Energieautarke Bluetooth Beacons – Leuchtfeuer der Moderne
Issue 01-2017:
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Seit Jahrhunderten dienen Leuchtfeuer – auf Englisch „Beacons“ – dazu, Menschen den Weg zu weisen. In früheren Zeiten wurden solche Signalfeuer auf einem Hügel oder einem Turm entzündet, wo sie von weither zu sehen waren. Dieses historische Konzept wird heute mit einer neuen Klasse von Funktransmittern, den sogenannten Bluetooth Beacons, aufgegriffen und erweitert.
Moderne Bluetooth Beacons funktionieren ganz ähnlich wie ihre historischen Vorbilder. Auch sie senden regelmäßig Informationen aus, die den Empfängern ihren Standort und gegebenenfalls weitere Parameter mitteilen.
Zuverlässige Standortbestimmung
Umgebungsinformationen gehören nach wie vor zu den wichtigsten Parametern in unserem Alltag. Bluetooth Beacons können wertvolle Dienste bei der Bestimmung des genauen Standorts leisten. Zu diesem Zweck versenden sie in regelmäßigen Zeitabständen spezielle Statusnachrichten. Der Empfänger dieser Nachrichten kann anhand des Verhältnisses zwischen der Stärke des empfangenen Signals und der Signalstärke aufseiten des Senders seine Entfernung vom Sender bestimmen.
Dieses Signalstärkenverhältnis wird als Pfadverlust oder Streckendämpfung bezeichnet. Für eine präzise Standortbestimmung sollten die Entfernung und der Pfadverlust möglichst eng gekoppelt sein. Im Idealfall sollte bereits eine geringfügige Zunahme der Entfernung eine starke Verringerung der Empfangssignalstärke bewirken, sodass der Standort mit hoher Genauigkeit festgestellt werden kann.
Anhand von Pfadverlustkurven für das ausgewählte Funkprotokoll und die genutzte Frequenz lässt sich sodann die Entfernung des Empfängers vom Sender ermitteln.
Funksysteme wie Bluetooth, die das 2,4-GHz-Band nutzen, sind für eine derartige Anwendung ideal, weil ihre Signalstärke mit zunehmender Entfernung erheblich schneller abnimmt, als dies bei Sub-1-GHz-Funksignalen wie EnOcean-Funktelegrammen der Fall ist.
Flexible und wartungsfreie Standortanwendungen
Grundsätzlich werden Beacons in zwei verschiedenen Szenarien zur Positionsbestimmung genutzt:
- Stationärer Sender, mobiler Empfänger
Dies ist der klassische Anwendungsfall eines Leuchtfeuers, bei dem der Standort des Senders (wie der des Leuchtturms) fest und bekannt, der genaue Standort des Empfängers hingegen unbekannt ist. Eine typische Anwendung dieser Art ist die Indoor-Standortbestimmung, bei der ein Benutzer seine genaue Position in einem unbekannten Gebäude ermittelt.
Auch die Übertragung standortspezifischer Inhalte ist ein häufiger Anwendungsfall. Hierbei erhalten beispielsweise die Besucher einer Kunstgalerie gezielt Informationen zu Gemälden in ihrer unmittelbaren Umgebung. - Mobiler Sender, stationärer Empfänger
Ein typischer Anwendungsfall dieser Art ist die Ortung, bei der es darauf ankommt, den genauen Standort von Objekten zu bestimmen. Viele Flughäfen bieten beispielsweise Rollstühle für Menschen mit besonderen Bedürfnissen an. Die Verfügbarkeit (besetzt oder frei) und der genaue Standort der verfügbaren Rollstühle sind häufig unbekannt, weshalb der Flughafen erheblich mehr Rollstühle bereitstellen muss, als tatsächlich benötigt werden.
Charakteristisch für beide Anwendungsszenarien ist, dass Beacons benötigt werden, die einfach einzurichten sind (an einem festen Standort oder in bestimmten Geräten) und wartungsfrei zuverlässig funktionieren.
Energieversorgung
Beacons müssen ihre Signale in kurzen Abständen aussenden, damit die Empfänger rasch und zuverlässig ihren eigenen Standort bestimmen können. Sendezyklen von einer Sekunde oder weniger sind bei diesen Anwendungen üblich. Die für die Funkübertragung benötigte Energie ist natürlich stark vom Sendezyklus abhängig. Die kurzen Sendezyklen der Standort-Beacons würden die Betriebsdauer batteriebasierter Lösungen erheblich verringern. Deshalb sind batterielose Beacons für Anwendungen, in denen zuverlässiger, wartungsfreier Betrieb erforderlich ist, auf Dauer besser geeignet. Die Energy Harvesting-Technologie macht es möglich, Energie aus der Umgebung zu gewinnen. Licht ist zum Beispiel eine der meistgenutzten Quellen erneuerbarer Energie. Mithilfe miniaturisierter Solarmodule kann auch die Innenraumbeleuchtung als Stromquelle für drahtlose Ultra-Low-Power-Funkmodule genutzt werden. Solche von Batterien und Kabeln vollkommen unabhängigen Lösungen ermöglichen flexible und wartungsfreie Standortanwendungen.
Integrierte Intelligenz
Bluetooth Beacons können wertvolle Zusatzinformationen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Lichtstärke bereitstellen. Dadurch lassen sich integrierte intelligente Lösungen für die Energieüberwachung und -steuerung ohne große Eingriffe in die vorhandene Infrastruktur realisieren. Zum Beispiel kann das Raumklima präzise überwacht werden. Sämtliche Endpunkte können ihre Daten an ein zentrales System übermitteln, das diese auswertet und gemäß den Vorgaben Entscheidungen trifft. Diese Lösungen tragen dazu bei, Gebäude flexibler, energieeffizienter und kosteneffektiver zu gestalten.
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