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Bluetooth-Mesh-Vernetzung: Von Leuchten und Knoten

Bislang ist Bluetooth vor allem als kabellose Kommunikationstechnologie im Niedrigenergiebereich bekannt. Seit ihrer Einführung wurde sie systematisch weiterentwickelt und ermöglicht nun auch eine "Mesh-Vernetzung". Damit können Entwickler auf Lösungen für das IoT oder das IIoT realisieren.

Bluetooth-Mesh-Vernetzung Industrie Bildquelle: © Bluetooth SIG

Mesh-Vernetzungsoll sich durch Aufbau, Funktion und hohe Sicherheit für industrielle Sensornetzwerke und die Gebäude-automation eignen.

Die Bluetooth-Technologie hat sich in den vergangenen 20 Jahren zu einem wichtigen Funkstandard für die Vernetzung drahtloser Geräte entwickelt. Anfangs ließen sich über Bluetooth BR/EDR einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (1:1) für eine kontinuierliche Vernetzung zweier Geräte aufbauen. Mit der Einführung von Bluetooth LE (Low Energy) im Jahr 2010 erfuhr der Standard eine erste deutliche Erweiterung. Diese neue Variante wurde speziell für die Datenübertragung zwischen zwei Geräten (Punkt-zu-Punkt) oder zwischen einem Bluetooth-Sender und mehreren Empfängern (One-to-Many, 1:m) konzipiert. Aufbauend auf dem LE-Protokoll hat die Bluetooth Special Interest Group (SIG) im Sommer 2017 eine neue Variante verabschiedet, die den Aufbau vermaschter Netze (Mesh-Vernetzung) möglich macht.

Einsatzszenarien der Mesh-Vernetzung  
Ein solches Mesh-Netzwerk basiert auf einer Many-to-Many-Topologie. Das bedeutet: Jedes Gerät kann potenziell mit jedem anderen im Mesh-Netzwerk kommunizieren. Dies geschieht über Nachrichten, welche die Geräte direkt an andere senden oder weiterleiten. Dadurch erweitert sich der Kommunikationsbereich weit über den Funkbereich der einzelnen Geräte hinaus. Eine Mesh-Vernetzung über
Bluetooth eignet sich für verschiedene, teils neue Einsatzszenarien:

  • Bluetooth unterstützt drahtlose Sensornetzwerke, um in produzierenden Betrieben Maschinenausfälle zu erkennen, bevor sie auftreten. Telefone und Tablets können künftig Bildschirme an Maschinen ersetzen, um die Mitarbeiter in gefährlichen Arbeitssituationen zu schützen, um die Systemüberwachung zu unterstützen und um zusätzliche Kapazitäten eines Fertigungsunternehmens aufzuzeigen.
  •  Die Mesh-Vernetzung ermöglicht eine intelligente Gebäudeautomation, laut den Entwicklern auch in kommerziellen und industriellen Umgebungen, bei denen die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit am höchsten sind.
  • Bislang war das vollständig automatisierte Smart Home Zukunftsmusik. Bluetooth-Technologie soll künftig dabei helfen, Smart Homes umzusetzen: Mesh-Netzwerke auf Bluetooth-Basis bieten eine kabellose Plattform, um Leuchten, Thermostate, Rauchmelder, Kameras, Türklingeln oder Schlösser automatisch zu steuern.
Bluetooth-Mesh-Vernetzung Bildquelle: © Bluetooth SIG

Alle Geräte im Mesh-Netzwerk werden als Knoten bezeichnet. Ein Knoten kann dabei aus mehreren Elementen bestehen, die sich autark voneinander steuern lassen. Beispiel: Eine Lampe mit drei einzelnen LEDs entspricht einem Knoten mit drei Elementen.

Beleuchtung als Treiber
Für viele dieser Einsatzszenarien kommt der Raumbeleuchtung eine entscheidende Funktion zu, denn Lampen bieten eine optimale Möglichkeit zum Aufbau eines flexiblen Mesh-Netzes: Sie sind in jedem Gebäude vorhanden, nicht weit voneinander entfernt installiert und ein hervorragender Träger kabelloser Netzwerkfunktionen. In der Startphase der Mesh-Vernetzung wird daher die Beleuchtung den Schlüssel für die Heim- und Gebäudeautomation darstellen. Bis 2021, so die Marktanalyse von ABI Research, sollen über 40 Prozent der vernetzten Endpunkte in kommerziell genutzten Gebäuden auf Smart-Lighting-Systeme entfallen.

Alle Geräte im Mesh-Netzwerk – in diesem Fall spezielle Bluetooth-fähige Leuchten – werden als Knoten (englisch: Nodes) bezeichnet. Ein Knoten kann dabei aus mehreren Elementen bestehen, die sich unabhängig voneinander steuern lassen. Zum Beispiel entspricht eine Lampe mit drei einzelnen LEDs nach der Integration in ein Bluetooth-Mesh-Netzwerk einem Knoten mit drei Elementen. Alle LEDs können in diesem Aufbau einzeln angesteuert werden.

Exkurs: Knotentypen
Einzelne Knoten können bestimmte spezifische Aufgaben übernehmen:

  • Ein Relay-Knoten leitet empfangene Nachrichten weiter.
  • Low Power Nodes und Friends erleichtern die Einbindung von Geräten mit geringer Leistung wie Sensoren. Diese „Low Power Nodes“ arbeiten in Verbindung mit leistungsfähigen „Freunden“, die in ihrem Namen Nachrichten empfangen und bei Bedarf weiterleiten.
  • Proxy-Knoten stellen die erforderliche GATT-Schnittstelle (Generic Attribute Profile) für Bluetooth LE-Geräte bereit, die nicht über einen Bluetooth-Mesh-Netzwerk-Stack verfügen.