Einfacher, sicherer und skalierbar
Bluetooth Mesh 1.1 für die smarte Beleuchtung
Mit der neuen Version 1.1 bietet Bluetooth Mesh eine Reihe neuer Funktionen, die Beleuchtungsanwendungen zusätzliche Vorteile bieten. Zu den wesentlichen Neuerungen zählen: eine standardisierte Methode für Firmware-Updates, die Kopplung von Subnetzen und das direkte Weiterleiten von Nachrichten.
Innenbeleuchtung ist eine wesentliche Forderung in Gebäuden – ohne sie würden große Teile der Innenräume entweder vorübergehend – nach Einbruch der Dunkelheit – oder vollständig unbrauchbar. Die Beleuchtung kann bis zu 40 Prozent der Energiekosten für den Betrieb eines Gebäudes ausmachen. Ein beträchtlicher Teil dieser Energie wird durch die Beleuchtung von Bereichen verschwendet, die nicht genutzt werden oder nicht beleuchtet werden müssen, weil genügend Umgebungslicht vorhanden ist.
Schätzungen gehen davon aus,...
...dass der Einsatz von Sensoren für ein Beleuchtungsmanagement die Energiekosten um über 30 Prozent senken kann. Ein solches Beleuchtungskonzept bietet noch weitere Vorteile: Helligkeit und Farbgebung lassen sich so einstellen, dass für die Nutzer komfortablere und produktivere Räume entstehen.
Die Umweltauswirkungen dieser Energieverschwendung...
...haben zur Einführung von Vorschriften wie »Title 24« in Kalifornien geführt. Diese schreiben vor, dass Beleuchtungskörper und -schalter mit Anwesenheits- und Umgebungslichtsensoren ausgestattet sein müssen. So wird sichergestellt, dass die Innenbeleuchtung so effizient wie möglich genutzt wird. Allerdings machen die Kosten für die Installation neuer Netzwerkkabel zur Steuerung der in diesen smarten Beleuchtungen und Schaltern untergebrachten Sensoren diesen Ansatz für bestehende Gebäude unrealistisch – daher ist die Funkkommunikation die bevorzugte Option.
Dieser kostengünstigere Ansatz...
...bietet mehrere weitere Vorteile, darunter eine schnelle Bereitstellung und eine einfache Neukonfiguration. Durch die Funkkommunikation lässt sich die Beleuchtungsinfrastruktur auch für andere Zwecke nutzen, z. B. zur Ortung von Mitarbeitern oder Bewohnern in Innenräumen, zur Verfolgung von Gütern, zur Datenerfassung für die vorbeugende Wartung, zur besseren Raumnutzung und zur Umsetzung effektiverer Beleuchtungspläne. Darüber hinaus können Funksensoren in Beleuchtungskörpern auch als Eingang für andere smarte Gebäudesteuerungen wie Heizung und Klimaanlagen dienen. Die Hauptkomponenten eines smarten Beleuchtungssystems sind in Bild 1 dargestellt.
Bluetooth Mesh für smarte Anwendungen
Funkkommunikation für smarte Beleuchtungssysteme muss zuverlässig, reaktionsschnell, sicher und skalierbar sein. Die Herausforderung für Entwickler solcher Funksysteme ist die Unterstützung von Multicast-Operationen mit Gruppen von Geräten. Als Beispiel dient ein Funk-Lichtschalter, der mehrere Leuchten steuert. Beim Drücken der Taste muss jede Leuchte gleichzeitig aufleuchten – präziser ausgedrückt: mit einer für das menschliche Auge nicht wahrnehmbaren Verzögerung. Dies ist schwer zu erreichen, vor allem, wenn Wände und andere Umgebungsfaktoren die Signale dämpfen oder stören – und es wird noch schwieriger, wenn statt einer Schaltfunktion eine Dimmfunktion per Funk gesteuert werden soll. Einige Funktechniken, die ursprünglich für einfachere Anwendungen wie smarte Thermostate entwickelt wurden, erfüllen diese Anforderungen nur schwer. Bluetooth Mesh wurde jedoch so konzipiert, dass es diese Beleuchtungsfunktionen unterstützt und sich daher ideal für smarte Beleuchtungen eignet.
