Warum und wie lässt sich Bluetooth in der industriellen Automatisierung für die IoT-Messwerteerfassung und -Güterverfolgung einsetzten?

Industrie 4.0 entwickelt sich weiter und lässt eine erhebliche Abhängigkeit von drahtlosen Kurzstrecken-Sensornetzwerken erwarten, was dabei hilft, den Produktionsablauf, die Sicherheit und die Prozessergebnisse drastisch zu steigern. Für Entwickler bedeutet dies eine Herausforderung, denn sie müssen aus einer Vielzahl möglicher drahtloser Schnittstellen und Protokolle auswählen. Einige Anforderungen in diesem industriellen Umfeld grenzen die Möglichkeiten jedoch etwas ein.

Wichtige Kriterien sind dabei ein geringer Stromverbrauch, eine einfache Implementierung, geringe Kosten, wenig Platzbedarf und die Einhaltung spezieller Vorschriften. Weiterhin bedarf es der Möglichkeit einer Integration in bestehende Anlagen- und Güter-Management-Systeme wie auch einer Einbindung von Smartphones oder anderen Mobilgeräten.

Der Artikel ergründet viele Optimierungsmöglichkeiten in der modernen Fabrik mithilfe des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) und Hunderten oder möglicherweise Tausenden von stromsparenden Funksensoren. Er stellt wichtige Eigenschaften von Bluetooth mit dem Fokus auf Mesh-Networking heraus und diskutiert die Eignung dieses Funkstandards für den Einsatz im industriellen Umfeld. Systementwickler lernen zwei Bluetooth-Low-Energy-Fertigbausteine von ON Semiconductor und Insight SiP samt Entwicklungstools und Software kennen und erfahren, wie sie Daten vom IoT-Endknoten mit anderen Netzknoten oder mit der Cloud austauschen können.

Industrie 4.0 vorantreiben

Das digitale Zeitalter von Industrie 4.0 hat in jeder Hinsicht eine Effizienzsteigerung im Fokus: mehr Produktivität und Wirtschaftlichkeit, verbesserte Qualität sowie erhöhte Betriebssicherheit für die Mitarbeiter – insgesamt einen besseren Einblick in den gesamten Produktionszyklus mit dem Ziel einer ständigen Verbesserung. Um Prozesse und Fertigungsabläufe besser verstehen und optimieren wie auch kontrollieren zu können, benötigt die zentrale Steuerung deutlich mehr Informationen und weitere Möglichkeiten zur Einflussnahme auf den Produktionsablauf in Echtzeit mithilfe erweiterter Analyse- und Berichtsmethoden wie auch Informationsanzeigen. Im Produktionsumfeld angeordnete Sensoren sammeln die dafür erforderlichen Messdaten.

Viele zu kontrollierende Abläufe und Systeme in der Produktionskette einer Fabrik erfolgen jedoch losgelöst von einer stationären Produktionsanlage, ohne Stromversorgung aus dem Netz und ohne feste Datenverbindung zum Steuerungsnetzwerk. Hier bedarf es einer drahtlosen Kommunikationslösung, die auch in funktechnisch schwieriger Umgebung großflächige Netzwerke (mehrere hundert Meter) mit vielen Knoten bewältigt und dabei zuverlässig wie auch kostengünstig zu realisieren ist. Sie muss auf gut etablierten Kommunikationsstandards basieren und sich schnell und einfach in eine vorhandene Geräte- und Netzwerkinfrastruktur integrieren lassen.

Ortung, Steuerung und Überwachung – alles drahtlos

Die Anwendungsmöglichkeiten für die richtige Funkschnittstelle sind vielfältig. In der Prozessoptimierung spielen Positionierungs- und Ortungsdienste für den Innenbereich eine wichtige Rolle und verbessern in Fertigungsunternehmen das Materialmanagement und den Prozessfluss, was eine bisher unerreichte operative Effizienz bedeutet. Beacons helfen bei der Verfolgung von Gütern sowie beweglichen Produktionsgerätschaften und überwachen die Warenbewegung in der gesamten Lieferkette.

