Technik
Licht 1 | 2022

Internet of Things und BIM

Neue Möglichkeiten der Lichtsteuerung

Über Lichtmanagement-Systeme erfahren die BIM-Methode und das IoT eine nützliche Verbindung. Werden grundlegende Probleme wie die semantische Operabilität gelöst, könnte die Verbindung der beiden eine neue Generation von Lichtsteuerung hervorbringen.

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Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ist ähnlich wie BIM ein grober und diffuser Begriff, der viele technische und kulturelle Aspekte zu umklammern versucht. Grob geht es darum, die physische Welt stärker mit der virtuellen Welt zu vernetzen. Nicht nur Menschen, repräsentiert durch Endgeräte wie Computer und Telefone, sondern auch Geräte, wie Industrieanlagen, Haustechnik, Haushaltsgeräte oder Autos, interagieren im Internet. In nicht wenigen IoT-Auslegungen geht dies bis zu alltäglichen physikalischen Objekten hinunter; z. B. Pakete, Kleidung, Möbel, Haarbürsten und Lebensmittel.

Mehrere Technologien der letzten Jahre haben das IoT ermöglicht: Miniaturisierung, Digitalisierung, höhere Energieeffizienz, sinkende Hardwarekosten, kleine und leistungsfähige Sensoren, die weite Verbreitung des Internets, schnelleres Mobilnetz, RFID, GPS, Cloud-Computing und Standardisierung. Ein entscheidender Schritt war die Ausweitung des Internet-Adressraums mittels IPv6 – ansonsten wären schlicht nicht genug IP-Adressen für alle Geräte bzw. Objekte vorhanden. Das IoT scheint zunächst technikgetrieben und erst dann anwendungsgetrieben zu sein. Weil es heute leicht einsetzbar ist, wird das IoT auch in Produkte integriert. Aber der sinnvolle Nutzen ist erst nachgelagert oder teilweise nur für wenige Anwendende vorhanden. Natürlich bietet IoT viele sehr sinnvolle und effizienzsteigernde Anwendungen, z. B. in der Anlagenwartung. Außerdem stehen wir noch am Anfang der Entwicklungen.

Dämpfer der IoT-Entwicklung sind der Aufwand (vor allem in Bezug auf den hohen Energieverbrauch) und die Sicherheit. Dinge mit dem Internet zu verbinden, heißt, sie potenziell mit Hackern zu verbinden. Leider zeigten einige Beispiele, wie Internet-Babyphone, dass viele Hersteller der Sicherheit zu wenig Beachtung schenken.

Abb.: Withings L'Oréal's Smart Haarbürste Kérastase. Fotos: Withings ((wird ergänzt))
((wird ergänzt))

Als Verbraucher nutzen wir IoT im Haushalt mit Sprachassistenten oder beispielsweise in Form von Dash-Buttons – eine Hardware, mit der man auf Knopfdruck Verbrauchswaren wie etwa Waschpulver nachbestellen kann, wenn sich diese dem Ende neigen. Noch weiter verbreitet ist das IoT in den Bereichen Logistik, Objekt-Tracking, in Industrieanlagen und in der Landwirtschaft. Hersteller, die ihre Produkte mit IoT-Komponenten ausrüsten, stellen einen Rückkanal der Produkte her. Damit kann die Anwendung der Produkte im realen Einsatz analysiert werden, um das Gerät oder das Portfolio zu verbessern. Anwender dieser Produkte können zusätzliche Bedienoptionen und Wartungsinformationen nutzen. In der Softwareindustrie ist der anonymisierte Produkt-Informations-Rückkanal bereits üblich.

Auch Beleuchtungsanlagen passen gut ins IoT. Licht zu steuern ist vielen Nutzern ein Bedürfnis. Leuchten verfügen über mehrere Wartungsdaten und Leuchten sind ideale Plätze für weitere IoT- und Sensor-Komponenten. Leuchten sind nahezu überall, haben gute Beobachter-Positionen und verfügen über einen Stromanschluss. Die »Philips Hue« ist wohl das populärste Beispiel von IoT im Licht. Signify liefert über die Hue hinaus auch eine IoT-Plattform namens »Interact« und möchte zukünftig alle LED-Produkte netzwerkfähig anbieten. Viele andere Leuchten-Hersteller wie Osram und Zumtobel/Tridonic haben IoT-Initiativen. Desweitern gibt es mehrere Allianzen und Gruppen zu IoT und Licht, wie die Fairhair Alliance, openAIS oder die Thread Group.

