Bluetooth-Low-Energy Industrie 4.0. und IoT: Leicht zu integrieren

Industrie 4.0 und IoT basieren darauf, dass sich Geräte untereinander vernetzen. Obwohl das Internet of Things das Internetprotokoll und WLAN-Verbindungen nahelegen, gibt es Szenarien, in denen andere Techniken wie Bluetooth-Low-Energy (BLE) Vorteile bieten.

Smart-Factory und Smart-Home generieren zunehmend Smartphones oder Tablet-PCs als Bedienschnittstelle für andere Geräte. Bluetooth-Low-Energy (BLE) bietet dafür die perfekte Voraussetzung, da diese Funkschnittstelle in modernen Smart-Devices standardmäßig vorhanden ist und so sehr energieeffizient »kleine Datenmengen« übertragen werden können. Dies macht BLE nicht nur für netzversorgte Industriemaschinen interessant, sondern auch für batteriegespeiste Geräte, wie mobile Temperatursensoren oder Hausgeräte wie Rauchmelder, die mit einer solchen Schnittstelle ausgestattet werden können. Darüber hinaus besteht bei Geräten mit Displays das Potenzial, das Display einzusparen und bei Bedarf die Daten auf einem mittels BLE verbundenen Smartphone oder Tablet zu visualisieren.


Die Smart-Factory oder das Smart-Home entstehen in den seltensten Fällen auf der grünen Wiese. Eine intelligente Vernetzung von Geräten und Sensoren wird viel eher zunächst als Upgrade bestehender Produkte und Lösungen eingeführt werden. Amber wireless hat deshalb bei seinem AMB2621 Bluetooth-LE-4.2-Modul besonders auf eine leichte Inte-grierbarkeit geachtet. Es enthält dafür von Haus aus einen Firmware Stack, der via serieller Schnittstelle über Befehle gesteuert werden kann, die dem AT-Befehlssatz ähnlich sind. Die zur Verfügung gestellten Kommandos erlauben es dem Entwickler, die BLE-Schnittstelle für seine Zwecke zu konfigurieren, um beispielsweise Sendestärke und Geschwindigkeit der Datenübertragung sowie die daraus resultierenden Stromverbräuche der jeweiligen Applikation anpassen zu können. Weitere Kommandos steuern Verbindungsaufbau, Datenübertragung und Wechsel in verschiedene Stromsparmodi.

Bei dem AMB2621 handelt es sich um ein 8 mm × 11 mm × 1,8 mm großes FCC- und CE-zertifiziertes BLE-Modul (Bild 1) mit dem BLE-Chip nRF52832 von Nordic Semiconductor als Basis. Dieser enthält eine ARM-Cortex-M4-CPU und 512 kB Flash-Speicher. Die Stromaufnahme beträgt beim Senden 5,3 mA@0 dBm, beim Empfang 5,4 mA und im Sleep-Modus 0,4 µA.

Die Kommandos des Amber-Firmware-Stacks folgen einem einfachen Aufbau (Tabelle 1). An das Start-Byte 0×02 schließt ein Kommando-Byte an, wie in Tabelle 2 dargestellt, gefolgt von einem 2-Byte-Längenfeld, den kommandospezifischen Nutzdaten und der angehängten Prüfsumme, die die korrekte Übertragung der Bytefolge garantiert.

Bild 2 zeigt, wie diese Syntax in der Praxis aussieht. Im Falle, dass ein Smartphone mit der MAC 0x825CA7E287D0 sich auf dem AMB2621 verbindet, sendet das AMB2621 per UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) die folgenden Nachrichten an den angeschlossenen Host: 
0x02 0x86 0x07 0x00 0x00 0x82 0x5C 0xA7 0xE2 0x87 0xD0 0x4F


Verbindung zum Gerät mit der MAC 0x825CA7E287D0 wird geöffnet, 
0x02 0xC6 0x08 0x00 0x00 0x82 0x5C 0xA7 0xE2 0x87 0xD0 0x13 0x13 

Verbindung zum Gerät mit der MAC 0x825CA7E287D0 wurde hergestellt.