Die Technik bietet folgende Leistungsmerkmale:
- Smartphone-Anbindung: einfache Inbetriebnahme und Wartung
- Optionale Gateways: Bluetooth Mesh erübrigt Gateways, deren Installation und Wartung schwierig sein kann.
- Integrierte Profilauswahl: Szenen und Zeitpläne sind in die einzelnen Knoten integriert.
- Skalierbarkeit und Sicherheit: Unterstützung von bis zu Tausenden von Knoten mit zwei eingebauten Sicherheits- und Datenschutzebenen
- Erweiterbarkeit und Flexibilität: einfaches Hinzufügen von Knoten, Partitionierung je nach Platzbedarf oder Neukonfiguration je nach Benutzerpräferenz
- Mehrwertdienste: Ermöglicht den Einsatz von Leuchten als Funkbaken (Beacon) für andere Anwendungen wie Ortung/Peilung, Personenzählung und Belegungsplanung
Die zusätzlichen Vorteile von Bluetooth Mesh 1.1
Das neueste Update des Bluetooth-Mesh-Protokolls v1.1 bringt weitere Verbesserungen für smarte Anwendungen:
Device Firmware Update (DFU):
Die DFU-Funktion von Bluetooth Mesh bietet eine Standardmethode zum Aktualisieren der Firmware in den Netzwerkknoten. Die Funktion überprüft die Verfügbarkeit von Firmware-Updates, beschafft Binär-Images, verteilt die Firmware-Codes, aktualisiert ausgewählte Knoten und koordiniert Updates für die Knoten. Darüber hinaus nutzt die DFU-Funktion eine Multicast-Firmware-Verteilungsfunktion, mit der sich ein einziges Firmware-Image in einer Aktion an mehrere Geräte verteilen lässt. Damit verringert sich der manuelle Aufwand für die Aktualisierung des Netzes erheblich.
Remote Provisioning (RPR):
Bei Bluetooth Mesh 1.0 muss sich jeder Knoten, der zum Netzwerk hinzugefügt werden soll, in der Reichweite eines Mittlers (Provisioner) befinden. Bluetooth Mesh 1.1 verfügt über RPR, mit dem das Netzwerk nun über einen Proxy-Knoten erreicht und konfiguriert wird.
Damit muss sich ein Knoten nicht länger innerhalb der Reichweite des Provisioners befinden. Mit RPR lassen sich Netzwerke schneller und einfacher einrichten, und zwar durch Multi-Hop-Device-Provisioning, was die Kopplung von Knoten über das Mesh-Netzwerk ermöglicht und so die Installationszeit und -kosten für große Netzwerke reduziert. Die Plug-and-Play-Funktion von RPR erkennt automatisch Änderungen am physischen Aufbau des Netzwerks und seinem anschließenden Zustand. Sie aktualisiert die Statusdaten über die aktive Zusammensetzung des Netzwerks, um diese Änderungen widerzuspiegeln. Dadurch wird vermieden, dass ein Knoten zurückgesetzt, neu mit dem Netzwerk gekoppelt und neu konfiguriert werden muss.
Subnetz-Bridging:
Bei Bluetooth Mesh 1.0 waren Subnetze vollständig voneinander isoliert. Bluetooth Mesh 1.1 behebt dieses Manko mit Subnetz-Bridging und ermöglicht jetzt die Kommunikation zwischen Geräten in verschiedenen Subnetzen. Die Technik leitet den Datenverkehr zwischen verschiedenen Subnetzen weiter. Der Netzwerkplaner muss vorab Brückenknoten auswählen. Diese speichern Bridging-Tabellen mit Netzwerkschlüsseln (NWK), Geräteadressen in beiden Subnetzen und Informationen darüber, in welche Richtung der Datenverkehr fließen kann (Bild 2). Subnetz-Bridging ermöglicht eine nahtlose Kommunikation über verschiedene Subnetze hinweg, ohne die Sicherheitsfunktionen zu beeinträchtigen, die normalerweise durch die Verwendung von Subnetzen und Isolation bereitgestellt werden.
