Schwerpunkte

Bluetooth in der Industrie

Neue Funktionen und Möglichkeiten nutzen

04. Februar 2021, 19:00 Uhr   |  Von Roland Liebelt

Neue Funktionen und Möglichkeiten nutzen
© Phoenix Contact

Bluetooth ist eine allgegenwärtige Funktechnik – in Mobiltelefonen, Automobilen und vielen ande-ren Konsumgeräten. Doch Bluetooth kann mehr – und eignet sich durchaus auch für industrielle Anwendungen, in denen hohe Reichweite und ein energiesparender Betrieb gefordert werden.

Für die Freisprecheinrichtung im PKW reicht Bluetooth aus. Doch wie sieht es mit der Zuverlässigkeit aus, wenn Not-Halt-Taster über das Funkprotokoll in die Automatisierung eingebunden werden sollen? Und welche Rolle spielen die aktuellen Bluetooth-Low-Energy-Standards (BLE) in diesem Zusammenhang? Bei der Beantwortung derartiger Fragen sollte nicht außer Acht gelassen werden, dass Bluetooth insbesondere bei der Kommunikation mit Sensoren und smarten Maschinen zahlreiche neue Möglichkeiten eröffnet.

Viele Menschen nutzen Bluetooth als einfache Funktechnik zur Überwindung kurzer Distanzen – beispielsweise zum eigenen Smartphone. Der Standard bietet allerdings deutlich mehr, was gerade in industriellen Applikationen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit genutzt werden kann. Dazu tragen verschiedene Maßnahmen bei, die bereits seit vielen Jahren elementarer Bestandteil von Bluetooth sind.

So verwendet Bluetooth das sogenannte Frequency-Hopping-Verfahren, das für jedes Datenpaket einen anderen der 40 respektive 79 Funkkanäle nutzt, sodass sich Störungen nur minimal auswirken können. Werden einige der Kanäle als nicht nutzbar erkannt, weil sie beispielsweise von anderen Funksystemen belegt sind, lässt die Übertragung sie in Zukunft einfach aus.

Auf diese Weise sendet ein Bluetooth-System nach kurzer Zeit lediglich auf den Frequenzen, die in der jeweiligen Umgebung einsetzbar sind – und das ohne Konfigurationsaufwand und Störung weiterer in diesem Bereich funkender Systeme. Aufgrund von redundanten Datencodierungen lassen sich Übertragungsfehler zudem direkt korrigieren, wobei das Datenpaket nicht erneut verschickt werden muss. Deshalb erweist sich Bluetooth auch für industrielle Anwendungen schon seit geraumer Zeit als eine gute Wahl (Bild 1).

Aufgrund des Frequenzhopping-Verfahrens sendet das Bluetooth-System nur auf den Frequenzen, die in der jeweiligen Umgebung nutzbar sind
© Phoenix Contact

Bild 1. Aufgrund des Frequenzhopping-Verfahrens sendet das Bluetooth-System nur auf den Frequenzen, die in der jeweiligen Umgebung nutzbar sind.

Ein hartnäckiges Vorurteil stellt hingegen die kurze Reichweite dar. Diese ist jedoch keinesfalls auf wenige Meter begrenzt, denn reduzierte Sendeleistungen sind häufig dem geringen Energiebudget in batteriebetriebenen Geräten geschuldet. Mit industriellen Komponenten und der passenden Antennentechnik lassen sich durchaus Funkverbindungen über eine Distanz von mehr als 1000 m realisieren. Praktisch eignet sich Bluetooth in industriellen Applikationen zur Überbrückung von Reichweiten bis etwa 200 m.

Keine gegenseitige Beeinflussung

Eine generelle Stärke von Bluetooth liegt in der guten Koexistenz mit anderen Funksystemen. Durch den ständigen schnellen Wechsel zwischen den Funkkanälen erscheint das Bluetooth-System für die anderen Funksysteme weniger als aktiver Funksender, sondern als geringes Hintergrundrauschen.

Erst wenn andere Bluetooth-Systeme die Reihenfolge der verwendeten Funkkanäle kennen, kann überhaupt eine Kommunikation zustande kommen. Daher lassen sich sehr viele Bluetooth-Systeme parallel zueinander betreiben, ohne dass sie sich gegenseitig beeinflussen. Darüber hinaus: Weder WLAN noch weitere schmalbandige Funksysteme werden von Bluetooth beeinträch tigt oder wirken sich umgekehrt negativ auf das Bluetooth-System aus.

Für Maschinenbauer entpuppt sich als besonders interessant, dass Bluetooth international einsetzbar ist und im Gegensatz zu einem WLAN-System keine Kanalplanung benötigt. Eine in Deutschland gebaute Maschine mit
Bluetooth-Kommunikation funktioniert überall auf der Welt in gleicher Weise, ohne die Nutzung des Frequenzbands am neuen Aufstellungsort betrachten zu müssen. Angesichts der immer stärkeren Verwendung der Funkkanäle auch im industriellen Umfeld spielt das Thema »Koexistenz von Funksystemen« eine stetig größere Rolle.