Wenn das Smartphone nun beispielsweise mit Hilfe der AMB2621-Toolbox-App eine Nachricht wie »Hey AMB2621!« sendet, übermittelt das AMB2621 die folgenden Daten per UART an den angeschlossenen Host: 
0x02 0x84 0x13 0x00 0x82 0x5C 0xA7 0xE2 0x87 0xD0 0xC8 Hey AMB2621! 0x89


Es wurden Daten empfangen von dem Gerät mit der MAC 0x825CA7E287D0. Die Daten sind »Hey AMB2621!«. Der zugehörige RSSI-Wert ist 0xC8, also -56 dBm.

Wenn nun das AMB2621 Daten wie »Hey App!« an das Smartphone übertragen soll, muss der angeschlossene Host folgende Daten an das AMB2621 per UART senden: 
0x02 0x04 0x08 0x00 Hey App!1A 

Versende bitte »Hey App!« an das verbundene Gerät.

Bild 3 zeigt die Abfolge. 

Peripheral Only: Bluetooth als transparenter Kabelersatz

Der Betrieb des Bluetooth-Moduls mit Kommandosteuerung ist im Sinne der Funktionalität – zum Beispiel Konfiguration im laufenden Betrieb – und aus Sicherheitserwägungen (Checksumme) ideal. Doch manchmal sind die Anforderungen andere. 

Dafür gibt es neben dem Betrieb des Moduls per Kommando den »Peripheral-Only-Modus«. Mit diesem Modus ist aufgrund der transparenten UART-Schnittstelle das Nachrüsten von Geräten möglich, bei denen eine Anpassung der seriellen Schnittstelle nicht gewollt oder möglich ist. Dies können beispielsweise Industriemaschinen mit einer bestehenden RS232-Schnittstelle sein.

Hersteller Amber wireless hat die Option, das Funkmodul im Sinne des Bluetooth-Protokolls als »Peripherie« zu betreiben, bewusst eingeführt, da dies für sehr viele Anwendungsfälle interessant ist: Man stattet Geräte mit einem solchen Funkmodul aus, damit man sich mit ihnen verbinden kann. Das heißt, das Pairing wird von einem Mobilgerät angestoßen. Auch ohne Befehlssteuerung, die zum Abschalten des nicht benötigten Moduls nötig wäre, ist AMB2621 im »Peripheral-Only-Betriebsmodus« besonders stromsparend, da das UART-Interface nur beim Aufbau einer Funkverbindung aktiv ist. Als Sicherheitseinrichtung wird im Standard das unkomplizierte Static-Passkey-Pairing verwendet, wie man es von der Freisprechanlage im Auto kennt. AMB2621 mit Peripheriemodus ist immer dann zu empfehlen, wenn das Modul selbst keine Verbindungen initiiert (also nur von außen kontaktiert wird) oder keine Nutzerschnittstelle implementiert werden kann, weil der Rest des Produkts bereits fertig ist.

Bluetooth ist in dieser Anwendung »Kabelersatz« und entsprechend einfach die Kommunikation. Im »Peripheral-Only-Modus« würde beim oben beschriebenen Beispiel der Host nur »Hey AMB2621!« ohne Header- und Prüfsummen-Bytes empfangen, beziehungsweise er müsste nur »Hey App!« an das Modul senden, damit diese Daten an das verbundene Smartphone übertragen werden. 

StartsignalKommandoLängeNutzdaten
Prüfsumme

1 Byte
1 Byte
2 Byte, Least Significant Byte zuerst
x Byte1 Byte

 

Tabelle 1: Kommandos des Amber-Firmware-Stacks.

