Bluetooth Low Energy für Industrie 4.0 Von der Fernbedienung zum IoT-Knoten

Bei einer flexiblen Plattform definiert die Software, ob das Bluetooth-Gerät eine Fernbedienung oder ein IoT-Device ist.

Industrie 4.0 und IoT basieren darauf, dass alle Geräte untereinander oder mit der Cloud verbunden sind. Ermöglicht wird dies durch diverse drahtlose Kommunikationstechnologien. Einer der sich am schnellsten entwickelnden Übertragungstechniken ist dabei Bluetooth Low Energy (BLE).

Moore’s Law folgend gab es während des vergangenen Jahrzehnts rapide Fortschritte im Bereich der Embedded-Geräte. Dies wiederum hat den Hype um das Internet of Things (IoT) angeheizt. Demnächst wird die Hardware zur Massenware, und die Differenzierung erfolgt durch die Software. Damit werden flexible Plattformen möglich, die schlicht durch Anpassung der Software für einen anderen Zweck verwendet werden können.

Bei seiner Einführung im Jahr 2010 war Bluetooth Low Energy für stromsparende Sensoren gedacht, die mit hoher Latenz geringe Datenmengen zu übertragen hatten. Derartige Produkte findet man heute in Form von Herzfrequenzsensoren, Beacons im Einzelhandel und Consumer-Produkten. Die nächste Gerätegeneration, aber auch künftige Produkte müssen mit fortschrittlicheren Features aufwarten. Glücklicherweise trägt die Technologie-Roadmap für Bluetooth dem Großteil dieser neuen Anforderungen Rechnung. Die neue Bluetooth-Generation wird, was die Fähigkeiten angeht, gegenüber den anfänglichen Energiespar-Anforderungen an Bluetooth einen großen Sprung nach vorn machen, viermal mehr Reichweite bieten und die Übertragungsrate verdoppeln.

Mehr Reichweite ermöglicht nicht nur Verbindungen über größere Distanzen hinweg, sondern macht auch die Indoor-Kommunikation wesentlich robuster. Schließlich nutzt BLE das 2,4-GHz-Band, zu dessen Schwächen es leider gehört, dass Signale mit diesen Frequenzen normalerweise keine Wände und Decken durchdringen können. Bei vergrößerter Reichweite können die Signale den Empfänger dagegen über einen Umweg erreichen, z.B. durch Türen oder kleine Öffnungen. Man erwartet, dass die neue Verbesserung Entfernungen von bis zu 1 km zwischen zwei Geräten möglich machen wird. Außerdem bietet diese neue Generation eine höhere Datenrate: 1,4 MBit/s sind definitiv von Vorteil für Streaming-Anwendungen oder Over-The-Air-Updates. Auf das dieses Jahr kommende Bluetooth 5 kann man sich also freuen.

Ein Beispiel soll zeigen, wie sich herkömmliche Consumer-Produkte in universelle IoT-Knoten verwandeln lassen. Fernbedienungen arbeiten üblicherweise mit Infrarot-Technik (IR), jedoch gibt es einen klaren Trend zur Funkübertragung, denn die hat den Vorteil, dass keine Sichtverbindung zwischen Fernbedienung und Gerät bestehen muss. Ein weiterer Pluspunkt der Hochfrequenz-Übertragung ist, dass mehr Daten übertragen werden können – und zwar in beiden Richtungen.

Angenommen, die Fernbedienung für ein Fernsehgerät oder eine Set-Top-Box (STB) sei mit Bluetooth Low Energy implementiert. Bei dem BLE-Chipsatz dürfte es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um ein System-on-Chip mit eingebautem Mikrocontroller handeln, sodass in der Fernbedienung keine weiteren Prozessoren benötigt werden. Bei den meisten angebotenen Chipsätzen lassen sich durch zusätzliche Sensoren oder mit softwarebasierten Verbesserungen Alleinstellungsmerkmale realisieren:

Audioübertragung: Indem man das Design durch ein Mikrofon ergänzt, lässt sich Bluetooth Low Energy dafür nutzen, Chip-intern codierte Audiodaten für die Spracherkennung auf der Empfängerseite zu übertragen.

HID over GATT (HOGP) ist ein BLE-Profil, das der Fernbedienung direkte Kompatibilität zu Systemen verleiht, die Maus, Tastatur oder Consumer-übliche Bedienelemente nutzen. Ob nun eine Funkmaus mit Bewegungssensoren verwendet wird oder die Interaktion einfach per Tasten erfolgt: Es ist auf jeden Fall hilfreich, über ein interoperables Protokoll auf der Applikations-Ebene zu verfügen.

OTA-Firmware-Upgrades ermöglicht das Einspielen neuer Features in Geräte, die sich bereits auf dem Markt befinden. Mit diesen Updates können Hersteller Änderungen aus einer vertrauenswürdigen Quelle teilen, um neue Funktionen zu implementieren oder die Software zu pflegen, ohne dass die Interaktion mit dem Benutzer beeinträchtigt wird.

IR-Treiber: Wird Abwärtskompatibilität zu älteren Systemen verlangt, kann die Verfügbarkeit der guten alten IR-Lösung hilfreich sein. Der gesamte IR-Datenbestand kann dabei durch einen Cloud-Dienst gehostet werden, und die erforderlichen Befehle könnten abhängig vom Hersteller des Fernsehgeräts oder der STB per BLE automatisch heruntergeladen werden.