{"id":359,"date":"2020-09-30T15:45:08","date_gmt":"2020-09-30T13:45:08","guid":{"rendered":"http:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/?p=359"},"modified":"2020-09-30T15:45:09","modified_gmt":"2020-09-30T13:45:09","slug":"bluetooth-5-0-fuer-industrie-4-0","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.zhaw.ch\/industrie4null\/2020\/09\/30\/bluetooth-5-0-fuer-industrie-4-0\/","title":{"rendered":"Bluetooth 5.0 f\u00fcr Industrie 4.0"},"content":{"rendered":"\n<p>Blogautor: <a rel=\"noreferrer noopener\" href=\"https:\/\/www.zhaw.ch\/de\/ueber-uns\/person\/renn\/\" target=\"_blank\">Patrick Rennhard<\/a><\/p>\n\n\n\n<p>Bluetooth 4.0, auch bekannt unter \u00abBluetooth Low Energy\u00bb oder \u00abBluetooth Smart\u00bb, ist schon seit vielen Jahren eine etablierte wireless-Schnittstelle in allen Smart-Phones. Nach und nach h\u00e4lt Bluetooth Low Energy aber auch Einzug in der Industrie 4.0 (I4.0).&nbsp;<\/p>\n\n\n\n<p>Mit Bluetooth Low Energy ist es m\u00f6glich, stromsparende und robuste Funkschnittstellen zu realisieren, um kleine Datenmengen \u00fcber kurze Distanzen zu \u00fcbertragen. Neben der tieferen Stromaufnahme ist aber oft auch der tiefe Preis ein wichtiges Entscheidungskriterium f\u00fcr eine Bluetooth 4.0 L\u00f6sung.<\/p>\n\n\n\n<p>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 f\u00fcr Derichs GmbH das Bluetooth-basierte Temperatur- und Druck-Messger\u00e4t ED1 f\u00fcr Walzen entwickelt, um den Ex\u00adtrusions\u00adprozess in der Folienherstellung zu optimieren. Weiter haben wir zusammen mit Leica Geosystems AG eine Blue\u00adtooth-Low-Energy-Schnittstelle in die Laser-Distanzmess\u00adger\u00e4te Disto implementiert, um die Distanz- und IMU-Messdaten automatisch mit den IT-Ger\u00e4ten bzw. der Planungs-Software einzulesen und so den Workflow zu optimieren. Die beiden \u00abuse cases\u00bb finden sich unter:&nbsp;<\/p>\n\n\n\n<p>Link Derichs:&nbsp;<br><a href=\"https:\/\/www.zhaw.ch\/de\/engineering\/institute-zentren\/isc\/referenzprojekte\/messtool-fuer-industrie-40-bei-walzen-im-extrusionsprozess\/\">https:\/\/www.zhaw.ch\/de\/engineering\/institute-zentren\/isc\/referenzprojekte\/messtool-fuer-industrie-40-bei-walzen-im-extrusionsprozess\/<\/a><\/p>\n\n\n\n<p>Link Leica:&nbsp;<br><a href=\"https:\/\/www.zhaw.ch\/de\/engineering\/institute-zentren\/isc\/referenzprojekte\/bluetooth-smart\/\">https:\/\/www.zhaw.ch\/de\/engineering\/institute-zentren\/isc\/referenzprojekte\/bluetooth-smart\/<\/a><\/p>\n\n\n\n<p>Neben verschiedenen Erweiterungen bei Bluetooth 4.1 und 4.2 ist mit der Einf\u00fchrung von Bluetooth 5.0 vor \u00abkurzem\u00bb ein gr\u00f6sserer Ausbau-Schritt hinzugekommen. Mit Bluetooth 5.0 sind die beiden Modes \u00abcoded PHY\u00bb (long range) und \u00ab2M PHY\u00bb (high data rate) einge\u00adf\u00fchrt worden, die auch f\u00fcr I4.0-Anwendungen interessant sein k\u00f6nnen.