Certificate-Based Provisioning (CBP):
Durch Provisioning kann ein Gerät Teil eines Netzwerks werden, indem Netzwerk- und Anwendungssicherheitsschlüssel zur Verfügung gestellt werden. Bluetooth Mesh 1.1 CBP führt eine neue Methode ein, die während des Provisioning Zertifikate verwendet, um Geräte zu authentifizieren, die dem Netzwerk hinzugefügt werden. X.509-Zertifikate werden entweder in der Cloud oder beim Mittler-Knoten gespeichert und enthalten den öffentlichen Schlüssel eines Knotens und eine eindeutige Benutzer-ID (UUID), die von einer Zertifizierungsstelle (CA) oder einem Gerätehersteller signiert wurde. Darüber hinaus verfügt jeder Knoten über einen eindeutigen privaten Schlüssel, der mit dem öffentlichen Schlüssel in den X.509-Zertifikaten übereinstimmt. Diese sollten in einem sicheren Speicher – nicht im Flash-Speicher – abgelegt werden. Als Teil des Kopplungsprozesses erhält der Mittler das Zertifikat vom anzumeldenden Gerät, validiert es und fügt dann das Gerät als Knoten dem Netzwerk hinzu. Folglich bietet CBP ein überlegenes Authentifizierungsschema und ermöglicht eine Serieninbetriebnahme, insbesondere in Kombination mit RPR.
Directed Forwarding:
Mit Bluetooth Mesh 1.0 wurde das Managed Flooding eingeführt, das mehrere Pfade für die Übertragung einer Nachricht zum Ziel nutzt.
Unter bestimmten Konfigurationen führte dies jedoch zu einem ineffizienten Übertragungsweg. Deshalb wird Bluetooth Mesh 1.1 um die Funktion Directed Forwarding (Bild 3) erweitert, um die Skalierbarkeit des Netzwerks zu verbessern. Dazu werden entsprechende Knotentypen und Konfigurationsmodelle sowie Pfade und Verbindungen für eine optimierte Nachrichtenzustellung hinzugefügt, einschließlich der Möglichkeit, Pfade und Verbindungen zu erstellen, zu warten und zu validieren.
Private Beacons:
Knoten in einem Bluetooth-Mesh-Netz können als Funkbaken (Beacon) fungieren und statische Informationen über Gerätedaten, Standort- oder Point-of-Interest-Informationen übertragen. Unverschlüsselte statische Informationen stellen ein Datenschutzrisiko dar, da sie die Beobachtung des Netzwerks selbst und die Verfolgung der Geräte im Netzwerk oder der Gerätebenutzer ermöglichen. Bluetooth Mesh verschlüsselt mit der Version 1.1 statische Informationen, um Datenschutzrisiken beim Betrieb von Beacons zu vermeiden. Die Daten werden mit einem PrivateBeaconKey verschlüsselt, der aus dem Hauptnetzschlüssel und einer 13-Oktett-Zufallszahl abgeleitet wird. Bluetooth-Geräteadressen ändern sich regelmäßig, um zu gewährleisten, dass die Daten verschlüsselt übertragen werden, sodass die Informationen nur von Knoten entschlüsselt werden können, die Teil des Netzwerks sind. Private Beaconing stellt sicher, dass Geräte oder Benutzer dieser Geräte in einem Netzwerk nicht anhand statischer Informationen in einer Beacon-Nachricht verfolgt werden können.
Bluetooth-Mesh für smarte Beleuchtung
Das Bluetooth-SoC-Wireless-Starterkit Blue Gecko von Silicon Labs ermöglicht es, mit der Entwicklung und Evaluierung von Bluetooth-Mesh-Beleuchtungsanwendungen schnell und einfach zu beginnen. Es enthält das EFR32xG24 +10 dBm Pro Kit und umfasst ZigBee- und Thread-Software-Stacks, Beispielcode und einen integrierten Debug-Adapter. Das Starterkit unterstützt auch Bluetooth Low Energy (BLE). Mehrere Funkplatinen ermöglichen es, ein Mesh-Netzwerk zu erstellen und gleichzeitig die Vorteile des System-on-Chip (SoC) EFR32MG und der Zusatzmodule zu evaluieren. Mit den Simplicity-Studio-Tools lassen sich auch die Vorteile der grafischen Entwicklung von Funkanwendungen, das Mesh-Netzwerk-Debugging und die Paketverfolgung nutzen sowie das Energieprofil erstellen und optimieren.
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