Kabellos vernetzte Fabriken Bluetooth 5: Einsatz für Industrie 4.0

Im Dezember 2016 führte das Bluetooth-Konsortium, die Bluetooth Special Interest Group (SIG), Bluetooth 5 ein, die neueste Version der Kernspezifikation von Bluetooth. Die fünfte Version weist eine Reihe Verbesserungen auf. Neben der Bluetooth 5-Spezifikation veröffentlichte das Konsortium im Juni 2017 die Spezifikation für Bluetooth Mesh. Bei Bluetooth Mesh handelt es sich um eine Software-Erweiterung, die bei jeder Lösung mit Bluetooth Low Energy eingesetzt werden kann. Bluetooth 5 ist dazu nicht erforderlich.

Die Highlights von Bluetooth 5

Bluetooth 5 bietet im Vergleich zur Vorgängerversion drei wichtige Verbesserungen: doppelte Datenrate (2 Mbit/s statt 1 Mbit/s), vierfache Reichweite und achtfache Advertising-Paketgrösse (Beacons). Dank der physischen Rate (PHY) von 2 Mbit/s verdoppelt sich im Vergleich zur Vorgängerversion der Spezifikation die Datenmenge, die pro Sekunde übertragen werden kann. Zwar erfordert Bluetooth 5 geringfügig mehr Strom als früher. Andererseits erfolgt die Übertragung doppelt so schnell. Infolgedessen kann dieselbe Datenmenge mit etwas mehr als 50 Prozent der bei Bluetooth 4.2 erforderlichen Gesamtenergie übertragen werden.

Neben schnelleren Datenübertragungsraten sorgen die kürzeren Übertragungszeiten für eine verbesserte Koexistenz mit anderen 2,4 GHz-Funksendern, darunter andere Verbindungen per Bluetooth Low Energy, da der Funksender weniger lang aktiv ist. Die Bluetooth Special Interest Group ist bestrebt, durch die Vergrösserung der Reichweite des Bluetooth-Signals den Einsatz von Bluetooth Low Energy auf den gesamten häuslichen Bereich auszuweiten. Die beiden neuen Modulationsoptionen 125 kbit/s und 500 kbit/s vergrössern die Reichweite im Vergleich zur derzeitigen Spezifikation für Bluetooth Low Energy auf das bis zu Vierfache. Es wird davon ausgegangen, dass Bluetooth-Signale bei Sichtverbindung mit demselben Energieeinsatz eine Reichweite von 1 km überschreiten werden. Durch die Bluetooth 5-Spezifikation erhöht sich auch die maximale Ausgangsleistung auf 20 dBm. Derzeit beträgt der Wert 10 dBm. Auf diese Weise können Bluetooth 5 Geräte in noch grösserem Abstand betrieben werden, was aber auch einen höheren Stromverbrauch mit sich bringt.

Intelligenter Datenaustausch

Das dritte Leistungsmerkmal von Bluetooth 5 ist die erweiterte Advertising-Funktion. Advertising wurde erstmals bei Bluetooth Low Energy eingeführt. Mit dieser Funktion können Low-Power-Sensorknoten einer Zentraleinheit signalisieren, dass neue Daten vorliegen. Wenn die Zentraleinheit an den Daten interessiert ist, erstellt sie eine Verbindung, bei der Daten mit dem Sensorknoten ausgetauscht werden. Nach dem Datenaustausch wird die Verbindung beendet und der Sensorknoten wechselt zurück in den Low-Power-Modus. Kurze Advertising-Meldungen reichten für diese Art des Austauschs aus.

