Mit Version 5 erobert Bluetooth (auch) das Smart Grid

| Autor / Redakteur: Olivier Monnier* / Michael Eckstein

Schneller und weiter: Das neue Bluetooth 5 eignet sich viel besser als seine Vorgänger für industrielle Anwendungen, zum Beispiel im Smart Grid.
Schneller und weiter: Das neue Bluetooth 5 eignet sich viel besser als seine Vorgänger für industrielle Anwendungen, zum Beispiel im Smart Grid. (Bild: Texas Instruments)

Mit seinem Long-Range-Modus empfiehlt sich das neue Bluetooth 5 zunehmend für industrielle Anwendungen im Internet of Things – etwa den Aufbau intelligenter Stromversorgungsnetze.

Mit dem Erscheinen der neuen Version 5 des Bluetooth-Standards macht sich Bluetooth Low Energy (BLE) daran, seine bislang fast ausschließlich auf elektronische Kleingeräte und Wearables fokussierten Anwendungsgebiete auf industrielle Applikationen auszudehnen. Ein Beispiel dafür ist das Smart Grid, also das „intelligente“ Stromnetz.

Damit die Energieversorgungsunternehmen ihre Netze optimal betreiben können, benötigen sie möglichst detaillierte Informationen darüber. Am besten in Echtzeit. Daher rüsten die Versorger wichtige Punkte der Infrastrukturen mit Sensoren aus, die entweder regelmäßig, beim Auftreten besonderer Ereignisse oder auf Anforderung beispielsweise mit der Zentrale kommunizieren und relevante Daten übermitteln. Eine solche Anwendung ist etwa das Fernüberwachen von Stromzählern (Smart Meter). In einer darauf ausgelegten Umgebung können beispielsweise Techniker zur Wartung oder Kunden zur Kontrolle per Smartphone oder Tablet auf die vernetzten Smart Meter zugreifen, Daten auslesen oder auch Einstellungen vornehmen.

Immer wichtiger wird dabei eine standardkonforme, drahtlose Vernetzung der Komponenten. In den meisten Anwendungsfällen kommt es auf Betriebssicherheit, große Übertragungsdistanzen, schnelle Kommunikation und einen extrem geringen Stromverbrauch an. In seiner jüngsten Fassung entwickelt sich BLE zu einer probaten Ergänzung zu anderen Drahtlos-Techniken, die in diesem Bereich bereits im Einsatz sind. Schauen wir uns an, welche potenziellen Anwendungen es im Bereich des Smart Grid für Bluetooth 5 gibt und wie aktuelle Produkte helfen können, auf dieser Technik basierende Produkte zügig zu implementieren.

Bluetooth 5 ist jetzt viel besser für IoT-Anwendungen geeignet

Bluetooth ist ein international etablierter, von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) betreuter Funkstandard, der, gemessen an Stückzahlen und installiertem Bestand, heute die führende drahtlose Verbindungstechnik ist. Ein Ende ihres Erfolgs ist noch nicht in Sicht: Laut ABI Research gehört Bluetooth weiterhin zu den wachstumsstärksten Drahtlos-Technologien.

Vor der Einführung von Bluetooth 4.0 war das Spektrum der Zubehörprodukte, die an Telefone oder Computer angeschlossen wurden, meist auf Audio-Headsets oder Human Interface Devices (HIDs) wie Mäuse, Tastaturen beschränkt. Diese haben das klassische Bluetooth für Audio-Streaming oder für den Transfer von Datenpaketen über kurze Distanzen genutzt. Entscheidender Mangel der klassischen Bluetooth-Technik war ihr vergleichsweise hoher Stromverbrauch, der die Einsatzmöglichkeiten in stromsparenden, mit Knopfzellen oder anderen, eher kleinen Batterien versorgten Anwendungen einschränkte.

Dieses Problem wurde mit Bluetooth Low Energy gelöst. Mittlerweile gibt es eine breite Palette von Lösungen mit stromsparender Technik, die neue Applikationen ermöglicht haben. Seit der Bluetooth-4.0-Spezifikation hat Bluetooth Low Energy in zahlreichen Anwendungen exponentiell steigende Verbreitung gefunden, und zwar hauptsächlich in elektronischen Kleingeräten und Wearables – Endgeräte, die den Endanwender mit einem als PAN (Personal Area Network) bezeichneten Netzwerk umgeben.

Bluetooth Low Energy in industriellen Applikationen

Das nächste Anwendungsgebiet von Bluetooth Low Energy wird der industrielle Bereich sein. Hier sind die Anforderungen allerdings ungleich höher: Betriebssicherheit, Übertragungsgeschwindigkeit, Latenz, Reichweite und Stromverbrauch zählen zu den wichtigsten Kriterien.

