Haushaltsgeräte steuern Bluetooth Low Energy hält Einzug ins Smart Home

Autor / Redakteur: Pushek Madaan und Gagan Luthra * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bluetooth Low Energy soll künftig auch Haushaltsgeräte steuern. Die bisherige einschränkende Netzwerktopologie lässt sich durch einen neuartigen Ansatz überwinden.

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Kommunikation im Smart Home: Mit Bluetooth Low Energy können Geräte über ein Smartphone bedient werden. Allerdings muss die einschränkende Netzwerktopologie berücksichtigt werden.
Kommunikation im Smart Home: Mit Bluetooth Low Energy können Geräte über ein Smartphone bedient werden. Allerdings muss die einschränkende Netzwerktopologie berücksichtigt werden.
(Bild: Jakub Jirsák/Fotolia.com)

Bluetooth Low Energy (BLE) hat das Konzept des Internets der Dinge (IoT) revolutioniert und dazu beigetragen, es von einem Konzept zu einer wirtschaftlich erfolgreichen Realität zu machen. Hauptsächlich zum Durchbruch verholfen hat die Funktechnik „Bluetooth Low Energy“ seine Omnipräsenz in Smartphones, Tablets und in letzter Zeit auch Notebooks. Hier hat die Technik eindeutige Vorteile gegenüber früheren proprietären Protokollen, bei denen am anderen Ende der drahtlosen Verbindung eine spezielle Hardware, gewöhnlich ein USB-Dongle oder ein integrierter Funkbaustein, erforderlich war.

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Bluetooth Low Energy als De-facto-Standard

Das hat neben weiteren Gründen, beispielsweise der Leistungsaufnahme und der standardisierten Software, dazu beigetragen, dass BLE bei IoT-Anwendungen zum De-facto-Standard geworden ist. Die beliebtesten IoT-Anwendungen findet man bisher in Wearables, wie beispielsweise dem Jawbone Up, bei denen ein Gerät Sensordaten sammelt, komplexe Algorithmen ausführt, um daraus sinnvolle Informationen zu gewinnen, und diese Informationen an ein Mobilgerät überträgt.

Ähnliche Konzepte werden bei Haushaltsgeräten und Sensormodulen übernommen, um aus einfachen Häusern intelligente Häuser zu machen. Beispiele für solche Geräte sind intelligente Kaffeemaschinen, die den gewünschten Kaffee brühen und zum richtigen Zeitpunkt bereithalten, wenn man morgens das Haus verlässt. Aber auch intelligente Systeme, die das Licht steuern: Sie erkennen, wenn jemand im Raum ist, um das Licht automatisch ein- und ausschalten.

Eine Herausforderung bei der aktuellen Implementierung des BLE-Standards ist die eingeschränkte Netzwerktopologie. In Systemen wie dem Smart Home, die eine Vielzahl von Nodes (Sensoren und Lichtschalter an vielen Positionen = Knoten) umfassen können, muss jeder Knoten einzeln von einem gemeinsamen Steuergerät angesprochen werden. Das kann für gewöhnlich mit einem Mobiltelefon erfolgen.

Smart-Home-System mit verschiedenen Knoten

Als Beispiel soll ein Smart-Home-System mit einer Reihe von Knoten dienen. Jeder dieser Knoten hat eine Sensorschnittstelle, eine Lichtsteuereinheit und eine BLE-Kommunikationseinheit. Die Sensorschnittstelle kann die Anwesenheit von Personen und die Helligkeit des Umgebungslichts erkennen. Die Lichtsteuereinheit kann das Licht ein- und ausschalten und außerdem die Farbtemperatur und die Helligkeit der verwendeten LED-Leuchten regeln. Die Kommunikationseinheit implementiert das BLE-Protokoll für den Datenverkehr mit den übrigen Knoten im Smart-Home-System. In diesem Smart-Home-System kommunizieren alle Knoten über ein Mesh-Netzwerk. Jeder einzelne Knoten arbeitet im Zeitmultiplex als Master oder Slave und hat verschiedene Funktionen:

  • Sensorschnittstelle: Jeder Knoten stellt Schnittstellen für einen Näherungssensor und einen Umgebungslichtsensor bereit. Die Signale dieser Sensoren werden verstärkt und anschließend mit einem A/D-Wandler digitalisiert. Die digitalisierten Signale werden für die Funktion zur LED-Regelung und für die Kommunikation mit anderen Knoten im System benutzt.
  • Lichtsteuereinheit: Die gemessenen Signale werden von einer MCU verarbeitet und in die Steuerinformationen für die Farbtemperatur und Helligkeit des Lichts umgewandelt. Die Steuereinheit kann die Farbtemperatur und die Helligkeit des Lichts ausgehend von der Umgebungshelligkeit und der Tageszeit (aus einer Echtzeituhr, RTC) oder ausgehend von einer Benutzereingabe über eine App auf einem BLE-fähigen Mobiltelefonen anpassen.
  • BLE-Kommunikation: In diesem System hat BLE zwei Aufgaben. Zum einen dient es dazu, die Beleuchtung am Knoten vom Mobiltelefon aus zu steuern. In diesem Fall arbeitet der Knoten als GAP-Peripheriegerät und empfängt Steuerinformationen vom Telefon, das als GAP-Zentrale fungiert. Im Weiteren ermöglicht BLE es dem Knoten, andere Knoten im Smart-Home-System zu steuern. Dabei wird die Rolle eines Knoten geändert und arbeitet jetzt als GAP-Zentrale, damit er Steuerinformationen zu anderen Knoten senden kann.
  • Dynamischer Wechsel der BLE-GAP-Rollen: In dieser Anwendung arbeiten alle Knoten als GAP-Peripheriegeräte (Slaves), die versuchen, eine BLE-Verbindung zur GAP-Zentrale (Master) aufzubauen. Wenn ein Knoten Steuerinformationen von einer GAP-Zentrale empfängt oder mit seinen PIR-Sensoren Bewegung erkennt, ändert er seine Rolle in die einer GAP-Zentrale und stellt Verbindungen zu den anderen Knoten im System her, um die Informationen weiterzuleiten. Dadurch benötigen die übrigen Knoten keine direkten Steuerinformationen vom Mobiltelefon, sondern empfangen die gleichen Informationen von einem benachbarten Knoten.

Die Vorteile von PSoC 4 BLE für den Entwickler

Wegen der vielen verschiedenen Funktionen würde man eine Mehr-Chip-Lösung benötigen. Der Einsatz von mehreren Chips erhöht nicht nur die Materialkosten, sondern er erfordert auch eine größere Leiterplatte. Allerdings könnte der begrenzte Platz ein Problem sein. Die Lösung in diesem Fall heißt PSoC 4 BLE von Cypress. Sie stellt eine BLE-Kommunikation bereit, die nicht nur als GAP-Peripherie und als GAP-Zentrale arbeiten kann, sondern auch dynamisch zwischen diesen beiden GAP-Rollen umschaltet.

Außerdem enthält PSoC 4 BLE programmierbare Analogblöcke, um kundenspezifische Sensorschnittstellen zu erstellen, und programmierbare digitale Blöcke, um Steuereinheiten zu implementieren. Dieser Ansatz ist durch die Verringerung der Materialkosten und der Leiterplattengröße eine besonders wirtschaftliche Lösung, die zudem modular ist, da der gleiche Chip dazu genutzt werden kann, verschiedene Funktionen für verschiedene Knoten zu implementieren.

Der Baustein implementiert nicht nur alle drei Systemfeatures Sensorschnittstelle, Lichtsteuereinheit und BLE-Kommunikation, sondern er erleichtert auch die Implementierung, indem er die BLE-Komponente bereitstellt, mit der sich Produkte, die als BLE-GAP-Zentrale und GAP-Peripherie arbeiten, erstellen lassen.

* Pushek Madaan ist Senior Marketing Engineer bei Cypress Semiconductor. Gagan Luthra ist für das Produkt-Marketing bei Cypress Semiconductor verantwortlich.

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