Drahtlose Kommunikation kann die zentrale Automatisierung der wesentlichen Systeme eines Fabrikgebäudes - einschließlich Beleuchtung, Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HVAC) und Überwachung übernehmen. Damit sinkt der Energieverbrauch des Gebäudes, die Betriebskosten verringern sich und auch die Kernsysteme eines Gebäudes erreichen eine höhere Lebensdauer. Die optimal gesteuerten Umgebungsbedingungen erhöhen zudem die Produktivität der Mitarbeiter.

Prädestiniert für eine Funkdatenübertragung sind auch Service-Funktionen wie vorausschauende Wartung und Anlagendiagnose, um Maschinenfehler zu erkennen, bevor sie auftreten. Das reduziert ungeplante Ausfallzeiten und allgemeine Betriebskosten. Werden dann noch Smartphones und Tablet-PCs eingebundenen, um die On-Machine-Displays zu ersetzen, lassen sich damit Arbeiter vor rauen Umgebungen schützen, die Systemüberwachung verbessern und zusätzliche Kapazität in einer Anlage freilegen.

Warum Bluetooth-Low-Energy im industriellen Umfeld?

Entwickler müssen nun eine große Anzahl entfernter oder mobiler Sensorknoten mit niedrigen Datenraten sicher mit dem Hauptnetzwerk verbinden. Anschließend sollen sich die Daten lokal oder in der Cloud analysieren lassen. Darüber hinaus sollten die Netzwerkendknoten so wartungsfrei wie möglich sein und über einen längeren Zeitraum zuverlässig arbeiten, wobei häufig kleine Batterien zum Einsatz kommen.

Ist eine drahtlose Datenübertragung erforderlich, muss diese auf einem etablierten Standard basieren und sich somit schnell und einfach in eine vorhandene Ausrüstung und Netzwerkinfrastruktur integrieren lassen.

Der Einsatz von Wi-Fi ist dann eher sinnvoll, wenn es auf hohen Datendurchsatz und störungsfreie wie auch sichere Datenübertragung mit geringer Latenzzeit ankommt – beispielsweise beim Video-Streaming in HD-Qualität. Dieser Verbindungsstandard arbeitet zwar auch mit geringeren Datenraten, ist jedoch für kleine, kostengünstige drahtlose Sensorknoten zu teuer und für Anwendungen mit Batteriebetrieb ist der Strombedarf der komplexen Wi-Fi-Hardware voraussichtlich zu hoch. Als Vermittler zwischen Netzwerk-Geräten ist ein Access-Point unerlässlich, wodurch sich Kosten und die Komplexität erhöhen. Die größere Bandbreite und viele WLAN-Teilnehmer auf engem Raum stören sich zudem gegenseitig und bremsen den gesamten Datentransfer schnell aus.

Die Bluetooth-Technologie ist weit verbreitet, hat in Milliarden von Geräten Einzug gehalten und wurde systematisch entwickelt, mit dem Fokus auf geringen Stromverbrauch, Zuverlässigkeit und Interoperabilität. Neben Bluetooth 5.0 bietet Mesh-Networking jetzt auch eine zuverlässige und sichere Kommunikation in Fertigungs- und Automatisierungsanwendungen, während sich die Reichweite verbessert und das Datenaufkommen zu Gateways und Servern mithilfe von Edge-Computing zurückgeht.

