Bluetooth® bringt sein Maschennetzwerk in das Internet der Dinge

Maschennetzwerke sind eine entscheidende Architektur für das Internet der Dinge (IoT). Durch Standards wie IEEE804.15 ZigBee wurden die Maschennetzwerke in den vergangenen 20 Jahren bereits erfolgreich in die industrielle Automation eingeführt. Hinter dem Maschenkonzept steht, dass jeder Knoten eines Netzwerks in der Lage ist, die Daten von einem benachbarten Knoten zu akzeptieren und weiterzuleiten, wodurch sich Netzwerke durch einfaches Hinzufügen neuer Knoten viel einfacher skalieren lassen. Das ist kostengünstiger und leichter implementierbar als der Einsatz zusätzlicher Gateway-Geräte oder Zugangspunkte, die darüber hinaus oftmals mit teurer Planung verbunden sind, um Frequenzkonflikte zu vermeiden.

Im Vergleich dazu handelt es sich bei Bluetooth^® im Wesentlichen um eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit Anbindung an ein Endgerät wie z. B. einem Smartphone oder einem Zugangspunkt wie z. B. einem iBeacon oder Eddystone. Dadurch kann es sehr erfolgreich in Wearable-Technologien eingesetzt werden, wo es für die Anbindung an ein Smartphone und von dort aus an das Internet sorgt. Die Bluetooth-Technologie ist somit in den unterschiedlichsten Anwendungen einsetzbar, die sich zunehmend direkt mit dem Internet verbinden, und führt zur steigenden Nachfrage nach Maschennetzwerken.

Abbildung 1: Die Verbindung von Knoten zu ihren jeweils nächsten Nachbarn in einem vermaschten Netzwerk ermöglicht das einfache Erweitern der Reichweite von Bluetooth-Geräten von Raum zu Raum.

Mit den jüngsten Versionen von Bluetooth Smart, ab 4.0 aufwärts, konnten sowohl der Energieverbrauch dramatisch verringert als auch die Setup-Zeit verkürzt werden – aber auch die Datenrate verringerte sich. Das hat Implikationen für ein vermaschtes Netzwerk, da die Datenrate für jeden zusätzlichen Schritt im Netzwerk halbiert wird.

Allerdings haben einige Bluetooth-Spezialisten wie bei Cambridge Silicon Radio bereits an einer eigenen Version eines Maschennetzwerks unter Verwendung von Bluetooth gearbeitet. CSRmesh ist ein Software-Overlay für energiesparende Bluetooth-Geräte, mit dem sie nicht nur Nachrichten empfangen und auf diese reagieren können, sondern diese Nachrichten auch als Repeater an die Geräte in der Umgebung weiterleiten können. Dadurch wächst die Reichweite von Bluetooth Smart, und es entsteht ein einfaches Ad-hoc-Maschennetzwerk für das IoT.

Eine der erste großen Anwendungen von CSRmesh erfolgte bei SK Telecom in Korea. Das Unternehmen entwickelte die erste Baureihe intelligenter LED-Glühlampen, die gleichzeitig als Bluetooth-Smart-Beacons in einem Einzelhandelsumfeld funktionieren. Damit kann in einem Geschäft eine nahezu unbegrenzte Anzahl von intelligenten Glühlampen einfach gesteuert und vernetzt werden, während sie gleichzeitig standortabhängige Sonderangebote an Smartphone-Benutzer senden.

Abbildung 2: Die CSRmesh-Entwicklungskarte für intelligente Lichtsteuerungsanwendungen

Herkömmliche Beacon-Systeme in Geschäften erfordern die Installation zahlreicher Drahtlossensoren im gesamten Geschäft. Dieser Prozess dauert nicht nur lange, sondern ist auch teuer, und der Einsatz geht mit einem ständigem Wartungsaufwand einher. Mit dem CSRmesh-Konzept wird ein Beacon-System möglich, ohne dass dazu erst die Infrastruktur eines Gebäudes modernisiert werden muss. Bei den intelligenten LED-Beacons reicht die vorhandenen Beleuchtungsanlage eines Gebäudes voll und ganz aus, denn sie ist gleichmäßig über das gesamte Geschäft verteilt. Die LED-Beacons werden auch permanent durch das Stromnetz versorgt, was bedeutet, dass der Dienstanbieter nicht mehr Hunderte von batteriebetriebenen Geräten verwalten muss.

