Technik
Licht 5 | 2019

Mesh-Vernetzung und Multicast

Beleuchtungsnetzwerke auf Bluetooth-Basis

Die Mesh-Vernetzung über Bluetooth ermöglicht als Kommunikationsstandard im Niedrigenergiebereich zuverlässige, schnelle und skalierbare Systeme für die drahtlose Lichtsteuerung. Das Unternehmen Silvair hat die Technologie bereits in verschiedenen Projekten erfolgreich implementiert. Werden zusätzlich Helligkeits- und Anwesenheitssensoren eingebunden, kann das Licht in Abhängigkeit von Raumbelegung und vorhandenem Tageslicht geregelt werden, was erhebliche Energieeinsparungen und verschiedene Zusatzfunktionen ermöglicht.

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Lichtsteuersysteme sind ein Hauptanwendungsfall für Bluetooth-Mesh-Implementierungen. Das Beleuchtungssystem eines Gebäudes bietet ein natürliches Netz, über das alle Geräte in einem Bluetooth-Mesh-Netzwerk Nachrichten weiterleiten können. Diese drahtlose Beleuchtungslösung kann auch als Plattform für Ortungsdienste in Innenräumen fungieren – einschließlich Navigation, Nachverfolgung von Objekten und Optimierung der Raumnutzung.

Many-to-Many statt Zentrale

Mesh-Netzwerke auf Bluetooth-Basis ermöglichen eine Many-to-Many-Kommunikation zwischen vielen Geräten und eignen sich ideal für die Erstellung von IoT-Lösungen, bei denen mehrere tausend Geräte zuverlässig und sicher miteinander kommunizieren müssen. Seit 2017 lassen sich Mesh-Netzwerke über Bluetooth realisieren und damit industrietaugliche Netzwerke schaffen, die weltweite Interoperabilität und das ausgereifte Gesamtsystem der Bluetooth-Technologie verbinden.

Die dabei genutzten Kommunikationsprinzipien entsprechen dem Ansatz des Information-Centric Networking (ICN). Dieses Konzept wurde entwickelt, um den immer größeren Datenverkehr durch namensbasierte Adressierungs- und Weiterleitungskonzepte als Kernprinzipien zu bewältigen. Statt Absender und Empfänger stehen Informationen auf Basis von Namen im Mittelpunkt und machen Daten unabhängig von Ort, Speicherung oder Anwendung. Mesh-Beleuchtungsnetzwerke über Bluetooth beruhen auf dem Publish-Subscribe-Prinzip. Hier werden Adressen Informationen zugeordnet, nicht bestimmten Geräten. Die Leuchten abonnieren Nachrichten von bestimmten Adressen, damit sie auf relevante Meldungen reagieren. Andere Geräte veröffentlichen an diese Adressen und verteilen Lichtsteuerbefehle gleichzeitig an alle betroffenen Empfänger.

Performanz und Zuverlässigkeit durch Multicast

Die Nachrichtenübertragung in einem Bluetooth-Mesh-Netzwerk erfolgt somit nicht von Punkt zu Punkt, sondern von einem Punkt zu einer Gruppe. Das Verbreiten von Nachrichten mit einer einzigen Übertragung auf viele Knoten nennt man Multicast. Das Prinzip ist eine wesentliche Voraussetzung für Beleuchtungsanwendungen, denn hier müssen Dutzende oder mehr Netzwerkknoten gleichzeitig mit vollständiger Synchronisation und minimaler Latenz auf Lichtsteuerbefehle reagieren. Multicast ist auch wichtig für die Zuverlässigkeit, denn schwierige Funkbedingungen lassen sich durch Multicast kompensieren, wie praktische Einsatzbeispiele zeigen.

Optimiertes Datenvolumen

Bei zentralisierten funkbasierten Netzwerken laufen die Daten immer über ein zentrales Steuerungsgerät. Dadurch wird es nicht nur zum »Single Point of Failure«, sondern vielleicht auch zum Engpass, denn die Sensoren schicken Informationen an die zentrale Steuerungs-Hardware und diese wiederum sendet Befehle an jedes der zugehörigen Geräte. Das sorgt für ein großes Volumen beim Datenverkehr. Insbesondere für Beleuchtungsanwendungen, bei denen eine sofortige Reaktion notwendig ist, kann das ein echtes Problem darstellen.

Die Mesh-Vernetzung über Bluetooth kann hier Abhilfe schaffen, denn bei ihr sind die Steuerungsfunktionen in die einzelnen Geräte verlagert. Das verringert das Volumen des Datenverkehrs drastisch und ermöglicht eine dezentrale Architektur ohne Engpässe oder »Single Points of Failure«. Mesh-Netzwerke über Bluetooth benötigen keine zentralen Steuerungsgeräte, da in jede Leuchte ein Software-Controller eingebaut ist. Ein weiterer Vorteil: Bluetooth ist bereits in jedem Personal-Computing-Gerät integriert. So kann sich ein Smartphone direkt mit jedem Knoten verbinden, wenn Inbetriebnahme- oder Konfigurationstätigkeiten ausführt werden.