Hauptvorteile von Bluetooth gegenüber anderen Funktechnologien:

• Eine direkte Verbindung zwischen mehreren - oder Tausenden - Geräten kommt ohne Router aus.
• Das Niedrig-Energie-Profil ermöglicht den Betrieb batteriegespeister Endknoten wie Beacons oder Sensoren über Jahre und ohne Wartung.
• Kleine Datenpakete verlängern im energieeffizienten Burst-Modus mit großen Pausenintervallen die Batterielebensdauer, minimieren die Übertragungszeit und benötigen weniger Bandbreite – was das Funkwellenaufkommen und störungsbedingte Verbindungsprobleme verringert.
• Die Interoperabilität mit einem weltweiten Netzwerk aus Millionen verfügbarer Bluetooth-Host-Netzwerkknoten in Form von Smartphones eröffnet auch der Smart Factory neue Möglichkeiten. Seit Version 4.0 bietet Bluetooth Low Energy (BLE) standardisierte Protokolle für eine einfache und zuverlässige Interoperabilität zwischen Geräten.
• Eine ASE-Verschlüsselung macht den Datentransfer sicher.
• Das Frequenzsprungverfahren (FHSS) wechselt bis zu 1.600 Mal in der Sekunde zwischen den 79 Übertragungskanälen und vermeidet somit Übertragungsstörungen durch Interferenzen.
• Bluetooth beherrscht mehrere Verbindungsarten: Point-to-Point, One-to-Many (Broadcast, Beacon) und Mesh-Networking (Mesh-Relays). Die direkte Peer-to-Peer-Kommunikation kommt ohne Hub oder Router aus. Bluetooth Mesh ist eine zusätzliche Software-Erweiterung und kann bei jeder BLE-Lösung zum Einsatz kommen – Bluetooth 5 ist dazu nicht erforderlich.

Mesh-Networking für mehr Reichweite und Funktionsumfang

Die Maschentopologie ermöglicht die Erstellung großflächiger Gerätenetzwerke und ist ideal für Steuerungs-, Überwachungs- und Automatisierungssysteme geeignet, bei denen Tausende von Geräten (maximal 32.767) zuverlässig und sicher miteinander kommunizieren müssen. Das Maschen-Netzwerk schafft mehr Reichweite und bessere Ausleuchtung (umgehen von Hindernissen) durch Mesh-Relays. Die Funktionalität Publish & Subscribe regelt den globalen Datenaustausch zwischen Netzknoten und der Cloud, während Friendship & Low-Power-Node (LPN) die Kommunikation zwischen Mesh-Relays und lokalen Zentraleinheiten steuert.

Zusätzlich ermöglichen es Mesh-Modelle viele unterschiedliche Anwendungen verschiedener Hersteller standardisiert einzubinden. Auf Bluetooth 5.0 basierende Mesh-Netzwerke erlauben eine Over-the-Air-Programmierung (OAT) und bieten Funktionen zur Positionsbestimmung oder Indoor-Navigation mit bis zu 1 m Genauigkeit, mit der kommenden Version 5.1 bis in den Zentimeterbereich.

Selbst Altgeräte mit UART-Schnittstelle können per BLE-Modul zu einem Smartphone oder anderem BLE-fähigem Gerät kommunizieren. Spezielle Proxi-Nodes erlauben Geräten mit anderen drahtlosen Protokollen ins Bluetooth-Mesh zu kommunizieren.

Weitere Highlights von Bluetooth 5.0

Bluetooth 5 bietet im Vergleich zur Vorgängerversion 4.2 drei wichtige Verbesserungen: doppelte Datenrate (2 Mbit/s statt 1 Mbit/s), vierfache Reichweite und achtfache Advertising-Paketgrösse (Beacons). Die doppelte physische Rate (PHY) erfordert zwar geringfügig mehr Strom als früher, andererseits erfolgt die Übertragung doppelt so schnell, sodass eine Sendestufe nur kurze Zeit aktiv ist und lange im Sleep-Modus verharrt.

Auch die kürzeren Übertragungszeiten sorgen für eine verbesserte Koexistenz mit anderen 2,4 GHz-Funksendern, da ein BLE-Funksender weniger lange aktiv ist. Bluetooth 5 erhöht die maximale Ausgangsleistung auf 20 dBm (100 mW), so dass bei Sichtverbindung Reichweiten über 1 km denkbar sind, was jedoch Stromverbrauch erhöht.