Doch schon bald kamen die Gerätehersteller auf die Idee, dass diese Art «nicht verbundener» Advertising-Meldungen auch als Beacon zum Senden von Informationen genutzt werden können, ohne dass erst eine Verbindung aufgebaut werden muss. Mit der Verbreitung der Beacon-Einsatzmöglichkeit kam der Wunsch, diese Funktion leistungsstärker zu machen und ihre Möglichkeiten zu erweitern. Bluetooth 5 verbessert die Beacon-Einsatzmöglichkeiten: Die Länge der Advertising-Meldungen wurde von früher 31 Byte auf 512 Byte gesteigert, wobei auch mehrere 512 Byte-Meldungen zusammengefasst werden können. Um Staus zu vermeiden, werden diese Advertising-Pakete auf alle 40 verfügbaren Kanäle ausgedehnt und nicht wie bei der bisherigen Spezifikation auf drei Advertising-Kanäle beschränkt.

Dank der erweiterten Advertising-Funktion können Knoten mehr Datenpakete, sogar Paketströme versenden, ohne zuvor eine Verbindung per Bluetooth Low Energy aufbauen zu müssen. Zwar wurde Bluetooth Low Energy für Low Power-Einsatzmöglichkeiten, kurze Datenpakete und den schnellen Verbindungsaufbau konzipiert. Doch der Aufbau einer Verbindung per Bluetooth Low Energy verbraucht immer auch zusätzlichen Strom. Bei einigen Einsatzmöglichkeiten kann der Stromverbrauch durch den Datenversand ohne Verbindung sogar noch weiter gesenkt werden. Advertising-Meldungen spielen bei Bluetooth Mesh eine entscheidende Rolle.

Einsatzerweiterung durch Bluetooth Mesh

Kurz nach der Veröffentlichung der Spezifikation von Bluetooth 5 brachte die Bluetooth SIG die Spezifikation für Bluetooth Mesh heraus. Gemeinsam bilden Bluetooth 5 und Bluetooth Mesh die Basis für viele neue Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten. Sie sind für industrielle IoT-Lösungen besonders wichtig, da sie Einsatzmöglichkeiten eröffnen, die bisher nur mit anderen Technologien wie ZigBee, Sub-GHz und weiteren möglich waren. Da die wesentlichen Vorteile bereits von Bluetooth unterstützt werden, wird die Kombination von Bluetooth 5 und Bluetooth Mesh voraussichtlich eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten eröffnen. Bluetooth Mesh wird von der Bluetooth SIG standardisiert. Das bedeutet, dass Geräte, bei denen der neue Standard implementiert ist, interoperabel sein werden. Bluetooth Mesh basiert auf einem Publish-Subscribe-Modell, auf Managed-Flooding und der Partnerschaft von Low-Power-Knoten.

In einem Bluetooth Mesh-Netzwerk werden die Netzwerkknoten so konfiguriert, dass sie nach einem Publish-Subscribe-Modell arbeiten. Informationen werden in Form von Meldungen zwischen den Knoten übermittelt. Knoten, die Daten oder Aktionen bereitstellen, verwenden Meldungen, um Informationen im Netz zu veröffentlichen. Andere Knoten können die in den Meldungen enthaltenen Daten entweder sammeln oder für Aktionen nutzen. Ein einfaches Mesh-Netzwerk, das aus Schaltern und Lampen besteht, zeigt, wie deren Betrieb konfiguriert ist. Um eine Meldung im Mesh-Netzwerk zu verbreiten, sendet der Quellknoten seine Meldung ganz einfach per Advertising. Andere Knoten im Netzwerk empfangen die Meldung und leiten sie an alle anderen Knoten weiter. Dadurch wird die Reichweite des Mesh-Netzwerks im Vergleich zu einer einzelnen Bluetooth-Verbindung gesteigert. Dies wird als Flooding-Mesh bezeichnet.

Damit ein Netzwerk die Weiterleitung unterstützt, müssen die Weiterleitungsknoten jederzeit für Meldungen empfangsbereit sein. Sie dürfen folglich nicht im Low-Power-Modus arbeiten. Knoten mit begrenzter Leistung können stattdessen für eine Partnerbeziehung mit Weiterleitungsknoten konfiguriert werden. Bei einer Partnerbeziehung speichert der Weiterleitungsknoten Daten temporär, bis der Low-Power-Knoten erwacht. Die Daten werden dann innerhalb des kurzen Zeitraums ausgetauscht, in dem der Low-Power-Knoten aktiv ist.

