umfassend in Konsumergeräten verbreitet und nimmt andererseits so wenig Strom auf, dass es sich für drahtlose Sensoren eignet.
Ein einheitlicher Standard für die drahtlose Vernetzung
Marktprognosen gehen davon aus, dass der Bestand an Bluetooth-fähigen Geräten weiter ansteigt (Bild 1). Die Hersteller von Beleuchtungs- und Gebäudeautomations-Produkten aber tendieren natürlich zur Verwendung einer Technik, die auf diese Weise universell interessant ist, denn ihre Märkte sind sehr fragmentiert. In der Beleuchtungsbranche etwa gibt es Tausende von Leuchtenherstellern, andere Unternehmen stellen Lichtschalter her, und wieder andere Firmen produzieren Produkte wie etwa Umgebungslicht-Sensoren oder Präsenzmelder. Das Ökosystem im Bereich der Beleuchtungssteuerung zieht überdies das Interesse von ganz anderen Akteuren auf sich, denn Technologieriesen wie Google, Apple, Alibaba und Xiaomi möchten ihre intelligenten Geräte gern zum Herzstück künftiger Heimnetzwerke machen.
Diese Vielzahl der auf dem Markt tätigen Akteure verlangt nach einem einheitlichen Standard für die drahtlose Vernetzung, denn nur so lässt sich sicherstellen, dass die Menschen ihre Leuchten, Schalter und Sensoren kaufen können, ohne sich darum sorgen zu müssen, ob diese Produkte auch miteinander kommunizieren können. Genauso ist es heute bei den drahtlosen Lautsprechern, die man kaufen kann, ohne sich Gedanken darüber zu machen, ob das eigene Smartphone Musik an den erworbenen Lautsprecher streamen kann. Bluetooth leistet genau dies und hat gute Zukunftsaussichten, wie Bild 2 zeigt.
Mesh-Technik für betriebssichere Konnektivität
Bild 2: Die Bluetooth SIG prognostiziert, dass die Zahl der jährlich verkauften Bluetooth-fähigen Smart Appliances bis 2023 um insgesamt 59 Prozent zunehmen wird. Bluetooth SIG
Die große Verbreitung von Bluetooth begründet sich zum Teil daraus, dass der Standard einen umfassenden Bestand an Protokollen für jede Schicht des Netzwerks bereithält, von der drahtlosen Bit-Übertragungsschicht bis zur Anwendungsschicht. Unter anderem gibt es die Bluetooth Mesh-Netzwerkprotokollschicht, die auf dem bestehenden BLE-Funkprotokoll aufsetzt. Dies resultiert in einer direkten Interoperabilität zwischen BLE-Mesh-Geräten verschiedener Hersteller.
Die Topologie eines BLE-Mesh-Netzwerks sorgt für die nötige Reichweite und Betriebssicherheit. Während das verwendete Messaging-Protokoll nach dem „Publish and Subscribe”-Modell funktioniert, lassen sich die Signale auf der Bit-Übertragungsschicht nach dem „Managed Flood“-System übertragen. Sämtliche Nachrichten gelangen dabei an alle übrigen in der Nachbarschaft des Senders befindlichen Knoten. Dies macht das Netzwerk robust, da die Nachrichten beim Ausfall eines Knotens über einen anderen Weg an ihr Ziel kommen können. Außerdem gestaltet sich die Erweiterung des Netzwerkes einfach, indem innerhalb der Reichweite eines beliebigen bestehenden Knotens weitere Knoten hinzukommen. Solche Proxy-Knoten (ein bestimmter Knotentyp in BLE-Mesh-Netzwerken), die einem Smartphone oder Tablet den Zugang zu dem Netzwerk eröffnen, ermöglichen es, die Funktion der vernetzten Geräte zu steuern.
Wie Bild 3 verdeutlicht, eignen sich BLE-Mesh-Netzwerke als Plattform für mehrere Smart Home- und Smart Building-Funktionen. Zum Beispiel kann ein Präsenzsensor die Beleuchtung eines ungenutzen Raums abschalten oder dimmen. Ohne großen Aufwand können sich außerdem Lüfter oder Klimageräte in diesem Raum durch Erweiterung mit Bluetooth-Funkmodulen als Subscriber für die vom Präsenzsensor publizierten Nachrichten registrieren. Letzterer kann dann automatisch sowohl Beleuchtungs- als auch Lüftungssysteme steuern, ohne dass es zu nennenswerten Installationskosten oder Beeinträchtigungen kommt.
Umfassender System-Support für die Entwicklung
Bild 3: Ein Beleuchtungssystem bindet die Belüftungs- und Zugangssteuerung ins Bluetooth-Mesh-Netzwerk einer Smart-Home-Applikation ein, worin ein Smartphone als Proxy die Bedieneinheit bildet und ein Temperatursensor Messwerte zum Abonieren anbietet. Cypress
Die universelle Verbreitung von Bluetooth hat zu einer Eigendynamik geführt, bei der die Nachfrage seitens der Smart-Device-Hersteller den Anbietern von Bluetooth-Funkkomponenten Anreize zum Ausbau ihres Produktangebots bietet, was wiederum die Entwicklung Bluetooth-fähiger Geräte immer einfacher und attraktiver macht.