Klassische Umsetzung zeitkritischer Übertragungen

Die einzelnen Bluetooth-Standards werden in Form von Zahlen benannt, also 1.2 oder 2.1. Mit jeder neuen Versionsnummer wurden Erweiterungen definiert, die für die verschiedenen Anwendungen mehr oder weniger hilfreich sind. Dabei wird schnell übersehen, dass der Sprung auf die Revision 4 nicht nur mit einigen neuen Funktionen einhergeht. Vielmehr handelt es sich um eine grundsätzlich andere Technik, die nicht kompatibel zu den Vorgängerversionen ist.

Ab der Version 4 erhält Bluetooth den Zusatz »Low Energy«. Zur Unterscheidung wird die vorherige Technik rückblickend als »Classic Bluetooth« bezeichnet. Classic Bluetooth ist allerdings mehr als Nostalgie: Selbst die aktuellen Bluetooth-Low-Energy-Versionen erreichen bestenfalls den Datendurchsatz und die Zuverlässigkeit der letzten relevanten Classic-Bluetooth-Version 2.1, übertreffen beides jedoch nicht. Deshalb werden Audio- und weitere zeitkritische Übertragungen noch immer »klassisch« umgesetzt (Bild 2).

Bluetooth Low Energy (BLE) – handelt es sich um eine grund­sätzlich andere Technik, die nicht kompatibel zu den Vorgängerversionen ist. Moderne Bluetooth-Transceiver-ICs
© Phoenix Contact

Bild 2. Bei der Bluetooth-Version 4 – Bluetooth Low Energy (BLE) – handelt es sich um eine grund­sätzlich andere Technik, die nicht kompatibel zu den Vorgängerversionen ist. Moderne Bluetooth-Transceiver-ICs – sofern sie nicht als reine BLE-ICs spezifiziert sind – beherrschen beides, Classic-Bluetooth und BLE.

Als entscheidend für die möglichen Anwendungsbereiche erweisen sich die sogenannten Profile. Unter einem Profil ist eine Protokoll-Definition zu verstehen, in der Softwareschnittstellen für bestimmte Applikationen beschrieben werden. Im industriellen Umfeld gibt es zum Beispiel das SPP-Profil (Serial Port Profile), mit dem sich serielle Kommunikation via Bluetooth weiterleiten lässt.

ls besonders interessant zeigt sich das PAN-Profil (Personal Area Network), das die transparente Übertragung von Ethernet ermöglicht – sozusagen eine Funkstrecke als Netzwerkkabel. Die Technik hat sich seit vielen Jahren bewährt und eignet sich ebenfalls für industrielle Protokolle wie Modbus TCP, Profinet RT oder Profisafe. Für diese Classic-Bluetooth-Profile findet sich bislang keine Alternative im Bluetooth-Low-Energy-Standard, weshalb sie auch in aktuellen Geräten auf dem Classic-Bluetooth-Standard 2.1 basieren.

Geringer Energiebedarf der Funkkommunikation

Als wirklich neu ist mit Bluetooth Low Energy das Generic-Attribute-Profil (GATT) eingeführt worden. Ein GATT-Server stellt Daten in einer Art Datenbankstruktur bereit, die ein GATT-Client abfragen oder sich bei einer Änderung zuschicken lassen kann. Das klingt komplizierter als es ist: Als GATT-Server dient beispielsweise ein Sensor, der Werte wie Temperatur, Druck oder Vibrationen erfasst.

Das Messergebnis des Sensors und die Art und Weise, wie mit diesem Wert umzugehen ist, werden in seiner Datenstruktur abgelegt. Der GATT-Client – z.B. eine Smartphone-App – kann sich so mit dem Sensor verbinden und gezielt den Druckwert aus dessen Datenstruktur abrufen (Read-Funktion). Alternativ ist es möglich, dass sich die App jede Änderung aktiv vom Sensor zusenden lässt (Notification-Funktion).

Im Gegenzug können Aktoren ebenfalls als GATT-Server arbeiten und mit Daten von einer Applikation beschrieben werden (Write-Funktion). Das erlaubt zum Beispiel das Ein- und Ausschalten einer Warnleuchte oder Öffnen eines Schlosses – je nachdem, welche Funktionen das Endgerät physikalisch sowie in der GATT-Datenstruktur anbietet (Bild 3).

Mit dem neuen GATT-Profil lassen sich sehr einfach Sensordaten per Bluetooth abfragen
© Phoenix Contact

Bild 3. Mit dem neuen GATT-Profil lassen sich sehr einfach Sensordaten per Bluetooth abfragen.

An dieser Stelle kommt der Low-Energy-Aspekt zum Tragen. Häufig müssen Sensoren autark arbeiten. Dort, wo der Druck oder die Temperatur aufgenommen werden soll, steht meist keine Spannungsversorgung zur Verfügung. Daher wird der Sensor von einer Batterie gespeist. Die Datenübertragung per Funk ist deswegen für den Energiebedarf des Sensors und damit dessen Einsatzdauer von entscheidender Bedeutung.

Genau auf diesen Aspekt – geringer Energiebedarf – wurde Blue­tooth Low Energy optimiert. So lassen sich Sensoren herstellen, die über Jahre oder bis zur nächsten turnusmäßigen Wartung autonom betrieben werden können.

Seite 1 von 3

1. Neue Funktionen und Möglichkeiten nutzen
2. Vergrößerung der Reichweite durch Netzwerk
3. Zuverlässige Funkkommunikation für IIOT-Komponenten

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Verwandte Artikel

Phoenix Contact GmbH & Co KG