Wireless-Sensornetzwerke
Bluetooth in Industrie 4.0
Für die Umsetzung von Industrie-4.0-Szenarien sind Maschinen- und Fahrzeugbau, Prozesstechnik oder die Konsumgüterindustrie auf geeignete Sensoren und deren Vernetzung angewiesen. Viele Fertigungsunternehmen arbeiten derzeit mit Hochdruck daran, Sensornetzwerke in der Produktion zu implementieren. Hier können Wireless-Technologien helfen: Bluetooth Mesh Networking sorgt für sichere und stabile Sensornetzwerke.
Drahtlose iIoT-Technologien spielen bei der Implementierung von Sensornetzwerken in der Produktion eine zunehmend wichtige Rolle. Sie bieten beim Aufbau flexibler, Industrie-4.0-orientierter Fertigungslinien deutliche Vorteile gegenüber kabelgebundenen Netzen. Mit der Mesh-Vernetzung über Bluetooth steht eine funkbasierte Technologie bereit, die hohe Sicherheit, Skalierbarkeit und Interoperabilität für Industrie-Umgebungen bietet.
Bluetooth Mesh Networking wurde insbesondere für die Gebäudeautomation und industrielle drahtlose Sensornetzwerke (WSN) konzipiert. Dieser Standard ermöglicht so genannte Many-to-Many-Netzwerke mit tausenden, sogar zehntausenden von Bluetooth-Geräten, die im Mesh-Netzwerk „Knoten“ genannt werden. Von einem Sensor oder Gerät gesendete Meldungen überträgt das Netzwerk über diese Knoten bis zum Ziel. Nachrichten lassen sich auch über die eigentliche Funkreichweite eines Geräts hinaus weitergeben. Da Meldungen über verschiedene Wege parallel durch das Netzwerk laufen, müssen keine spezielle Regeln oder Routen konfiguriert werden.
Diese „Multi-Path Delivery“ genannte Datenübertragung umgeht eine der zentralen Schwachstellen drahtloser Netze im Industrieeinsatz: Bei zentralisierten funkbasierten Netzwerken laufen alle Daten immer über ein zentrales Steuerungsgerät. Dieses wird damit nicht nur zum „Single Point of Failure“, sondern führt zu Engpässen. Denn die Sensoren schicken Informationen an die zentrale Steuerungs-Hardware und diese wiederum sendet Befehle an jedes der zugehörigen Geräte. Dadurch vervielfacht sich das Volumen des Datenverkehrs. Die Mesh-Vernetzung über Bluetooth verlagert die Steuerungsfunktionen in die einzelnen Geräte. Das verringert das Volumen des Datentransfers um die Hälfte und ermöglicht eine Informationsweitergabe ohne Engpässe.
Intelligente Beleuchtungssysteme auf Bluetooth-Basis bilden das technische Fundament für viele industrielle Einsatzszenarien der Mesh-Vernetzung – sowohl in den Firmengebäuden als auch auf dem Shopfloor. Leuchten befinden sich in jedem Gebäude, sind in kurzen Distanzen zueinander installiert und eignen sich damit hervorragend als Träger für kabellose Netzwerkfunktionen. Bis heute wurden bereits mehr als 100 Produkte mit Mesh-Netzwerkfähigkeit hierfür von Seiten der Bluetooth SIG qualifiziert.
Industrielle Netzwerksicherheit ist nicht verhandelbar
Anders als im Konsumentenbereich ist der Grad der Datensicherheit, den Anbieter in ihre Bluetooth-Mesh-Lösungen einbringen, nicht verhandelbar. Die Absicherung des Netzes findet auf mehreren Ebenen statt und ist obligatorisch. Dies ist nicht zuletzt der besonderen Bedeutung geschuldet, die eine Ausfallsicherheit gerade in der Fertigung einnimmt. Jede Produktionsstörung bedeutet für produzierende Unternehmen ein erhebliches finanzielles Risiko. Gleiches gilt im Bereich des Datenschutzes, insbesondere wenn sich um sensible Informationen zu Produktionsprozessen handelt. Bei der Mesh-Vernetzung per Bluetooth wird Informationssicherheit durch ein Schichtenmodell erreicht, dass auf voneinander getrennten Sicherheitsschlüsseln basiert:
Netzwerkschlüssel (NetKeys) gelten für alle Nachrichten im Netzwerk, damit die Knoten sicher miteinander kommunizieren.