Das neue Bluetooth 5 punktet gegenüber Bluetooth 4 mit der doppelten Bitrate, nämlich bis zu 2 MBit/s. Auch kann es Daten über bis zu viermal größere Distanzen übertragen. Im Freifeld soll die Technik bis zu 200 Meter im Innenbereich bis zu 40 Meter überbrücken können. In der Praxis kann die Reichweite im Long-Range-Modus noch deutlich höher liegen – dazu unten mehr. Damit eignet sich Bluetooth 5 dafür, über den Einzugsbereich eines PAN hinaus ganze Häuser und Gebäude abzudecken oder als ein lokales Netzwerk (LAN) zu fungieren – sofern die Datenrate für die vorgesehene Anwendung ausreicht.

Potenzielle Anwendungen im Smart Grid

Im Smart Grid können verschiedene Kommunikationsstandards zum Einsatz kommen, darunter auch drahtlose. Welche das sind, bestimmen nicht die Energieunternehmen, sondern primär die zuständigen Regierungen und Regulierungsbehörden.

Geeignete Drahtlostechniken sind beispielsweise Funk über das proprietäre ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical) unter 1 GHz, der Wireless Mbus oder auch die im lizenzfreien 2,4-GHz-Band arbeitende Zigbee-Technik. Doch für einen weltweiten Einsatz ist die Interoperabilität nicht ausreichend, ein einheitlicher Standard fehlt. Hier trumpft Bluetooth auf: Die Funktechnik erlaubt jedem Smart Meter auf der Welt die Verbindungsaufnahme beispielsweise mit einem Smartphone, Tablet oder Gateway. Bluetooth 5 gestattet größere Übertragungsentfernungen unter Beibehaltung eines geringen Stromverbrauchs und bietet gleichzeitig mehr Datendurchsatz, eine höhere Störfestigkeit und die Möglichkeit der Koexistenz mit anderen drahtlosen Geräten.

Bluetooth 5 als Bindeglied zwischen Zähler und Anwender

Stehen wir also am Beginn einer Vielzahl neuer Anwendungen für Bluetooth im Smart-Grid-Bereich? Regulierungsstellen und Energieinstitute werden zweifellos ein Mitspracherecht bei der Festlegung der neuen Spezifikationen für die kommende Generation von Smart Metern haben, aber Bluetooth 5 zieht sichtbar großes Interesse auf sich.

Bluetooth Low Energy könnte das perfekte Bindeglied zwischen Zähler und Anwender oder Energieversorger sein. Die Nutzung des Smartphones als Display könnte beispielsweise eine sehr wirtschaftliche Methode für die Interaktion mit einem Smart Meter sein. Die Zählerhersteller müssten nicht mehr ihr komplettes Design umorganisieren, um ein Display einzubauen, und auch die Anwender kämen um die Installation einer Anzeige im Haus herum. Für Wartungen und Datenaufzeichnungen könnte BLE die Infrarottechnik oder proprietäre Protokolle in den Geräten der Betreiber ersetzen. Mit seinem neuen High-Speed-Modus (2 MBit/s) erlaubt Bluetooth 5 schnellere Datentransfers. Durch das schnellere Auslesen von Daten aus den Applikationen sind Optionen wie etwa Vor-Ort-Diagnosen oder zügigere Firmware-Upgrades möglich. Die kürzeren Übertragungszeiten bewirken außerdem bei gleichem Datenvolumen einen geringeren Stromverbrauch als mit Bluetooth 4, wodurch auch die Betriebssicherheit zunimmt.

Freischalten von Energie per Smartphone

In Ländern wie Indien ist das Vorauszahlen von Nutzungsgebühren verbreitet. Dort BLE für den Dialog zwischen Smartphone und Zähler sorgen, um durch geleistete Zahlungen die Energienutzung freizuschalten. Sollte das Thema Security eine Rolle spielen, schreibt Bluetooth 5 die Sicherheitsverbesserungen von Bluetooth Low Energy 4.2 – etwa abgesicherte Kopplung und Datenschutz – mithilfe von Verschlüsselungs-Techniken fort, die den Entwicklern bei der Umsetzung ihrer Sicherheitsmaßnahmen helfen können.

BLE eignet sich auch ideal als Brückentechnik für andere Protokolle, um Wartungspersonal bei der Kommissionierung zu helfen oder per Sigfox oder über andere Netzwerke mit einem Telefon zu kommunizieren. Einige Modulhersteller produzieren zu diesem Zweck beispielsweise Brückenlösungen zwischen BLE und Sub-Gigahertz-Funkverfahren. Der Zugriff auf den Zähler ist entscheidend, und für die Überwachung der Zähler ist auch eine genügend große Reichweite in geschlossenen Räumen und unter freiem Himmel wichtig. Welche Übertragungsentfernung möglich ist, hängt von vielen Parametern ab, die wiederum in jedem Anwendungsfall und jeder Situation anders gelagert sind.