Mit der erweiterten Advertising-Funktion können Low-Power-Sensorknoten einer Zentraleinheit signalisieren, dass neue Daten vorliegen. Bei Interesse ruft diese dann Daten vom Sensorknoten ab. Danach endet die Verbindung und der Sensorknoten wechselt in den Low-Power-Modus. Das funktioniert so auch bei Mesh-Relays und einem Austausch gespeicherter Daten nach einem Verbindungsabriss.

IoT-Endknoten auf Basis von BLE entwickeln

Ob es um Steuerung, Monitoring oder Automation geht, um Güterverfolgung oder allgemeinen Datentransfer, oft lockt es Entwickler oder sie sind gefordert, autarke Netzwerkendknoten selbst zu entwerfen. Das kann schnell ein komplexer, zeitaufwendiger und teurer Prozess werden, der Projektbudgets und -pläne gefährdet.

Um dieses Problem zu lösen, bieten einige Hersteller BLE-Module mit integrierter Antenne als Fertiglösung an und stellen Entwicklungstools und Software zur Verfügung. Beispielsweise misst das RSL10 BLE-System von ON Semiconductor im Gehäuse (SiP) nur 8 x 6 x 1,5 mm³. Es beschleunigt die Produktentwicklung erheblich, senkt die Kosten und spart Platz, da kaum Peripheriekomponenten notwendig sind.

Bild 1: Das BLE-Modul RSL10 SiP von On Semiconductor misst gerade mal 8 x 6 x 1,5 mm³. (Bildquelle: ON Semiconductor)

BLE-Netzwerkendknoten können bidirektional und direkt ohne Vermittler (Access-Point) im Netzverbund kommunizieren. Sie bieten mehrere analoge und digitale Schnittstellen für Sensoren und Datenaustausch mit Geräten, in denen sie integriert werden können. Die energiesparsamen Fertigbausteine sind damit universell und einfach auf kleinstem Bauraum einsetzbar.

Bluetooth-Low-Energy-Module haben alles Wichtige an Hardware an Bord, sie verwenden einen hochintegrierten BLE-SoC-Baustein und enthalten zusätzlich eine Antenne sowie weitere notwendige passive Peripheriebauteile. Diese Ausführung minimiert den Layout-Entwurf und erspart eine Zertifizierung, da die Module bereits qualifiziert sind für CE (Europa), FCC (USA) und viele weitere.

Beispielsweise enthält das RSL10-SiP-Modul von On Semiconductor eine Arm®-Cortex®-M3-CPU mit 32-Bit, einen 32-Bit-MAC-DSP-Kern (Dual Multiply Accumulate), eine Energieverwaltungseinheit und eine BLE-Sende- und -Empfangseinheit mit nachgeschaltetem Antennen-Interface (Bild 2). Eine AES-Verschlüsselung und diverse analoge wie auch digitale Schnittstellen bieten umfangreiche Zugangsoptionen zum Baustein.

Bild 2: Das SiP-Modul RSL10 BLE von ON Semiconductor zeichnet sich aus durch seinen geringen Leistungsbedarf und den integrierten Dual-MAC-DSP-Core für eine rechenintensive Signalverarbeitung. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Der RSL10 benötigt 1,25 Volt zur Versorgung, seine Leistungsaufnahme liegt im Tiefschlafmodus bei 62,5 Nanowatt (nW) und beträgt im Empfangsmodus 7 Milliwatt (mW). Die Mikrocontroller-Performance erreicht Werte von 1090 ULPMark CP bei 3 Volt und 1260 bei 2,1 Volt. Neben BLE arbeitet der Baustein auch mit proprietären 2,4-GHz-Protokollen und unterstützt FOTA-Updates.