Anwendungsschlüssel (AppKeys) schützen Nachrichten zu bestimmten Anwendungen wie Klimaanlage, Beleuchtung oder physische Sicherheit.
Geräteschlüssel (DevKey) ermöglichen das Einrichten und Konfigurieren eines Knotens, um neue Geräte zum Netzwerk hinzuzufügen.
Diese Trennung stellt sicher, dass innerhalb des Netzes alle Knoten in der Lage sind, Mitteilungen sicher zu übertragen. Aber nur diejenigen Knoten, die über den passenden Anwendungsschlüssel verfügen, können die Information auch verarbeiten.
Zusätzliche Mechanismen sichern das Mesh-Netzwerk selbst vor exotischen Gefahren. Zum Beispiel ist die Gerätekonfiguration durch asymmetrische Kryptographie geschützt. Vor Trash-Can-Attacken mit Hilfe ausgemusterter Geräte schützen regelmäßig aktualisierte Sicherheitsschlüssel. Und eine intelligente Nutzung von Sequenznummern blockiert Replay-Attacken.
Die Industrie macht blau
Eine Reihe von Technologietrends beflügeln derzeit die Entwicklung smarter Industrien. Neben der Zunahme drahtloser Sensornetzwerke sind dies die zunehmende Bedeutung mobiler Geräte in der Produktion und die steigende Transparenz der Fertigungsprozesse durch Asset-Management-Lösungen. In allen diesen Bereichen spielen heute bereits Lösungen auf Basis von Bluetooth eine zentrale Rolle. Einige Beispiele:
- Mobile Geräte wie Tablets und Smartphones werden zunehmend für die Bedienung von Maschinen genutzt. So hat etwa ABB ein Bluetooth-fähiges Bedienfeld entwickelt, das eine funkbasierte Verbindung zwischen ABB-Antrieb und mobilem Gerät aufbaut. Damit lässt sich ein Antrieb aus der Ferne in Betrieb nehmen, um die Sicherheit am Arbeitsplatz zu erhöhen.
- Bluetooth ermöglicht die exakte Bestimmung von Standort, Verfügbarkeit und Zustand von Geräten über die gesamte Lieferkette hinweg. Dies ist die Idee des Bluehound-Asset-Tracking-Tools von Bosch, das sich in einer Open-Pilot-Phase befindet. Die Cloud-basierte Lösung ermöglicht eine einfache Verfolgung und Lokalisierung von Arbeitsgeräten für transparentere Arbeitsprozesse.
- Eine neue Peilungsfunktion in der Core Specfication 5.1 von Bluetooth verbessert Standortdienste deutlich. Sie ermöglicht die Entwicklung von Näherungslösungen, die die Richtung eines Geräts ermitteln, sowie von Ortungssystemen, die eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreichen. Dies ist für professionelle Lösungen beispielsweise in der Lagerlogistik essenziell.
Interoperabilität zentraler Treiber
Laut einer Marktanalyse von ABI Research wird sich das Volumen der jährlich ausgelieferten Bluetooth-Geräte für smarte Industrien bis 2022 auf 253 Millionen Einheiten mehr als verdoppeln. Interoperabilität ist ein zentraler Treiber dieser Entwicklung. Gerade für Industrie-4.0-Szenarien, in denen Produktionslinien flexibel konfiguriert werden, ist es unabdingbar, dass Geräte verschiedener Anbieter jederzeit zuverlässig zusammenarbeiten. Als weltweiter Funkstandard im Niedrigenergiebereich bietet Bluetooth hier einen entscheidenden Vorteil gegenüber Nischenanbietern oder starren, kabelgebundenen Netzwerken.
Martin Woolley, Developer Relations Manager, EMEA der Bluetooth Special Interest Group / ag
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