Prof. Meike Barfuß von der FH Südwestfalen forscht aus einer Lichtperspektive zu IoT. Auch an der FH Dortmund wird zu IoL, dem Internet of Light, geforscht. Prof. Ingo Kunold setzt einen Schwerpunkt auf die semantische Interoperabilität. Dabei geht es darum, dass sich Geräte und Dienste miteinander verständlich austauschen können (s. LICHT 2|2021, S. 70 »Wie Roboter bei der Kommissionierung von Leuchten helfen können«). Das ist gar nicht so weit entfernt von dem was in BIM mit den genormten Merkmalen geschehen ist (s. LICHT 6 | 2020, S. 52 »Leuchten-Merkmale und BIM«).

Strukturelle Unterstützung mit BIM

BIM liefert mit dem digitalen Gebäudemodell eine interessante Ergänzung zu IoT-Anwendungen. In einem Gebäudemodell können alle Gebäudeobjekte, inklusive Leuchten und Sensoren, mit ihrer Position und allen ihren Merkmalen gespeichert sein. Da BIM eine Art Datenbank mit allen Bauteilen eines Bauwerks ist, in dem alle Bauteile mit Koordinaten und ihre Eigenschaften abgelegt sind, kann man abfragen, welche Leuchten, in welchem Raum, mit welchen Fähigkeiten und Zuständen vorhanden sind. Auch Abstände zwischen Leuchten und allen Objekten können geliefert werden. BIM ermöglicht also eine Verortung in Bauwerken, ähnlich wie GIS oder Google Maps, und kann eine Art Skelett oder Raumstruktur für alle IoT-Daten liefern. Dies ist für IoT-User-Interfaces oder Datenanalysen mit Ortsauflösung interessant.

Abb.: Leuchten in einem BIM-Model. Screenshot: Autodesk Revit ((wird ergänzt))

Auch umgekehrt kann das IoT nützliche Daten für ein BIM-Modell liefern. So können einige objektspezifische Daten Hinweise zu Position oder Zustand liefern: Wie viel Anschlussleistung hat eine Leuchte oder welcher Typ ist im Raum tatsächlich vorhanden? Hier bildet das IoT auch eine Brücke von der virtuellen Welt in die reale. Die Triangulierung von Leuchten in einem Mesh mittels ihres Funksignals oder Spannungsfall-Daten würde sogar eine Relativposition zwischen den Leuchten bzw. Controllern aus dem IoT für BIM ermöglichen. Damit würde das IoT sozusagen einen Teil eines BIM-Modells erstellen.

Ein Unterschied zwischen IoT und BIM ist, dass die aktuellen BIM-Systeme mit relativ starren Daten arbeiten, wie sie in der Planung und Errichtung von Bauwerken auch benötigt werden. Erst beim Betreiben, Warten und Nutzen von Bauwerken werden dynamische oder Echtzeitdaten nützlich. Technisch kann im Internet beides gut dargestellt und genutzt werden. Es hängt, wie so oft, von der Anwendung und dem Nutzen ab, wie aktuell Daten sein müssen. Wie schnell man wissen muss, ob eine Leuchte durch einen Fehler ausfällt, hängt zum Beispiel auch davon ab, wie schnell der Fehler behoben sein muss. Eine IoT-basierte Wartung ist nur ein Teil des Wartungskonzeptes. Spannend ist nach wie vor das Konzept Predictive Maintenance. Für diese voraussehende Wartung werden IoT-Daten mit KI-Methoden analysiert und Indikatoren für einen Verschleiß oder Ausfall gefunden. Auf diese Weise kann man einen Ausfall der Leuchte vorausahnen, bevor dieser passieren wird und sie rechtzeitig warten.

