In den späten 1990er Jahren wurde die drahtlose Kommunikationstechnologie Bluetooth als Ersatz für Kabelverbindungen eingeführt. Sie wurde von einem Konsortium von Unternehmen (Ericsson, IBM, Intel, Nokia und Toshiba) mit der Bezeichnung Bluetooth Special Interest Group (abgekürzt Bluetooth SIG) entwickelt wurde, verbreitete sich die Bluetooth-Technologie sehr schnell und ist heute überall in unserem Alltag zu finden: Smartphones, Hi-Fi-Zubehör, Haushaltsroboter, etc. Um kabelgebundene Verbindungen ersetzen zu können, muss das “klassische” Bluetooth jedoch hohe Datenraten bieten, was die Technologie relativ energieintensiv macht. Darüber hinaus hat Bluetooth eine relativ kurze Übertragungsreichweite von 10 bis 15 Metern.
Etwa zehn Jahre nach dem Erscheinen von Bluetooth wurde das System Bluetooth Low Energy (BLE) entwickelt.entwickelt, das von Apple mit dem iBeacon demokratisiert wurde. Diese beiden Technologien werden für unterschiedliche Zwecke verwendet. Das “klassische” Bluetooth wird für die Verarbeitung, Übertragung und den Austausch großer Datenmengen ohne Unterbrechung (z.B. Audio) verwendet, während Bluetooth LE für die periodische Übertragung kleiner Datenmengen (Temperatur, Zeit, ID, etc.) verwendet wird. Der diskontinuierliche Betrieb macht diese Technologie weniger energieintensiv, so dass drahtlose Beacons und Sensoren mehrere Jahre lang funktionieren können. Da Bluetooth Low Energy Reichweiten von bis zu mehreren hundert Metern ermöglicht, setzen viele Industrieunternehmen auf diese Technologie.
Aber wie jede drahtlose Kommunikationstechnologie wird sich BLE je nach der Umgebung, in der es verwendet wird, unterschiedlich verhalten. In diesem Artikel analysieren wir das Verhalten in vier verschiedenen Umgebungen: Industriegelände, Büros, unter Wasser und unter der Erde.
Unabhängig von der Umgebung gibt es jedoch zwei Hauptkriterien für die Leistung einer BLE-HF-Verbindung: der RSSI , der die Stärke des vom Detektor (BLE-Scanner) gemessenen Signals beschreibt, und die Empfangsrate, die die Erfolgsrate einer BLE-Übertragung beschreibt. Die Verwendung von Hochleistungssendern oder hochempfindlichen Detektoren (mit oder ohne externe Antenne, mit oder ohne Vorverstärkung) verbessert den RSSI und ermöglicht größere Reichweiten der BLE-Verbindung. Arbeitsreichweiten von 100 m sind mit Standardgeräten erreichbar und können mit Spezialgeräten bis zu 500 m betragen. Die Empfangsrate hängt von der Anzahl der BLE-Sender ab, die der Scanner sehen kann, und von der Zeit, in der sie wiederkehren. Wenn Sie die Anzahl der gesendeten Frames auf unter 6000 Frames pro Minute (100 Sender mit einer Wiederholungsperiode von 1 Sekunde) begrenzen, können Sie mit Standardgeräten eine Empfangsrate von über 80% erreichen.
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Welche Bedeutung hat BLE in einem Industriegebiet?
Industrieanlagen sind häufig Umgebungen mitvielen Metallobjekten (Regale, Träger,…), die Reflexionen erzeugen können oder die die Ausbreitung von Wellen vollständig blockieren (Faradaysche Käfige). In diesen Umgebungen können die Kommunikationsentfernungen von einem Punkt zum anderen variieren und es können “Schattenbereiche” entstehen. In der Praxis sollten die Detektoren so weit wie möglich von größeren Metallobjekten entfernt installiert werden. Manchmal kann es auch notwendig sein, die Anzahl der Detektoren zu verdichten oder abgesetzte Antennen zu verwenden, um die Schattenbereiche abzudecken. Wie oben erläutert, hängt die Reichweite von BLE von mehreren Faktoren ab, zu denen auch die Auswahl der Beacons gehört. Die Bluetooth SIG stellt einen Rechner zur Verfügung, der die geschätzte Reichweite anhand von Kriterien wie Antennenverstärkung und Sendeleistung berechnet. Für einen Industriestandort liegt die geschätzte BLE-Reichweite zwischen 73 und 140m.
Welche Reichweite hat BLE in Büros?
Die Bluetooth Low Energy (BLE ) Technologie wird immer häufiger in Smart Building Anwendungen eingesetzt und eignet sich hervorragend für Büroumgebungen. Diese Umgebungen zeichnen sich jedoch durch die Anwesenheit von kleinen und mittelgroßen Metallobjekten (Bildschirme, Computer, …) und absorbierenden Objekten (insbesondere menschliche Körper) aus, die die Reichweite des Signals leicht beeinträchtigen können. Hohe Räume (in der Nähe der Decke) haben in der Regel weniger Hindernisse für die Ausbreitung und es wird daher empfohlen, die Melder in der Höhe zu installieren. Hier ist eine Schätzung der Reichweite von BLE, die von der Bluetooth SIG für eine Büroumgebung erstellt wurde:
Welche Reichweite hat BLE unter Wasser und unter der Erde?
Die Nutzung drahtloser Kommunikationstechnologien unter Wasser und unter der Erde ist ein Thema, das viele staatliche Stellen, aber auch Unternehmen interessiert. Derzeit werden Schallwellen (Sonar) insbesondere von U-Booten zur Kommunikation genutzt. Mehrere Studien wurden durchgeführt, um die Nutzung von Radiowellen (RF) unter Wasser zu ermöglichen, jedoch wurde der für Bluetooth (aber auch Wifi und Zigbee) genutzte Frequenzbereich um 2,4 GHz gewählt, da er dem Absorptionsmaximum für Wassermoleküle entspricht. Dies ermöglicht es, die Reichweite dieser Kommunikation zu begrenzen und sie für “lokale” Netzwerke zu verwenden, die keine benachbarten Netzwerke verschmutzen. In flüssigem Wasser beträgt die Reichweite einer 2,4 GHz HF-Verbindung selten mehr als 1 m. Auch unterirdisch werden 2,4 GHz Signale sehr stark absorbiert, entweder durch das Vorhandensein von Wasser oder durch die Anwesenheit von Metallpartikeln im Gestein, die als streuende/beugende Objekte wirken. Die Reichweite von BLE in diesen Umgebungen liegt ebenfalls in der Größenordnung von 1m.
Zum Schluss
Wie alle drahtlosen Kommunikationstechnologien wird sich BLE je nach der Umgebung, in der es eingesetzt wird, unterschiedlich verhalten, bietet aber dennoch eine interessante und ausreichende Leistung, selbst in komplexen Umgebungen. Der geringe Stromverbrauch und der drahtlose Betrieb sorgen für günstige Anschaffungskosten und ermöglichen es Unternehmen, IoT-Projekte schnell und einfach zu implementieren.
Paul IVALDI
Leiter der Abteilung F&E
Paul Ivaldi, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von ELA Innovation seit Januar 2020, Ingenieur des INP Grenoble (Phelma), Doktor der Elektronik (piezoelektrischer MEMS-Sensor, LETI Grenoble). Paul Ivaldi kam nach mehreren Erfahrungen im Bereich Innovation und IOT (SATT AxLR, Aqua Metro) zu ELA Innovation.