BLE-Möglichkeiten ausgereizt

Mit dem Peripheral-Only-Mode nutzt Amber wireless eine für Mobilkom-Anwendungen typische Funktion für industrielle Zwecke. An anderer Stelle entfernt sich der Hersteller bewusst von den üblichen Standards. Für den Funk bietet das AMB2621 das sogenannte Amber-SPP-like-Profil, das die Übertragung von allgemeinen Daten zwischen den beiden Verbindungspartnern erlaubt. Das Bluetooth-Serial-Port-Profile (SPP) gibt es bei BLE eigentlich nicht mehr, weshalb Amber wireless hier eine eigene Lösung anbietet. Dabei wird das optionale Bluetooth-4.2-Feature »data length extension« (DLE) verwendet, sodass mit dem AMB2621 Payload-Größen von bis zu 243 Byte pro Bluetooth-Paket möglich werden. Dies schraubt den Durchsatz auf bis zu 5 kB/s hoch. Um eine sichere Datenübertragung zu gewährleisten, werden die bekannten Pairing-Methoden wie JustWorks oder StaticPasskey zur Verfügung gestellt. Bei letzterem muss ein 6-stelliger Schlüssel auf einem Endgerät eingegeben werden, damit eine gesicherte Verbindung aufgebaut werden kann. Auch die Bonding-Funktion, also das Nutzen von bereits verwendeten Schlüsseln zur Re-Authentifizierung, ist im AMB2621 verfügbar.


Kommando

Beschreibung
0x04Daten senden
0x84Es wurden Daten empfangen
0x86Verbindung wird aufgebaut
0xC6Verbindung ist offen, Datentransfer nun möglich

 

Tabelle 2: Aufbau eines Kommando-Bytes.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten 

Die Entscheidung zwischen Befehlssteuerung des Chips und Peripheriemodus wird in vielen Fällen klar durch die Anforderungen der Anwendung vorgegeben sein. Es ist aber auch möglich, den sonst fest verlöteten Pin für die Wahl des Modus mit einem Schalter zu versehen. Dies kann sinnvoll sein, wenn das Funkmodul normalerweise nur für vom Mobilgerät initiierte Datenabfragen verwendet wird, gelegentlich aber vom Gerät für komplexere Kommunikationsaufgaben zum Beispiel für Wartungs- oder Konfigurationsaufgaben geöffnet wird. 

Natürlich beherrscht das Modul auch alle anderen Bluetooth-Modi. Zum Beispiel Broadcasting: Anstelle der verbindungsorientierten Datenübertragung werden dabei sogenannte Beacons dazu verwendet, stromsparend Daten zu auszusenden – das Modul »schläft«, wenn es nicht sendet. Diese Funktion ist beispielsweise in batteriebetriebenen Sensorapplikationen gut einsetzbar, wie dem periodischen Übertragen von Temperatur- oder anderen Umweltwerten. Auch eine Abstandsschätzung eines Senders per RSSI-Wert beziehungsweise eine Positionsbestimmung durch Triangulierung mehrerer Beacons ist denkbar.


Fazit 

Statt ein Gerät mit einem Display auszustatten, ein Smartphone als Benutzer-Interface nutzbar zu machen oder zum Beispiel eine Türsteuerung mit Mobilgerät zu entwickeln, das sind Anwendungen, die man gerne unabhängig von der Verfügbarkeit eines WLANs macht – Bluetooth ist hier die sinnvolle Alternative. Das vorgestellte Funkmodul macht die Integration besonders einfach. Muster des AMB2621 sowie das zugehörige Evaluationsboard AMB2621-EV sind übrigens ab Lager verfügbar. Field Sales Engineers stehen vor Ort zur Unterstützung des Design-In-Prozesses zur Verfügung, als auch zum Herausarbeiten von Spezifikationen, falls eine kundenspezifische Anpassung des Amber-Firmware-Stacks gewünscht ist.
 
Dipl. Math. techn. Matthias Hauser 
studierte technische Mathematik mit Ausrichtung Elektrotechnik an der TU Kaiserslautern. Er arbeitete danach 6 Jahre am Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) im Bereich Regelung und Analyse von verteilten Systemen, bevor er im Januar 2015 zu Amber wireless wechselte. Als Softwareentwickler ist er spezialisiert auf Entwicklung von embedded Firmware für Mikrocontroller und Funkchips, unter anderem für proprietären Funk (Amber RF-Stack) und Bluetooth Low Energy.