Das System verwendet LED-Glühlampen, die in die vorhandenen Leuchten passen, wobei jede Glühlampe mit ihrer Nachbarin in einer Masche kommuniziert. Die intelligenten Glühlampen sind mit einem vorzertifizierten Modul ausgestattet, das auf dem CSR1010-Chipsatz und der Protokollebene CSRmesh v1.2 basiert. Diese bietet sowohl Beacon-Fähigkeit als auch Mobilunterstützung für iOS und Android.

Mit der CSRmesh-Entwicklungskarte (Abbildung 2) können Entwickler das Maschenprotokoll über der Bluetooth-Standardsoftware implementieren. Damit können Nachrichten über eine vereinfachte Plattform an zahlreiche Bluetooth Smart-Geräte kommuniziert werden. Das dürfte vor allem für Produktdesigner interessant sein, die schnell Prototypen von vernetzten Bluetooth Smart-Produkten entwickeln und die Fähigkeiten einer Maschenimplementierung erproben möchten.

Dazu bietet das Kit ein komplettes Toolset für die Evaluierung und Software-Entwicklung: von der eigentlichen Entwicklungskarte, über die Software-Entwicklungsumgebung CSR xIDE, USB-Programmier- und Schnittstellenkabel, CSRmesh-Beispielanwendungen für die Entwicklungskarte und Beispiel-Host-Anwendungen bis hin zu Quellcode für Android- und Apple iOS-Smartphones.

Die Speisung der Entwicklungskarten erfolgt normalerweise über zwei AA-Batterien, kann jedoch auch über die Host-USB-Verbindung erfolgen, und zusätzliche Karten können problemlos hinzugefügt werden, um ein größeres Netzwerk zu schaffen.

All dies ist Teil einer Lösung für die Herausforderung, Tausende von Bluetooth-Smart-fähigen Beacons in einem großen Raum wie zum Beispiel einem Stadion mit intelligenten Beleuchtungs-Beacons auf Maschenbasis zu verwalten.

Ein anderer Chiphersteller, Nordic Semiconductor, hat ebenfalls an Möglichkeiten gearbeitet, Maschennetzwerke für seine Bluetooth-Smart-Geräte ultraniedriger Leistungsaufnahme zu ermöglichen. Damit will er eine preisgünstige und ausgereifte ULP-Drahtlos-Maschennetzwerklösung bereitstellen, die vor allem auf IoT-Anwendungen abzielt.

Wirepas Pino ist ein vollautomatischer, selbst-optimierender, Multi-Hop-Maschennetzwerk-Protokoll-Stack, das von Wirepas zur Ausführung auf Nordics nRF51822 Bluetooth-Chip entwickelt wurde. Es unterstützt hohe Knotendichten und eine theoretisch unbegrenzte Netzwerkgröße (Knotenanzahl) mit einer Netzwerktopologie, die sich ständig selbst-optimiert, um den Netzwerkdatenverkehr zwischen den Knoten abzustimmen und sich an veränderte Bedingungen der Betriebsumgebung anzupassen, etwa an auftretende HF-Störungen.

Das kann eine erhebliche Verbesserung der Netzwerkzuverlässigkeit bewirken, denn wenn ein Knoten ausfällt, kann sich das Netzwerk automatisch „heilen“, indem die Kommunikation über die anderen Knoten in der Umgebung umgelenkt wird. Es ermöglicht auch eine insgesamt höhere Netzwerkeffizienz und einen geringeren Energieverbrauch für alle Knoten, da sich das Netzwerk automatisch und kontinuierlich selbst umkonfigurieren kann, um beim Hinzufügen neuer Knoten für die Aufrechterhaltung der optimalen Netzwerkleistung zu sorgen.

Abbildung 3: Das finnische Startup Wirepas plant drahtlose Maschennetzwerk-Bluetooth-Verbindungen in großen Gebäuden. 

Angesichts des großen Interesses an solchen Konzepten hat die Bluetooth Special Interest Group (SIG) das Maschennetzwerk in die Bluetooth-Spezifikation aufgenommen, um den Standard um derartige Fähigkeiten zu erweitern, damit alle Bluetooth-zertifizierten Geräte in eine Maschennetzwerk aufgenommen werden können. Auch im häuslichen Bereich finden Bluetooth-Smart-Sensoren immer größere Verbreitung, und das Maschennetzwerk-Konzept wird zur integralen Komponente, die sicherstellen soll, dass die Bluetooth-fähigen intelligenten Türschlösser, Lampen, HLK-Systeme und sogar Hausgeräte der Kunden zusammenarbeiten, um für ein nahtloses Smart-Home-Erlebnis zu sorgen.

