Die Basis des zentralen Nervensystems von Gebäuden

Autor: Kerstin Nasser, Corporate Product Manager Wireless bei Rutronik

Moderne Gebäudemanagementsysteme können einen entscheidenden Beitrag zur Verbesserung von Energieeffizienz und Komfort leisten und so werden intelligente Beleuchtungssysteme zur Basis für eine Art zentrales Nervensystem. Obwohl Bluetooth oft die „Nervenbahnen“ bildet, bieten auch andere Funkstandards Vorteile. Smarte Beleuchtung ist einer der wichtigsten Marktsektoren für Bluetooth: laut dem Bericht „2021 Bluetooth Market Update“ von Bluetooth SIG (Special Interest Group), kommen bereits 27 Prozent der ausgelieferten Bluetooth-Geräte in smarten Beleuchtungssystemen zum Einsatz. Damit liegen sie an zweiter Stelle hinter Apps für intelligente Geräte (35 Prozent), wachsen aber schneller.

Dafür gibt es gute Gründe: Vernetzte Beleuchtungssysteme mit intelligenter Steuerung können die Energiekosten um 70 bis 75 Prozent senken. Gleichzeitig erhöhen sie den Komfort, indem sie dem Nutzer beispielsweise erlauben, die Lichtfarbe nach Belieben zu verändern oder die Beleuchtung automatisch an das natürliche Tageslicht anzupassen (Mensch-fokussierte Beleuchtung bzw Menschenzentrierte Beleuchtung – HCL). Dieses Konzept bietet ein Lichtspektrum von tiefblauen Anteilen am Morgen, die belebend wirken, bis hin zu eher roten Anteilen am Abend, die beruhigend wirken.

Und es können beispielsweise Präsenzmelder eingesetzt werden. Je nachdem, ob jemand im Raum ist (oder nicht), kann das Licht automatisch ein- oder ausgeschaltet werden. Auch eine automatische Änderung anhand der Beleuchtungsstärke oder des Umgebungslichts in einem Raum ist möglich.

Beleuchtung ist überall

Beleuchtung wird in praktisch jedem Teil eines Gebäudes verwendet. Dies macht es zur offensichtlichen Infrastrukturbasis für neue Gebäudemanagementansätze, da die in Lichtsteuergeräte eingebettete drahtlose Technologie auch für viele andere Anwendungen verwendet werden kann. Die Bluetooth SIG schätzt, dass kommerzielle vernetzte Beleuchtung bis 2029 einen weltweiten Umsatz von 19.100 Milliarden US-Dollar generieren wird.

In Zusammenarbeit mit DALI-Allianz (Digital Addressable Lighting Interface)., Bluetooth SIG hat eine definiert Tor die es ermöglicht, die Leuchten mit dem zu überwachen und zu steuern D4i-zertifiziert über Bluetooth Mesh. Auf diese Weise können sich Beleuchtungskomponenten verschiedener Hersteller „verstehen“ und nahtlos zusammenarbeiten.

Über die Beleuchtung hinaus können beispielsweise Funktionen von implementiert werden Asset-Tracking und Standort oder Indoor-Navigation mit intelligenten Beleuchtungslösungen. Zu verfolgende Objekte müssen mit einem Beacon ausgestattet sein. Der Funk-Transceiver in den Leuchten empfängt sein Datensignal, sobald das Objekt in Reichweite kommt. Anschließend kann anhand des Gebäudeplans die Position des Objekts abgeleitet werden. Dies ist besonders nützlich bei große Lager oder Fabriken, wo es die Suchzeiten erheblich verkürzt. Dadurch werden Prozesse optimiert und Kosten gesenkt. In dem Krankenhäusern, kann diese Tracking-Funktion dazu beitragen, die Geschwindigkeit und Qualität zu erhöhen, indem mobile Gesundheitsteams oder Krankenhausbetten schnell lokalisiert werden.