Abb: Predictive Maintenance von Industrie-Anlagen mit Yaskawa Cockpit von Yaskawa Motoman. Quelle: Yaskawa Motoman ((wird ergänzt))

Heutige Leuchten können schon relativ viele Echtzeitdaten über Bussysteme wie DALI liefern: Temperatur, Dimmlevel, Dimmkurve, Spannung, Nutzungsdauer, Leistung, diverse Fehler, EVG und Leuchten GTIN, Art der Lampe / LED. Marktgängige Sensoren in Leuchten liefern über den Leuchten-Bus weitere Echtzeitdaten: Umgebungshelligkeit und diverse Anwesenheits-Zustände. Nicht üblich – aber für Leuchten ebenfalls interessant – sind Sensoren für CO2 und Akustik für die erweiterte Präsenzerfassung, der Abstand zum Bereich der Sehaufgabe (Anpassung der Helligkeit nach Tischabstand), Spektrometer, WiFi / Bluetooth für die Erfassung anderer Geräte (und ggf. deren Inhalt) und Kameras für eine optische Abtastung des Raums. Darüber hinaus existieren sehr viele weitere Arten von Sensoren; für die Erfassung von der Luftfeuchtigkeit bis zur Gammastrahlung. Die meisten Leuchten bieten Platz für fast alle Arten von Sensoren.

Lichtmanagement (LMS)

Klassische Lichtmanagement-Systeme lassen Nutzer das Licht regeln. Das umfasst das Ein-/Ausschalten und das Dimmen. Die physikalischen Controller waren bisher selten an das Internet angeschlossen und wurden lokal über einfache Taster oder Regler gesteuert. Bei großen Anlagen wurden die Controller an Gebäudesteuerungsanlagen angeschlossen, die wiederum das Dimmen und Schalten übernahmen.

Bei Human Centric Lighting (HCL) mit einem Fokus auf die Spektralanteile des Lichts wird zwingend ein Lichtmanagement-System benötigt, um die spektralen Kanäle (im einfachsten Fall warme und kalte Lichtfarbe) separat anzusteuern und durch die Mischung eine spezifische Farbtemperatur oder spektrale Eigenschaft zu erzeugen. Bei HCL sind auch weitere Daten, wie die Uhrzeit oder das Datum, nötig.

Die Verbindung zwischen Leuchten und LMS-Controller erfolgt über Kabel, auf denen ein Bus-Protokoll die Verständigung sicherstellt. Hier sind DALI (architektonisch) und DMX (Event) die am weitesten verbreiteten Protokolle. Aber es gibt noch viel mehr ältere und moderne Bus-Systeme für Licht. Für eine IoT-Anwendung müsste zumindest der Controller bidirektional mit dem Internet verbunden sein. Da der Bus zwischen dem Controller und den Leuchten die Datenmenge und die Übertragungsgeschwindigkeit beeinträchtigt, wäre es sinnvoll gleich die Leuchte direkt mit dem Internet oder zumindest einem lokalen Netzwerk zu verbinden. Die Leuchten direkt und einzeln ans Netz anzuschließen, würde auch die Ansteuerbarkeit jeder einzelnen Leuchten sicherstellen. Dadurch können mehr und differenzierte Lichtszenen erstellt werden als mit Gruppen, die bei konventionellen LMS-Systemen oft verwendet werden. Auch Sensoren pro Leuchte aufzulösen, ergibt eine bessere Datenbasis als aus einem Sammelbus. Wenn die Leuchten im Netz sind, müssen auch Schalter folgen. Der Controller muss in einem solchen Szenario nicht unbedingt mehr physisch vorhanden sein. Auf jeden Fall braucht es aber einen Controller, der Schalter und Leuchten sinnvoll verbindet.

