Blogautor: Patrick Rennhard

Bluetooth 4.0, auch bekannt unter «Bluetooth Low Energy» oder «Bluetooth Smart», ist schon seit vielen Jahren eine etablierte wireless-Schnittstelle in allen Smart-Phones. Nach und nach hält Bluetooth Low Energy aber auch Einzug in der Industrie 4.0 (I4.0). 

Mit Bluetooth Low Energy ist es möglich, stromsparende und robuste Funkschnittstellen zu realisieren, um kleine Datenmengen über kurze Distanzen zu übertragen. Neben der tieferen Stromaufnahme ist aber oft auch der tiefe Preis ein wichtiges Entscheidungskriterium für eine Bluetooth 4.0 Lösung.

In den letzten Jahren haben wir am Institute of Signal Processing and Wireless Communications (ISC) einige I4.0-Projekte mit Bluetooth 4.0 realisiert. So haben wir für Derichs GmbH das Bluetooth-basierte Temperatur- und Druck-Messgerät ED1 für Walzen entwickelt, um den Ex­trusions­prozess in der Folienherstellung zu optimieren. Weiter haben wir zusammen mit Leica Geosystems AG eine Blue­tooth-Low-Energy-Schnittstelle in die Laser-Distanzmess­geräte Disto implementiert, um die Distanz- und IMU-Messdaten automatisch mit den IT-Geräten bzw. der Planungs-Software einzulesen und so den Workflow zu optimieren. Die beiden «use cases» finden sich unter: 

Link Derichs: 
https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/isc/referenzprojekte/messtool-fuer-industrie-40-bei-walzen-im-extrusionsprozess/

Link Leica: 
https://www.zhaw.ch/de/engineering/institute-zentren/isc/referenzprojekte/bluetooth-smart/

Neben verschiedenen Erweiterungen bei Bluetooth 4.1 und 4.2 ist mit der Einführung von Bluetooth 5.0 vor «kurzem» ein grösserer Ausbau-Schritt hinzugekommen. Mit Bluetooth 5.0 sind die beiden Modes «coded PHY» (long range) und «2M PHY» (high data rate) einge­führt worden, die auch für I4.0-Anwendungen interessant sein können. 

Der long-range-Modus reduziert in vielen Anwendungen die Anzahl Gateways, die nötig sind, um in grösseren (Fabrik-) Hallen die Daten der Sensoren über Bluetooth zu empfangen und ins Intra- bzw. Internet weiterzuleiten. In eigenen Tests konnten wir indoor problemlos Über­tragungs­­distanzen von 70-80 m realisieren, outdoor sogar bis zu 2 km (im Frei­feld). Es ist aber zu beachten, dass im long-range-Modus die maximale Datenrate tiefer ist und die mittlere Strom­aufnahme deshalb höher. Bei gleicher Sendeleistung sind die Stromspitzen zwar nicht höher, das Aussenden der Daten dauert aber länger und der Energieverbrauch ist deshalb höher. 

Der high-data-rate-Modus erlaubt im Gegensatz zu Bluetooth 4.2 höhere Nutz­daten­raten von bis zu 1 Mbps bei gutem SNR, mit nur minimen Abstrichen bei der maximalen Distanz. Die Datenrate von 2 Mbps auf der Luftschnittstelle verkürzt in vielen Fällen die Übertragungszeit, was zu einer tieferen Stromaufnahme führen kann. «Kann» weil bei allen Modes die Strom­aufnahme abhängig ist, wie lange und wie oft Daten gesendet werden. Das oft gebrachte Beispiel, dass ein Firmware Update mit Bluetooth 5.0 schneller durchgeführt werden kann und nicht mehr im Minuten-Bereich liegt, stimmt grundsätzlich. Es ist aber zu bedenken, dass es durch das Schreiben in den Flash Speicher von Batterie-betriebenen Sensoren zu einer kurzzeitig starken Batterie-Belastung kommen kann. Bei tieferer Datenrate sind die Flash Schreibzyklen automatisch etwas zeitlich separiert und können z.B. durch Stützkondensatoren besser abgefangen werden. 

Mein Kollege Colin Cina hat ein schönes Video zur Evaluation der Distanz und der maximalen Datenrate der Bluetooth 5.0 Modes «long-range» und «high-data-rate» gemacht. Ich hoffe es ist selbsterklärend.

Link Bluetooth 5.0 Video: https://www.youtube.com/watch?v=53fQjEqtfxg

Mit Bluetooth 5.1 Stichwort «Direction Finding» und Bluetooth 5.2 Stichwort «LE Audio» sind die nächsten zwei grösseren Erweiterungen im Anmarsch. Gerade Bluetooth 5.1 wird für I4.0 Anwendungen einige neue Anwendungen erschliessen, da nun neben einer groben Distanz­schätzung anhand des RSSI neu auch eine Richtung entweder über Angle of Arrival (AoA) oder Angle of Departure (AoD) bestimmt werden kann, mit dem Ziel, während der Kommunikation ein Objekt im Raum zu lokalisieren. 

Colin hat soeben seine Masterarbeit zum Bluetooth 5.1 Direction Finding abge­schlossen, u.a. mit spannenden Feldtests. Erstes Fazit: Die AoA-Winkelbestimmung eignet sich für viele praktische Anwendungen, wenn die in Gebäuden inhärente Mehrweg-Funkausbreitung mit Antennen-Engineering in Grenzen gehalten werden kann. Bluetooth 5.1 Stacks sind erst zum Teil verfügbar und werden bis Ende 2020 erwartet.