Long-Range-Modus von BLE sorgt für große Reichweiten

Texas Instruments (TI) hat Tests mit Bluetooth 5 auf seinem SimpleLink Bluetooth Low Energy Wireless-Mikrocontroller CC2640R2F durchgeführt. Im Betrieb an einer Knopfzelle bei freier Sicht erreicht das System eine Reichweite von 1,4 km, während innerhalb eines Gebäudes bis zu 400 m überbrückt werden können.

Hier drängt sich die Frage auf, weshalb man nicht einfach die Sendeleistung erhöht, um die Reichweite zu vergrößern. Tatsächlich führt ein Anheben der Ausgangsleistung nahezu immer zu mehr Reichweite. Gleichzeitig erhöhen sich dadurch jedoch auch die Spitzenströme aus der Batterie, die die Lebensdauer von kleinen Knopfzellen, wie sie in kleinen eingebetteten Geräten wie etwa Smart Metern heute zum Einsatz kommen, erheblich verkürzen.

Übertragung über 400 Meter in Gebäuden sind möglich

Zur Lösung dieses Problems wird die große Reichweite von Bluetooth 5 mit neuartigen PHYs (Physical Layer) kombiniert. Dies führt zu einer Steigerung der Empfängerempfindlichkeit mithilfe von FEC-Techniken (Forward Error Correction), die die Daten bei der Übertragung schützen – wenn auch auf Kosten niedrigerer Datenraten. Die Übertragung mit den neuen PHYs senkt die Datenraten gegenüber den 1 MBit/s in der Bluetooth 4 Low Energy-Spezifikation auf 128 kBit/s.

Der Einsatz dieser PHYs erzielt eine Reichweitensteigerung mithilfe eines höheren Link Budgets, ohne die Sendeleistung anzuheben. Daher lassen sich problemlos kleinere Batterien verwenden. Smart Meter, die ihre Datenübertragungen üblicherweise mit Datenraten im zweistelligen kBit/s-Bereich abwickeln, kommen bestens mit den von Bluetooth 5 gebotenen 128 kBit/s zurecht. Der Long-Range-Modus von Bluetooth 5 kann deshalb eine attraktive Option sein, wenn BLE in Smart Grid-Anwendungen genutzt werden soll, ohne auf einen stromsparenden Betrieb zu verzichten.

Technische Herausforderungen und Implementierung

Eine bestehende Anwendung mit drahtloser Konnektivität zu versehen, ist nicht trivial. Designer von Smart Metern müssen Hard- und Software aufeinander abstimmen, damit dieser Vorgang so reibungslos wie möglich abläuft. Wie viele andere industrielle Anwendungen auch, enthält auch ein Smart Meter bereits einen Host-Mikrocontroller, der vollständig geprüft und gelegentlich auch nach bestimmten Vorschriften zertifiziert oder qualifiziert ist. Möglicherweise ist er bereits an eine Messvorrichtung sowie weitere WAN-Funklösungen angeschlossen.

Häufig implementieren Designer Bluetooth 5 mithilfe eines Bluetooth Low Energy Companion Chips, den sie dem Host-Mikrocontroller zur Seite stellen. Dies dient einer schnelleren Integration. Möglicherweise sind auch einfach nur die verschiedenen Zählermodelle nicht mit Bluetooth ausgestattet und die Designer wollen das System flexibel halten. Die daraus resultierende Aufteilung der Software und die Auswirkungen auf die Applikation müssen evaluiert werden. Es kommen verschiedene Techniken in Frage – von einfachen Lösungen mit QFN-Gehäusen bis zu vollständig zertifizierten Modulen, Wireless-MCUs und softwaremäßigen Implementierungen mit Wireless-Network-Prozessoren. Designer haben heute die Wahl zwischen vielen Alternativen, mit denen sie den Integrationsprozess vereinfachen können.

Bluetooth 5 bringt die Voraussetzungen für eine weite Verbreitung der Technik in industriellen Anwendungen mit – die über den Einsatz in Consumer-Elektronik und elektronischen Kleingeräten hinausgeht. In technischer Hinsicht bietet Bluetooth 5 mehr Durchsatz, größere Übertragungsdistanzen und eine höhere Betriebssicherheit, während gleichzeitig ein stromsparender Betrieb möglich ist. Unter anderem für Datenaufzeichnung, Diagnose und Kommissionierung stellt Bluetooth 5 eine wirtschaftliche Ergänzung zu anderen drahtlosen Techniken im Smart Grid dar. Bluetooth 5 wird durch eine breite Infrastruktur bestehender „intelligenter“ Geräte unterstützt und hat das Potenzial für eine weltweite Anwendung.

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* Olivier Monnier ist Bluetooth Low Energy Marketing Manager bei Texas Instruments

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