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Bluetooth

Noch fitter für Industrie-Anwendungen

21. Juli 2016, 9:54 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Mesh-Netz überwindet große Distanzen

Darüber hinaus bietet Bluetooth eine weitere Möglichkeit, die »Umgebungsintelligenz« in industriellen Anwendungen für die Kommunikation über größere Entfernungen zu nutzen: das vermaschte Netz (Mesh; Bild 2). Der Grundstein für diesen Modus wurde mit dem Erscheinen von Version 4.1 der Bluetooth-Spezifikation gelegt.

Mit dieser Version wurde das von Modulen wie der »Blue Giga«-Familie von Silicon Labs und dem »ENW89846A-KF« von Panasonic unterstützte Konzept des Scatternet eingeführt. Der von der ursprünglichen Protokollspezifikation von Bluetooth verwendete Piconet-Ansatz basiert auf einer konventionellen Master-Slave-Konfiguration, bei der ein Master logisch mit einer Gruppe von Slaves verbunden ist und die Kommunikation initiiert. Dies unterstützte die Kommunikation eines typischen Master-Geräts, etwa eines Mobiltelefons, mit einer Anzahl von Bluetooth-Peripheriegeräten wie Kopfhörern, Mikrofonen und Wearable-Sensoren. Scatternet jedoch ermöglicht einem Master-Knoten mit logischer Verbindung zu einem oder mehreren Slave-Knoten, zugleich auch als Slave anderer Knoten zu fungieren. Dadurch kann das Gerät zwischen Master- und Slave-Modus umschalten, um die für das vermaschte Netz erforderliche Mehrsprung-Konnektivität zu unterstützen.

Das vermaschte Netz verbessert sowohl die in der Industrieumgebung so wichtige Netzwerkstabilität als auch die Kommunikationsreichweite. In einem vermaschten Netz lassen sich Pakete über eine Reihe von Sprüngen zwischen benachbarten Knoten auf große Entfernungen hinweg übertragen. Falls ein für die Weiterleitung von Daten genutzter Knoten ausfällt, kann meist ein anderer Knoten als Ersatz einspringen. Dies ist in einer Industrieumgebung umso wahrscheinlicher, da hier meist eine größere Anzahl von Steuergeräten und Sensoren auf der Produktionsfläche verteilt eingerichtet sind. Auf diese Weise können sogar Sensoren an schwer zugänglichen Stellen – zum Beispiel auf dem Dach eines Lagers oder an der Oberseite einer großen Druckpresse – angesprochen werden, die für die direkte Wireless-Kommunikation unerreichbar wären.

Und noch eine weitere Funktion des vermaschten Netzes kann in Industrienetzwerken sehr nützlich sein. Um mehreren Geräten in einem IoT-Netzwerk eine Nachricht zukommen zu lassen, muss der Master diese bei einem konventionellen ungemaschten Protokoll der Reihe nach an die einzelnen Empfangsknoten senden. In einem Netzwerk, das die vermaschte Architektur unterstützt, kann er hingegen die so genannte »Flooding«-Technik nutzen. Hierbei sendet ein Gerät die Nachricht an die direkt benachbarten Geräte, die sie ihrerseits an ihre Nachbarn weiterleiten, bis schließlich alle Geräte benachrichtigt wurden.

Sicherheit bei Bluetooth

Doch so nützlich die Möglichkeit auch sein mag, viele Geräte gleichzeitig anzusprechen, kommt es in Industrieanlagen, die vor eindringenden Angreifern und Störungen der Systeme zu schützen sind, vor allem auf die Sicherheit an. Bluetooth unterstützt seit jeher sichere Kommunikation, erforderte bisher aber die Unterstützung eines Host-Mikrocontrollers. Mit der von Modulen wie dem BM70 von Microchip unterstützten Bluetooth-Version 4.2 wurden die Sicherheitsfunktionen des Protokolls verschärft und sitzt nun im HF-Controller. Kommt ein vertrauenswürdiges Gerät in Reichweite, muss nun also nicht mehr der Hostprozessor des Systems aufgeweckt werden, was die Stromaufnahme insgesamt verringert. Durch die Sicherheitseinstellungen können Anwender mithilfe sogenannter »Beacons« überwachen, wie sich Systeme auf einer Produktionsfläche bewegen und so den Bestand besser verfolgen.

Ein Beacon ist ein Bluetooth-fähiges Gerät, das mit anderen Geräten interagiert, sobald diese in Reichweite kommen. Seit dem Bluetooth-4.2-Update kann ein Beacon Nachrichten nur an solche Geräte senden, die den Beacon als vertrauenswürdig erachten. Die Protokoll-Updates erlauben auch sukzessive
Vertrauensebenen, sodass Beacons Nachrichten versenden können, die auf verschiedene Gerätetypen in ihrer Reichweite abgestimmt sind. Dies soll Entwicklern ein hohes Maß an Granularität für die Entwicklung von Bestandsverfolgungsanwendungen bieten. Texas Instruments beispielsweise unterstützt die Beacon-Technik auf einer Anzahl von Bluetooth-Controllern seiner CC25xx-Baureihe und hat ein Broadcast-only-Referenzdesign mit extrem geringer Stromaufnahme auf Basis des CC2543 vorgestellt. Damit unterstützt die Bluetooth-Technik »intelligente« Tracking-Tags laut Hersteller recht kostengünstig.

Aufgrund der Änderungen des Bluetooth-Protokolls können Geräte auch mit anderen Geräten interagieren, die das Wireless-Protokoll 6LowPAN nutzen. Diese 6LowPAN-Interoperabilität sollte Bluetooth als wichtige Funktechnik für das IoT stärken und möglicherweise als Verbindung zwischen dem zentralen industriellen Feldbus und kostengünstigen Sensorknoten etablieren, die 6LowPAN nutzen. Außerdem unterstützen die Module von Panasonic und Silicon Labs eine Vielzahl digitaler E/A-Standards wie GPIO, I²C, SPI und UART, sodass sich Bluetooth Smart Wireless in vorhandene Geräte einfach integrieren lässt.