BLE-Modul ISP1507 von Insight SiP

Eine andere gute Wahl ist das BLE-Modul ISP1507-AX von Insight SiP (Bild 3). Der Baustein verwendet den drahtlosen SoC nRF52832 von Nordic Semiconductor und besteht aus einem 2,4-GHz-Transceiver der nRF52-Serie, einer 32-Bit-CPU von Arm Cortex-M4, 192 kByte Flash-Speicher, 24 kByte RAM, analogen I/Os, 13 GPIOs, einer Debug-Schnittstelle, sowie digitale SPI-, I²C- und UART-Schnittstellen.

Bild 3: Das BLE-Modul ISP1507AX integriert Peripherie zum drahtlosen SoC nRF52 und bildet damit einen komplett eigenständigen BLE-Endkonten, der auch NFC-A unterstützt. (Bildquelle: Insight SiP)

Der nRF52832 unterstützt Bluetooth Low Energy 4.2 und 5.0 sowie eine Reihe proprietärer 2,4-GHz-Protokolle. Ideal für RFID-Anwendungen in der Warenlogistik eignet ich die integrierte NFC-Schnittstelle. Das BLE-Modul ISP1507AX misst 8 x 8 x 0,95 mm³ und integriert zusätzlich zum drahtlosen SoC nRF52 alle Entkopplungskondensatoren, zwei Schwingquarze für 32 MHz und 32 kHz samt Lastkondensatoren, Speicherinduktivitäten und-kapazitäten für den DC-DC-Wandler, sowie die HF-Anpassungsschaltung inklusive Antenne.

Ausgestattet mit genügend Speicher und leistungsstarkem Prozessor kann dieses Modul als Anwendungshub fungieren und zusätzliche Mikrocontroller ersetzen, die in früheren Generationen von BLE-Produkten erforderlich waren. Der RSL10 und der ISP1507-AX eignen sich ideal für Situationen, in denen Kunden schnell und kostengünstig vorhandene Industrieanlagen mit drahtlos kommunizierenden und stromsparenden Komponenten aufrüsten möchten. Dies ist im Zeitalter von Industrie 4.0 üblich, wenn bereits eine große Anzahl an Geräten installiert ist. Die Funkbausteine können auch in neuen Anwendungen mit grundlegenden Speicheranforderungen Verwendung finden, die ein hohes Maß an Rechenleistung und eine lange Akkulaufzeit erfordern.

Entwicklung eines BLE-Endknotens mit RSL10 und ISP1507-AX

Wenn Entwickler einen IoT-Endknoten entwickeln und in das Netzwerk integrieren oder ihn mit der Cloud verbinden möchten, benötigen sie viel Unterstützung, selbst bei Verwendung eines Fertigmoduls und insbesondere dann, wenn sie dies zum ersten Mal tun. Zur Unterstützung in der Produktentwicklung stellen die Anbieter Evaluierungsboards zur Verfügung, einschließlich Entwicklungstools, Software und umfangreichem Zubehör.

So bietet ON Semiconductor das BDK-GEVK-BLE-IoT-Entwicklungskit (B-IDK) für den RSL10-SiP an, um die Entwicklung von BLE-basierten Node-to-Cloud-Anwendungen zu vereinfachen. Die Basisplatine (Bild 4) verfügt über einen RSL10-SiP mit Bluetooth 5.0-Konnektivität. Optional sind mehrere Sensor- und Aktuator-Tochterkarten als Erweiterung erhältlich.

Bild 4: ON Semiconductor bietet ein Bluetooth IoT Development Kit (B-IDK) mit niedrigem Energieverbrauch und Arduino-Formfaktor an. Mehrere Erweiterungskarten ermöglichen viele verschiedene drahtlose Anwendungen, sogar die Steuerung von zwei Schrittmotoren. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Die Inbetriebnahmeanleitung behandelt die Hardwareeinrichtung und enthält Anweisungen zum Herunterladen der Firmware auf die Karte. Die Softwareumgebung nutzt Java, J−Link (Debugger) und Eclipse (Open-Source-Programmiertool unter Java). Ein spezielles CMSIS-Paket (ARM-Schnittstellenstandard für Cortex-M-Controller) liefert den HAL für die RSL10-CPU und bringt Demoprogramme mit. Weitere Abschnitte in der Anleitung besprechen die Softwarearchitektur und dokumentieren das B-IDK.