Abb.: WLAN-Modul-Einbau in ein EVG; mit ein paar Euro Hardware kann jede Leuchte eine IoT-Leuchte werden. Foto: Robert Heinze Robert Heinze
Abb.: Einfacher, autarker und sehr günstiger WLAN-Helligkeitssensor. Foto: Robert Heinze ((wird ergänzt))

Vision zu BIM – LMS – IoT

Was haben BIM und IoT gemeinsam? Über Lichtmanagement-Systeme gibt es eine nützliche Verbindung. Wenn grundlegende Probleme wie die semantische Operabilität und eine breite Hardwareausrüstung von Leuchten gelöst sind, könnte die Verbindung von IoT und BIM eine neue Generation von Lichtsteuerung hervorbringen. Wenn man sich vorstellt, dass alle Leuchten, alle Sensor- und Nutzerdaten im Internet vorhanden sind, geht es nur noch darum einen Software-Controller zu programmieren. Doch wie sollte dieser das Licht steuern? Was benötigt der Nutzer für eine Beleuchtung? Diese Fragen sind nicht so einfach zu beantworten. Es gibt ein paar Dinge, die diese Probleme etwas eingrenzen:

  • Zunächst sollte eine ideale Lichtsteuerung autark, also ohne Schalter oder Kommandos, funktionieren. Das heißt nicht, dass es keine Nutzereingriffe geben soll. Aber die Steuerung soll auch ohne aktive Nutzereinmischung eine gute Beleuchtung einstellen.
  • Der Nutzer sollte nicht merken, dass das Licht geschaltet oder gedimmt wird, da jede plötzliche Lichtveränderung widernatürlich ist und den Menschen grundsätzlich stört. Also sollte jede Lichtveränderung langsam und fließend erfolgen. Eine perfekte architektonische Lichtsteuerung ist kaum bemerkbar (im kompletten Gegensatz zur szenischen).
  • Normen wie die EN 12464 können ein vernünftiges Ziel für eine ganze Reihe an Beleuchtungsgütemerkmalen liefern. Diese sollten schon bei der Planung Beachtung und Erfüllung finden, können aber auch vor Ort durch ein LMS noch mal feinjustiert werden.
  • Dann sollen, wie heute schon gängig, Tageslicht und die Nutzerpräsenz verwendet werden.

Der Umfang an Daten aus IoT und BIM ist zwar recht groß; aber auch ein begrenzender Faktor. Die Steuerung kann sie in Form einer dynamischen Datenbank nutzen, um das Licht optimal zu steuern. Es braucht nicht nur Leuchten-Daten und klassische Lichtsensor-Daten, sondern auch Daten über die Räume, deren Beleuchtungsstand und über den Nutzer und seine Sehpräferenzen. Je hochauflösender, desto besser.

Etwas weitergedacht, könnte ein KI-Modul diese Daten auch nutzen, um vom Anwender eingelernt zu werden. Wenn z. B. der Nutzer das Licht 20-mal am Abend zu einer festen Uhrzeit oder zu einem festen Umgebungslichtwert einschaltet, könnte es die Anlage beim 21. Mal selbstständig tun. Noch weitergedacht, wäre eine vorausschauende Lichtsteuerung mittels KI. In diesem Fall ginge das Licht im Raum schon an, kurz bevor jemand den Raum betritt, da das System das Nutzer-Bewegungsprofil kennt oder Sensoren die Bewegung des Nutzers in Richtung des Raumes erkennen und richtig deuten kann.

Abb.: Datenverarbeitungsstruktur aus »Dynamische Leuchtensteuerung als Funktion der Zeit«, Stefan Klir, Simon Benkner, Prof. Tran Quoc Khanh. Quelle: TU Darmstadt TU Darmstadt

An dem Thema »Dynamische Leuchtensteuerung als Funktion der Zeit« wird auch professionell geforscht (s. LICHT 9|2021, S. 66). Die TU Darmstadt unterhält gleich mehrere Forschungsprojekte dazu, welche Eigenschaften von Licht wann und wie beim Nutzer ankommen. Stefan Klir und Dr. Sebastian Babilon haben auf der letzten LICHT 2021 sehr interessante Vorträge zu ihren Projekten vorgestellt.

Weitere Informationen:

Autor: Robert Heinze

www.relux.com

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 1 | 2022

Erschienen am 25. Februar 2022