Steigerung der Effizienz in der Industrie 4.0

In der Fertigung arbeitet man mit Industrie 4.0 daran, Technologien zur Steigerung der Effizienz und der Umweltverträglichkeit einzusetzen. Beispiele für solche Grundlagentechnologien sind etwa kostengünstige Sensoren mit geringem Stromverbrauch, Wireless-Konnektivität, erschwingliche Netzinfrastruktur und Rechenleistung für die Analyse grosser Datenmengen (Big Data). Bei der vorbeugenden Wartung werden herkömmliche Elektromotoren beispielsweise mit Sensoren ausgestattet. Die Sensordaten werden dann analysiert, um den Betriebszustand zu beurteilen (Temperatur, Vibrationen und weitere) und anhand dessen zu prognostizieren, wann eine Wartung erforderlich ist. Das Ziel der vorbeugenden Wartung ist es, zum einen unerwartete Ausfälle zu verhindern, die zu ungeplanten Unterbrechungen des Fertigungsprozesses führen würden, und zum anderen unnötige Wartungsarbeiten zu vermeiden, die ein zu konservativer Wartungsplan mit sich bringen würde.

Die erweiterten Funktionsmerkmale von Bluetooth 5 ebnen den Weg für eine Reihe neuartiger Anwendungen im industriellen IoT-Bereich. Beispiele hierfür sind Firmware-Upgrades für Geräte, umfangreiche Sensornetzwerke in der Industrie, Güterlokalisierung, vernetzte Gebäude und industrielle Echtzeitsteuerung. Die höhere Datenrate von Bluetooth 5 (bis zu 1,4 Mbit/s) reicht aus, um schnell kleine Dateien über die Verbindung per Bluetooth Low Energy zu versenden. So können industrielle Geräte mit eingebetteter Firmware wie etwa frequenzgesteuerte Antriebe Firmware-Dateien für drahtlose Firmware-Upgrades (DFU-OTA) über eine Verbindung per Bluetooth Low Energy empfangen. Smartphones der aktuellsten Generation, die Bluetooth 5 unterstützen, können als mobile Gateways zwischen Internet und industriellem Gerät genutzt werden.

Für die vorbeugende Wartung müssen Sensoren mit einer Reihe ansonsten nicht vernetzter Geräte verbunden sein. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu erreichen: Die Sensoren können entweder direkt mit dem Mobilfunknetz oder mit Funknetzen kurzer Reichweite verbunden sein, die ihrerseits mit Mobilfunk-Gateways verbunden sind. Die zweite Methode wird als Kapillarsensornetzwerk bezeichnet. Bluetooth 5 und Bluetooth Mesh können Kapillarsensornetzwerke unterstützen, da mit ihrer Hilfe zahlreiche Sensoren an ein umfangreiches Netzwerk angebunden werden können.

Anwendungsmöglichkeiten

Mesh-Netzwerke, die zur Lichtsteuerung in einem Gebäude oder einer Fabrik eingerichtet wurden, können für zusätzliche Anwendungszwecke, etwa für die Güterlokalisierung, genutzt werden. Dazu müssen Bluetooth Mesh-fähige Inventartags mit demselben Mesh-Netzwerk verbunden werden. Dadurch können die Knoten des Mesh-Sensornetzwerks an die Geräte, die das Netzwerk überwachen, melden, welche Inventartags sie erkannt haben. Anhand der von mehreren Knoten im Netzwerk gesammelten Daten, kann der Standort der einzelnen Inventargegenstände ungefähr ermittelt werden. Die erzielte Genauigkeit reicht aus, um zu sagen, auf welcher Etage und sogar in welchem Raum sich gesuchte Inventargegenstände befinden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise teure, bewegliche Industrieanlagen und Sonderwerkzeuge an Fertigungsstandorten überwachen.