Cloudverbindungen mit dem RSL10

Die mobile auf BLE basierenden App „RSL10 Sense & Control“ ermöglicht Benutzern das Veröffentlichen und Abonnieren von Sensor- und Aktuator-Daten der B-IDK-Plattform über die Cloud. Ein Android-Smartphone fungiert hierbei als BLE-Host und stellt die Internetverbindung her.

ON Semiconductor bietet mit der Applikationsnotiz AND9831/D eine schrittweise Anweisungen zum Einrichten des AWS-IoT-Core und zur Konfiguration der mobilen App für eine Verbindung mit Amazon Web Services (AWS). Die Anleitung AND9839/D beschreibt die Einbindung der Watson-Cloud von IBM.

Nach dem hochladen der Firmware auf das B-IDK steht die mobile Anwendung zum Lesen von Sensorwerten und zum Festlegen von Aktuatorwerten zur Verfügung. Auf diese Weise können Entwickler Sensorwerte für einen MQTT-Broker (Message Queuing Telemetry Transport) veröffentlichen und von dort aus Aktuatoreinstellungen abonnieren.

Ein ISP1507-Evaluierungsboard

Für das BLE-Modul ISP1507 bietet Inside SiP ein Evaluierungsboard ISP1507-AX-EB als Kombination aus ISP130603-Interface-Platine und Testboard ISP1507-AX-TB (Bild 5).

Bild 5: Das Evaluierungsboard ISP1507 AX EB bietet ein komplettes experimentelles Ökosystem für eine Vielzahl von BLE-Anwendungen. (Bildquelle: Inside SiP)

Die Applikationsschrift AN160601 beschreibt die einzelnen Hardware-Komponenten des Kits und führt durch die Software-Installation. Das Dokument beschreibt zudem weitere verfügbare Komponenten.

Der Abschnitt „Grundapplikationen mit dem ISP1507AX-Test Board“ stellt mehrere Anwendungen zu den Schnittstellen BLE, UART sowie NFC vor und geht auf unterschiedliche Betriebsarten des BLE-Moduls ISP1507 ein. Abschließend demonstrieren Sensoranwendungen in Verbindung mit Smartphone-Apps die flüssige Datenübertragung per BLE anhand einer einfachen Flugzeugsteuerung (Bild 6) und mehrerer Echtzeitmesswerte.

Bild 6: Optional ist für das Evaluierungsboard ISP1507-AX-EB das Sensorboard ISP131001 erhältlich, welches unter anderem eine 6-dimensionalen, linearen Beschleunigungssensor beherbergt, der hier per Bluetooth das Flugzeug einer Smartphone-App steuert. (Bildquelle: Inside SiP)

Fazit

Die Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Stabilität von Bluetooth ist mittlerweile stark gewachsen, so dass sich dieses Funkdatenprotokoll auch im industriellen Umfeld für die Umsetzung zahlreicher Nahfeld-Kommunikations-Anwendungen eignet. Insbesondere sind extrem energiesparsame und winzige, hochintegrierte Bluetooth-Low-Energy-Module verfügbar, die über Jahre hinweg mit der Stromversorgung aus einer Knopfzelle auskommen und alle wichtigen elektronischen Komponenten inklusive Antenne enthalten.

Passende Software und reichhaltiger Entwicklungshardware unterstützt Entwickler dabei, mit diesen Bausteinen großflächige drahtlose Sensornetzwerke aus Tausenden von IoT-Endknoten in der modernen Fertigung, Warenlogistik und auch im Prozessmanagement nach Anforderungen gemäß Industrie 4.0 zu realisieren.