Adaptive Beleuchtungsnetzwerke auf Bluetooth-Basis
Beleuchtung als Plattform für Gebäudevernetzung
Die Mesh-Vernetzung über Bluetooth ist der erste Kommunikationsstandard im Niedrigenergiebereich, der ein zuverlässiges, schnelles und skalierbares drahtloses Lichtsteuerungssystem ermöglicht. Das Technologieunternehmen Silvair hat die neue Technologie im Hauptsitz in Krakau erfolgreich getestet und bei einem Kunden in Dallas implementiert. In der Unternehmenszentrale von Silvair wurde dazu das konventionelle Beleuchtungssystem büroweit zu einem drahtlosen Netzwerk für die Lichtsteuerung umgerüstet.
Bild: Silvair sp. z o. o.
Moderne Konzepte zur Lichtsteuerung verbessern die Effizienz von Beleuchtungsanlagen in Büros und senken die Energiekosten. Anwesenheitserfassung über Sensoren und die Nutzung von Tageslicht gehören dabei zu den effektivsten Methoden. Neben der kabellosen Lichtsteuerung setzte Silvair diese beiden Strategien in seinen Büroräumen um und installierte Sensoren, die die Raumbelegung und das Umgebungslicht erfassen.
Datenverkehr beruht auf Informationen statt Geräten
Silvair Monitoring ist ein Paket aus Software-Werkzeugen, das wertvolle Einblicke z.B. in die Raumnutzung ermöglicht. Die Belegungsdaten lassen sich in Heizkarten darstellen. So spart das Unternehmen Energie und optimiert die Raumnutzung. (Bild: Silvair sp. z o. o.)
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. Es bringt die bewährte, weltweite Interoperabilität der Bluetooth-Technologie in die Schaffung von industrietauglichen Gerätenetzen ein. Seit 2017 lassen sich Mesh-Netzwerke über Bluetooth-Technologie realisieren. Die damit eingeführten 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. Gleichzeitiges Multicast verbreitet dabei Nachrichten mit einer einzigen Übertragung auf viele Knoten und ist eine wesentliche Voraussetzung für Beleuchtungsanwendungen. In kommerziellen Umgebungen müssen Dutzende oder mehr Netzwerkknoten gleichzeitig mit vollständiger Synchronisation und minimaler Latenz auf Lichtsteuerbefehle reagieren. Die Mesh-Vernetzung auf Bluetooth-Basis ist die einzige Lösung, bei denen mehrere Multicast-Nachrichten gleichzeitig über das Netzwerk gesendet werden können. Damit sind Mesh-Beleuchtungssysteme auf Basis von Bluetooth widerstandsfähig.
Zuverlässigkeit und Performanz durch gleichzeitiges Multicast
Leuchteninstallation nach der Umrüstung (Bild: Silvair sp. z o. o.)
Durch gleichzeitiges Multicast erreichen drahtlose Installationen die störungsfreie Leistung und Skalierbarkeit von verkabelten Systemen. Auch schwierige Funkbedingungen lassen sich dadurch kompensieren, wie praktische Einsatzbeispiele zeigen. Ein wesentlich reduziertes Datenvolumen hebt die Mesh-Vernetzung per Bluetooth von anderen kabellosen Systemen ab. Bei zentralisierten funkbasierten Netzwerken laufen die Daten immer über ein zentrales Steuerungsgerät. Es wird damit nicht nur zum ‚Single Point of Failure‘, sondern erzeugt auch Engpässe. Denn die Sensoren schicken Informationen an die zentrale Steuerungs-Hardware und diese wiederum sendet Befehle an jedes der zugehörigen Geräte. Dadurch vervielfacht sich das Volumen des Datenverkehrs. Insbesondere für Beleuchtungsanwendungen, bei denen eine sofortige Reaktion notwendig ist, bildet das ein echtes Problem. Die Mesh-Vernetzung über Bluetooth verlagert die Steuerungsfunktionen in die einzelnen Geräte. Das verringert das Volumen des Datenverkehrs um die Hälfte und ermöglicht eine dezentrale Architektur ohne Engpässe. Mesh-Netze über Bluetooth benötigen keine zentralen Steuerungsgeräte, da in jede Leuchte ein Software-Controller eingebaut ist. Sie erfordern auch keine Gateways, da Bluetooth bereits in jedem Personal-Computing-Gerät integriert ist. 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.
Zusammen mit Murata hat Silvair im Bürogebäude der Billingsley Company in Dallas ein drahtloses Lichtsystem auf Bluetooth-Basis implementiert. (Bild: Silvair sp. z o. o.)
Praktische Erfahrungen bei Silvair und seinen Kunden
Silvair hat das in seiner polnischen Zentrale installierte LED-System zu einem sensorgesteuerten adaptiven Netzwerk auf Grundlage dieser Technologie ausgebaut. Aufgrund häufiger Funkstörungen erscheint ein solches Büro für die Funkkommunikation grundsätzlich nicht besonders gut geeignet. Neben allen Smartphones und Laptops sorgen viele Testgeräte für einen hohen Datenverkehr. Aber selbst unter diesen Umständen arbeitet die drahtlose Lichtsteuerung büroweit auf Basis von Bluetooth zuverlässig. Die vorhandenen Leuchten mit 230V-LED-Treibern von Boke blieben dabei erhalten. In jeder Leuchte wurde eine Mesh Bridge und in den Deckenplatten unmittelbar daneben ein Präsenz- und Umgebungslichtsensor von Osram installiert. Die Mesh Bridge ist ein Referenzdesign von Silvair. Es handelt sich um eine Vorrichtungssteuerung, die Bluetooth Mesh-Befehle in einen Standard 0-10V-Ausgang umwandelt und so ein bestehendes Beleuchtungssystem in ein Bluetooth-basiertes Mesh-System verwandelt. Die sensorbasierte Lichtsteuerung passt die Helligkeit 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. Neben modernen Kontrollfunktionen ermöglichen Bluetooth-Mesh-Netzwerke weitere Dienste auf der Basis der Beleuchtungsinfrastruktur. Silvair Monitoring ist ein Paket aus Software-Werkzeugen, das wertvolle Einblicke z.B. in die Raumnutzung ermöglicht. Gemeinsam mit dem japanischen Unternehmen Murata, hat das Unternehmen ein drahtloses Steuerungssystem im Bürogebäude der Billingsley Company in Dallas, Texas implementiert. Dort wurden die Räume in unterschiedliche Zonen zur Tageslichtnutzung aufgeteilt und detaillierte Daten zur Anwesenheit von Personen sowie zum Energieverbrauch einzelner Räume erhoben. In Räumen mit Fenstern kommunizieren Umgebungslichtsensoren mit den Mesh-basierten Leuchten, sodass Tageslicht genutzt und ein konstantes Helligkeitsniveau über den gesamten Tag hinweg gewährleistet wird. Alle Räume sind zudem mit Präsenzmeldern ausgestattet. Dies trägt dazu bei, Kosten zu senken und das Arbeitsumfeld für die Mitarbeiter zu optimieren. Die Belegungsdaten lassen sich in Heizkarten darstellen. So spart das Unternehmen Energie und optimiert die Raumnutzung. 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. Ob dies der Fall sein wird, steht noch nicht fest, aber diese ersten Implementierungen sehen vielversprechend aus.