&nbsp;<\/p>\n\n\n\n<p>Der long-range-Modus reduziert in vielen Anwendungen die Anzahl Gateways, die n\u00f6tig sind, um in gr\u00f6sseren (Fabrik-) Hallen die Daten der Sensoren \u00fcber Bluetooth zu empfangen und ins Intra- bzw. Internet weiterzuleiten. In eigenen Tests konnten wir indoor problemlos \u00dcber\u00adtragungs\u00ad\u00addistanzen von 70-80 m realisieren, outdoor sogar bis zu 2 km (im Frei\u00adfeld). Es ist aber zu beachten, dass im long-range-Modus die maximale Datenrate tiefer ist und die mittlere Strom\u00adaufnahme deshalb h\u00f6her. Bei gleicher Sendeleistung sind die Stromspitzen zwar nicht h\u00f6her, das Aussenden der Daten dauert aber l\u00e4nger und der Energieverbrauch ist deshalb h\u00f6her.&nbsp;<\/p>\n\n\n\n<p>Der high-data-rate-Modus erlaubt im Gegensatz zu Bluetooth 4.2 h\u00f6here&nbsp;Nutz\u00addaten\u00adraten von bis zu 1 Mbps bei gutem SNR, mit nur minimen Abstrichen bei der maximalen Distanz. Die Datenrate von 2 Mbps auf der Luftschnittstelle verk\u00fcrzt in vielen F\u00e4llen die \u00dcbertragungszeit, was zu einer tieferen Stromaufnahme f\u00fchren kann. \u00abKann\u00bb weil bei allen Modes die Strom\u00adaufnahme abh\u00e4ngig ist, wie lange und wie oft Daten gesendet werden. Das oft gebrachte Beispiel, dass ein Firmware Update mit Bluetooth 5.0 schneller durchgef\u00fchrt werden kann und nicht mehr im Minuten-Bereich liegt, stimmt grunds\u00e4tzlich. 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 k\u00f6nnen z.B. durch St\u00fctzkondensatoren besser abgefangen werden.&nbsp;<\/p>\n\n\n\n<p>Mein Kollege Colin Cina hat ein sch\u00f6nes Video zur Evaluation der Distanz und der maximalen Datenrate der Bluetooth 5.0 Modes \u00ablong-range\u00bb und \u00abhigh-data-rate\u00bb gemacht. Ich hoffe es ist selbsterkl\u00e4rend.<\/p>\n\n\n\n<p>Link Bluetooth 5.0 Video:&nbsp;<a href=\"https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=53fQjEqtfxg\">https:\/\/www.youtube.com\/watch?v=53fQjEqtfxg<\/a><\/p>\n\n\n\n<p>Mit Bluetooth 5.1 Stichwort \u00abDirection Finding\u00bb und Bluetooth 5.2 Stichwort \u00abLE Audio\u00bb sind die n\u00e4chsten zwei gr\u00f6sseren Erweiterungen im Anmarsch. Gerade Bluetooth 5.1 wird f\u00fcr I4.0 Anwendungen einige neue Anwendungen erschliessen, da nun neben einer groben Distanz\u00adsch\u00e4tzung anhand des RSSI neu auch eine Richtung entweder \u00fcber Angle of Arrival (AoA) oder Angle of Departure (AoD) bestimmt werden kann, mit dem Ziel, w\u00e4hrend der Kommunikation ein Objekt im Raum zu lokalisieren.&nbsp;<\/p>\n\n\n\n<p>Colin hat soeben seine Masterarbeit zum Bluetooth 5.1 Direction Finding abge\u00adschlossen, u.a. mit spannenden Feldtests. Erstes Fazit: Die AoA-Winkelbestimmung eignet sich f\u00fcr viele praktische Anwendungen, wenn die in Geb\u00e4uden inh\u00e4rente Mehrweg-Funkausbreitung mit Antennen-Engineering in Grenzen gehalten werden kann. Bluetooth 5.1 Stacks sind erst zum Teil verf\u00fcgbar und werden bis Ende 2020 erwartet.<\/p>\n\n\n\n<p><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Blogautor: Patrick Rennhard Bluetooth 4.0, auch bekannt unter \u00abBluetooth Low Energy\u00bb oder \u00abBluetooth Smart\u00bb, ist schon seit vielen Jahren eine etablierte wireless-Schnittstelle in allen Smart-Phones. 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