Im Vergleich zu anderen Mesh-Systemen werden bei Mesh-Netzen auf Bluetooth-Basis kleinere Datenpakete eingesetzt. Sie sind sie sehr kompakt, da das Protokoll darauf ausgelegt ist, große Mengen kleiner Pakete so schnell wie möglich zu transportieren. Kompaktere Datenpakete erzeugen weniger Paketkollisionen, was für eine zuverlässige und skalierbare Kommunikation entscheidend ist.

Beste Erfahrungen bei realisierten Projekten

Silvair, ein Pionier im Bereich intelligenter Lichtsteuerung auf Bluetooth-Basis, hat das in seiner Unternehmenszentrale installierte LED-Beleuchtungssystem zu einem sensorgesteuerten adaptiven Netzwerk auf Grundlage der Bluetooth-Mesh-Technologie ausgebaut. Aufgrund häufiger Funkstörungen erschien die Büroumgebung für die Drahtlos-Kommunikation eigentlich nicht besonders gut geeignet. Neben allen Smartphones und Laptops sorgen viele Testgeräte für einen extrem hohen Datenverkehr. Aber selbst unter diesen Umständen arbeitet die Bluetooth-Lichtsteuerung büroweit zuverlässig und synchron.

Bei diesem Projekt wurden die vorhandenen LED-Leuchten weitergenutzt. In jede von ihnen wurde eine Mesh-Bridge integriert. Unmittelbar daneben, in den Deckenplatten, platzierte man Präsenz- und Umgebungslichtsensor von Osram. Bei der Mesh-Bridge handelt es sich um ein Referenzdesign von Silvair. Die Bridge übersetzt die Bluetooth-Befehle in Steuerbefehle gemäß dem 0–10-V-Standard. Da die LED-Treiber der Bestandsleuchten eine 0–10-V-Schnittstelle aufwiesen, konnten die Leuchten über die Bridges in das Bluetooth-Mesh-Netzwerk eingebunden werden.

Die Bluetooth-Mesh-Lösung in den Büroräumen von Silvair nutzt die Bestandsleuchten weiter. Eine Bridge vermittelt zwischen deren 1–10-V-Schnittstelle und dem Bluetooth-Netzwerk.
Mesh-Netzwerke auf Bluetooth-Basis ermöglichen eine Many-to-Many-Kommunikation zwischen vielen Geräten und eignen sich ideal für die Erstellung von IoT-Lösungen. Silvair

Die sensorbasierte Lichtsteuerung passt den Lichtstrom der Leuchten automatisch und sanft an die Belegung und die Verfügbarkeit von Tageslicht an. In jedem Raum gibt es einen Funkschalter, mit dem sich das Szenario beliebig steuern lässt. Alle Leuchten im Gebäude können auch sofort über den Hauptschalter ausgeschaltet werden.

Beleuchtung als Plattform für weitere Dienste

Neben den reinen Steuerungsfunktionen ermöglichen Bluetooth-Mesh-Netzwerke weitere Dienste auf Basis der Beleuchtungsinfrastruktur. Silvair Monitoring beispielsweise ist ein Paket aus Software-Werkzeugen, die Informationen über die Raumnutzung bereit stellen. Gemeinsam mit dem japanischen Technologieunternehmen Murata hat Sivair ein Lichtsteuersystem mit dieser Zusatzfunktion bei einem Kunden implementiert: Im Bürogebäude der Billingsley Company in Dallas, Texas, sind sämtliche Räume mit Präsenzmeldern ausgestattet. Auf Basis ihrer Informationen wird das Licht anwesenheitsabhängig gesteuert, aber die Sensordaten werden auch genutzt, um zu analysieren, wann ein Raum bzw. Raumbereich wie stark genutzt wird.

Im Bürogebäude der Billingsley Company in Dallas wird das Licht über das Bluetooth-Mesh-Netzwerk präsenz- und tageslichtabhängig gesteuert. Eine Monitoring-Software wertet zudem die Daten der Präsenzmelder und die Energieverbrauchsdaten der Leuchten aus. Silvair
Silvair

Unter anderem lassen sich mit der Monitoring-Software von Silvair sogenannte Heat Maps erstellen, die die Raumnutzung grafisch abbilden. So spart das Unternehmen nicht nur Energie durch die präsenzabhängige Lichtsteuerung, sondern kann auch seine Raumnutzung optimieren. Das Licht in den Büros der Billingsley Company wird außerdem tageslichtabhängig gesteuert, was einen weiteren Beitrag leistet, die Energiekosten zu senken.

Die Monitoring-Software bietet diverse Analyse-Tools. So lässt sich zum Beispiel die Intensität der Raumnutzung anhand einer Heatmap grafisch darstellen. Silvair

Fazit

Die Lichtsteuerungstechnologie von Silvair kommt seit kurzem auch in stärker praxisnahen Implementierungen in unterschiedlichen Umgebungen zum Einsatz. Neben den oben genannten Projekten wurden die Lösungen des Unternehmens in einer Schule im polnischen Jaworzno sowie in einem 25.000 m2 großen Lager des Leuchtenherstellers McWong in Sacramento umgesetzt. Silvair ist überzeugt, dass der Mesh-Standard von Bluetooth – aufgrund seiner offenen Natur und durch sein enormes technologisches Potenzial – die Lichtsteuerung »demokratisieren« wird. Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an die Umsetzung effizienter sensorgesteuerter Steuerungsstrategien lassen sich mit ihm deutlich reduzieren.

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Licht 5 | 2019

Erschienen am 25. Juni 2019