Ausgehend von einem gesunden BLE-Wachstum, laut Bild 1 und Bild 2, hat beispielsweise Cypress Semiconductor seine Unterstützung für das BLE-Mesh-Networking in seiner Palette von Chips und Modulen für Bluetooth und Bluetooth/Wi-Fi erweitert. Das umfasst die Einführung folgender Lösungen:
- System-on-Chip-Designs (SoC) mit äußerst geringem Stromverbrauch und einer Sende- bzw. Ausgangsleistung von bis zu 10 dBm. Diese hohe Sendeleistung ermöglicht eine maximale Distanz von einem Knoten zum anderen und sorgt damit für Flexibilität bei der Kommissionierung von Mesh-Netzwerken.
- Umfassendes Portfolio an Bluetooth-5.0-Modulen, die bereits für die Konformität zu den Bluetooth-Spezifikationen (einschließlich BLE Mesh Networking) zertifiziert sind.
- Klassenbeste, normkonforme Protokollsoftware
- Exemplarische Softwareprojekte für eine beschleunigte Implementierung der BLE-Netzwerkfähigkeit in den finalen Produktdesigns der Hersteller.
- Referenz-Softwaredesigns für BLE-Beleuchtungssteuerungs-Apps zum Betrieb unter Android, iOS, Linux und Windows.
Funksubsysteme und Mesh-Network-Knoten mit BLE
Bild 4: Das CYW20819-SoC enthält den kompletten Bluetooth-HF-Teil, die Takteinheit, ein Power-Mangement, umfangreiche Peripherieschnittstellen und ein Mikrocontroller-System, dessen ARM Cortex M4 diverse Protokoll-Stacks und Anwender-Code ausführt. Cypress
Bei den neuesten SoC-Produkten von Cypress handelt es sich um die Serie CYW208xx, die ein komplettes Bluetooth Classic- und BLE-Funksubsystem mit einem Mikrocontroller auf der Basis einer mit 96 MHz getakteten ARM Cortex-M4 CPU kombiniert. Der On-Board-Speicher von 1 MB ROM reicht für den Bluetooth-Protokollstack aus, sodass der 256 KB große Flash-Speicher des Chips für die Anwender-Applikation freibleibt (Bild 4).
Als SoC erreicht der Baustein CYW20819 eine Sendeleistung von +4 dBm, während es beim größenen CYW20820 +10 dBm sind. Vollständig zertifizierte Module wie das mit dem CYW20819 bestückte CYBT-213043-02 bilden eine komplette Hard- und Softwareplattform für einen BLE-Mesh-Networking-Knoten (einschließlich einer Antenne).
Das Software Development Kit, das Cypress kostenlos mit seinen Bluetooth-Produkten mitliefert, unterstützt alle vorgeschriebenen und optionalen Features des Bluetooth-Protokolls und enthält außerdem Referenz-Applikationssoftware für eine dimmbare Leuchte, einen Schalter, einen Dimmer, einen Bewegungssensor und einen Temperatursensor.
Für die Prototypenentrwicklung von BLE-Mesh-Knoten können Designer auf das Cypress Bluetooth Mesh Evaluation Kit zurückgreifen. Dieses umfasst vier Mesh-Knoten-Boards – jedes mit einem Bluetooth-Modul des Typs CYBT-213043-02 bestückt – sowie Licht-, Temperatur- und Bewegungssensoren.
BLE-Mesh-Geräte entwickeln und Gebäude intelligent vernetzen
Die Erweiterung des vertrauten und allgegenwärtigen Bluetooth-Protokolls durch Mesh-Networking-Fähigkeiten hat zum Entstehen einer neuen, skalierbaren Kurzstrecken-Netzwerktechnologie geführt, die eine flexible, betriebssichere Konnektivität für Tausende von Knoten mit einer Gesamtentfernung bis zu einigen hundert Metern ermöglicht – selbst in Gebäuden, die Funksignale durch massive Strukturen wie etwa Mauerwerk stark bedämpfen.
Aus der Fähigkeit zur schnellen Vernetzung batteriebetriebener Knoten und zu deren Steuerung mithilfe von Bluetooth-Geräten wie etwa Smartphones oder Tablets resultiert eine attraktive Anwendungsmöglichkeit beispielsweise für die intelligente Beleuchtungssteuerung. Darüber hinaus können Bluetooth-Beleuchtungssysteme als Plattform für die Steuerung weiterer Gebäudefunktionen wie etwa Heizung, Lüftung und Zugangskontrolle dienen.
Dank der Einführung der SoCs und Module von Cypress, die sich auf umfassende Protokoll- und Applikationssoftware sowie komplett ausgestattete Evaluation Kits stützen, ist die Entwicklung leistungsfähiger, stromsparender BLE-Mesh-Geräte jetzt so einfach wie nie zuvor.
Fawad Khan
(jwa)