Die Bluetooth Smart Mesh Working Group arbeitet derzeit an der Entwicklung der Architektur für eine standardisierte Maschennetzwerkfähigkeit für die Bluetooth Smart-Technologie. Diese Idee scheint sehr beliebt zu sein, denn es haben sich bereits mehr als 80 Mitgliedsunternehmen für die Mitarbeit in der Arbeitsgruppe registriert, was eine der höchsten Mitgliederzahlen von allen SIG-Arbeitsgruppen ist.

Die Gruppe vereint Unternehmen aus den verschiedensten Branchen, darunter Automobiltechnik, Mobiltelefone/Mobilität, Industrie-Automation, Home-Automation, Unterhaltungselektronik und Computer. Der Schwerpunkt der Gruppenarbeit liegt nicht in einem speziellen Anwendungsfall, sondern vielmehr im Aufbau einer gemeinsamen Plattform für die Entwicklungstätigkeit aller Mitglieder. Im Fokus der Arbeitsgruppe stehen viele Benutzerszenarien, die vom Maschennetzwerk profitieren würden, darunter Beleuchtung, HLK-Steuerung, Bestandsverfolgung (Asset Tracking) und Sicherheit.

Eine Möglichkeit, derartige Fähigkeiten problemlos zu implementieren, wäre ein Modul wie das BLE113 von Silicon Labs. Dieses Modul zielt auf Small- und Low-Power-Sensoren und -Zubehör ab und integriert sämtliche Funktionen, die für eine Bluetooth Smart-Anwendung erforderlich sind, vom Funk-Transceiver, über das Software-Stack und die Profile bis hin zum Batteriemanagement und der Monopol-Chipantenne. Damit lässt es sich über seine flexiblen Hardware-Schnittstellen einfach in bestehende Designs integrieren, wodurch diese Designs dann ganz einfach auf ein Maschennetzwerk zugreifen können. Es kann direkt von einer 3-V-Standardknopfzelle oder von zwei AAA-Batterien gespeist werden. Am wenigsten Energie – nur 500 nA – verbraucht es im Schlafmodus; seine Aktivierung erfolgt innerhalb weniger Hundert Mikrosekunden.

Abbildung 4: Das Bluetooth-Modul BLE113 von Silicon Labs

Einer der Vorteile des Maschennetzwerks besteht darin, dass damit Bluetooth für den Benutzer fast unsichtbar wird. Bei noch höherer Design-Integration könnten Bluetooth Smart-Transceiver wie der DA14580 von Dialog Semiconductor in die Ausrüstung eingebettet werden und den automatischen Verbindungsaufbau zu einem benachbarten Knoten im Maschennetzwerk ermöglichen. Das würde eine ganz einfache Möglichkeit für das Setup und die Ausführung von Smart-Home- und IoT-Anwendungen erschließen. 

Der DA14580 bietet einen voll integrierten Funk-Transceiver und Basisband-Prozessor für Bluetooth Smart 4.1, der als eigenständiger Anwendungsprozessor oder als Datenpumpe in gehosteten Systemen eingesetzt werden kann. Der Transceiver unterstützt eine flexible Speicherarchitektur zur Speicherung von Bluetooth-Profilen und kundenspezifischen Anwendungscodes mit OTA-Updates (Over The Air), und kann damit zu einem späteren Zeitpunkt potenziell auch ein Maschennetzwerkprotokoll implementieren. Das qualifizierte Bluetooth Smart Protokoll-Stack wird in einem dedizierten ROM gespeichert, und die gesamte Software läuft auf dem integrierten 16 MHz ARM Cortex-M0-Prozessor über einen einfachen Scheduler. Der Baustein wurde im Hinblick auf niedrige Leistungsaufnahme und kompakte Größe optimiert, um sich unauffällig in Designs zu integrieren.

Zur Bluetooth Smart-Firmware gehören die L2CAP Service-Layer-Protokolle, Security Manager (SM), Attribute Protocol (ATT), das Generic Attribute Profile (GATT) und das Generic Access Profile (GAP) sowie kundenspezifische Profile, welche die Maschenimplementierung enthalten könnten.

Laut Einschätzung der SIG bietet die Bluetooth-Technologie einen unübertroffenen Mehrwert: Sie verbraucht die geringste Energie, verursacht die geringsten Kosten und ist die am umfassendsten verfügbare Drahtloslösung, mit der heute das IoT ermöglicht werden kann. Entscheidend ist, dass die Technologie mit der Aufnahme des Maschennetzwerks in die Bluetooth-Spezifikation in gänzlich neue Marktsegmente vordringen kann.

Die Smart Mesh Working Group hatte für Ende 2015 die Fertigstellung der Spezifikation für das Protyping angekündigt, und die SIG plant für 2016 die offizielle Bestätigung der Profile.