Vernetzt über Bluetooth

Intelligente Beleuchtungssysteme verwenden Bluetooth Mesh, um eine zuverlässige und sichere Kommunikation zu gewährleisten. Dadurch profitieren Sie von der geringen Leistungsaufnahme und der minimalen Latenzzeit Bluetooth Low Energy (LE) in Systemen, in denen Hunderte oder Tausende von Geräten verschiedener Marken miteinander kommunizieren müssen. Bluetooth Mesh nutzt das sogenannte Flooding-Prinzip, das garantiert, dass Nachrichten ihr Ziel erreichen. Das ist möglich, weil alle Netzwerkteilnehmer direkt miteinander kommunizieren können – und bei Ausfall eines Teilnehmers die Nachricht über einen anderen Weg weitergeleitet wird. Darüber hinaus können Mobiltelefone in ein BLE-Netzwerk eingebunden bzw ineinander greifen (vermascht) mit der entsprechenden Anwendung (App), wodurch es möglich ist, die Leuchten ohne Notwendigkeit einzuschalten Tor keine Internetverbindung.

Bluetooth Mesh wird beispielsweise von den Multiprotokoll-SoCs der Serie unterstützt nRF52 und nRF53 de Nordic Semiconductor. In Kombination mit der nRF21540können sich Nutzer über eine sechzehnfache Reichweitenerweiterung freuen. Das nRF5340 enthält zwei ARM Cortex-M33-Prozessoren. Der Anwendungsprozessor ist leistungsoptimiert, kann mit 64 oder 128 MHz getaktet werden und verfügt über 1 MB Flash, 512 KB RAM, Fließkommaeinheit (FPU), 8 KB bidirektionalen assoziativen Cache und Speicherkapazitäten. Der 64-MHz-Netzwerkprozessor ist auf geringen Stromverbrauch und hohe Effizienz (101 CoreMark/mA) optimiert und verfügt über 256 KB Flash und 64 KB RAM. Neben Bluetooth LE und Mesh unterstützt der nRF5340 auch NFC, Thread und Zigbee. Es bietet SPI, QSPI und Hi-Speed ​​USB und ist für eine Betriebstemperatur von 105 °C (221 °F) ausgelegt.

Zahlreiche Anbieter liefern Module auf Basis dieser SoCs von Nordic Semiconductor. Viele von ihnen haben bereits Antennen integriert und sind für die Hauptmärkte vorzertifiziert (CE, FCC und IC). Somit helfen sie, die Entwicklungszeit zu verkürzen und die Kosten zu senken. Das gilt zum Beispiel für die Serie ISP de InsightSiP, die Module PAN1780 und PAN1781 de Panasonicdas Modell MBN52832 de Murata und verschiedene Module iVativ und EnOcean.

Die Insight SiP ISP-Familie zeichnet sich durch ihren kleinen Formfaktor aus, der sich besonders für Beleuchtungsanwendungen eignet. Die Module basieren auf verschiedenen Nordic ICs und können aufgrund der Pin-Kompatibilität einfach ausgetauscht werden.

Das Panasonic PAN1780 Modul basiert auf dem Nordic nRF52840-IC. Dank integriertem Arm Cortex-M4F mit 1 MB Flash und 256 kB RAM kann es im Standalone-Modus verwendet werden (Stand-allein), wodurch Kosten und Platz gespart werden. PAN1781 basiert seinerseits auf der Nordic nRF52820, das über 256 kB Flash und 32 kB RAM verfügt und Angle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD) des unterstützt Version 5.1 der Bluetooth Core Specification, genannt Radiogoniometrie (RDF). Daher ermöglicht dieser Bluetooth-Standard eine noch genauere Ortung.

Das Modul SX-ULPGN-BTZ de Silex basiert auf dem SoC Qualcomm QCA4020. Mit Dual-Band 802.11 a/b/g/n Wi-Fi, Bluetooth LE und 802.15.4 (Zigbee und Thread Pro R21) Konnektivität ist es auch ideal für Beleuchtungssysteme und viele andere Anwendungen.

Zypresse/Infineon bietet auch Bluetooth-Mesh-Chips und Module für Beleuchtungslösungen wie CI an CYW20706 oder das Modul CYBT-343026-01, das auf dem IC CYW20706 selbst basiert.

Andere drahtlose Standards

Neben Bluetooth LE und Bluetooth Mesh sind auch andere Funkstandards in Beleuchtungsanwendungen verbreitet, wie z Auf Ocean, Thread, Zigbee oder Wi-Fi.

Der Vorteil von WLAN gegenüber Bluetooth liegt in der deutlich größeren Reichweite. Der daraus resultierende Mehrleistungsbedarf ist aber auch der vielleicht größte Nachteil dieser Technologie. Außerdem ist die Einbindung von Leuchten in ein WLAN-Netzwerk etwas aufwendiger, da man ein Passwort und die Service Set Identifier (SSID – Service Set Identifier) für jede Leuchte. Und ein Wi-Fi-Netzwerk kann an seine Grenzen stoßen, wenn viele Leuchten verbunden sind.

Zigbee kann verwendet werden, um ein Mesh-Netzwerk zu erstellen (ineinander greifen) groß und robust. Beim Ausfall eines Netzwerkteilnehmers können die Informationen über einen alternativen Weg erneut gesendet werden und gehen somit nicht verloren. Bei der Konfiguration des Netzwerks wird außerdem eine Bridge oder ein Hub benötigt, der wiederum mit dem WLAN-Router verbunden wird. Die Bridge oder der Hub sendet den Befehl (Ein/Aus) per Zigbee an die Leuchten. Anders als bei Bluetooth Mesh wird die Datenübertragung geroutet, indem einzelnen Geräten (Koordinator, Router und Endgeräte) unterschiedliche Aufgaben zugewiesen werden. Das bedeutet, dass den Daten eine bestimmte Route durch das Netzwerk vorgegeben wird.

Thread funktioniert ähnlich wie Zigbee: Auch hier wird die Datenverteilung beispielsweise über einen vordefinierten Pfad geleitet. Thread ist ein Protokoll ineinander greifen basierend auf IPv6. Dadurch lässt es sich relativ einfach in große IP-Netzwerke integrieren. Dieses Protokoll wird auch von Nordic CIs unterstützt und bildet die perfekte Grundlage für Thread-basierte Anwendungsschichten wie z Materie, HomeKit, DALI+, KNX IoT, OCF, usw.

Der EnOcean-Sub-GHz-Funkstandard (868 MHz gemäß RED-Spezifikation, 902 MHz gemäß FCC/IC-Spezifikation und 928 MHz gemäß ARIB-Spezifikation) bietet eine hohe Zuverlässigkeit beim Senden von kurzen Telegrammen. Die Kollisionswahrscheinlichkeit innerhalb eines Netzwerks ist gering, wodurch ein großes Sensornetzwerk ermöglicht wird. Auch bei DECT oder WLAN gibt es keine Störungen. Die Verwendung von Rolling Code und 128-AES-Verschlüsselung gewährleistet erweiterte Datensicherheit. Innerhalb von Gebäuden erreicht der EnOcean-Funkstandard eine Reichweite von bis zu 30 Metern.

Das Unternehmen EnOcean ist vor allem für seine Energiespeichertechnologie bekannt. Es bietet wartungsfreie Funksensoren auf Basis des EnOcean-Funkstandards sowie Bluetooth und Zigbee. Der neue IoT-Multisensor STM 550 (Abb.. 2) liefert dank Magnetkontakt Statusinformationen (offen/geschlossen) und kann Temperatur, Feuchtigkeit, Beschleunigung/Orientierung und Beleuchtung messen. Die integrierte Solarzelle produziert genügend Energie für die Messungen und die Übertragung der Ergebnisdaten beispielsweise über Bluetooth, Zigbee oder den EnOcean-Standard.

Fazit

Ob Bluetooth, Bluetooth Mesh, EnOcean, WLAN, Thread oder Zigbee – alle Funkstandards haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile und es muss individuell entschieden werden, welcher für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist. Eines haben sie jedoch gemeinsam: Sie bilden das zentrale Nervensystem für die Smart-Home-Beleuchtung und bringen damit Verbesserungen in Effizienz, Komfort, Komfort und Erweiterungen, beispielsweise um ein Navigations- und Ortungssystem.