Von Dr. Jörg F. Wollert

Am 19. Oktober 1998 – also vor exakt zehn Jahren – erblickte Bluetooth das Licht der Funkwelt. Ende des Jahres werden über 1,5 Mrd. Bluetooth-Geräte am Markt sein, und für das Jahr 2012 prognostizieren Analysten ein Marktvolumen von gut 2 Mrd. Funkchips pro Jahr. Bluetooth ist damit die erfolgreichste Funktechnologie und entwickelt sich zu ‚der‘ universellen kabellosen seriellen Schnittstelle; durchaus vergleichbar mit einer konventionellen V24-Schnittstelle – nur leistungsfähiger, kompakter und vielfältiger.

Die Anforderungen der Industrie

Die Round-Trip-Zeiten bei einem Kilometer Entfernung liegen durchschnittlich bei 42 ms ”“ hierbei sind vier vollständige SPS-Zyklen von jeweils 8 ms enthalten!

Eine besondere Bedeutung in der industriellen Automation kommt der Koexistenz von Bluetooth mit bestehenden oder temporär zugeschalteten WLAN-Netzwerken zu. Bluetooth bietet seit der Version 1.2 die Möglichkeit des adaptiven Frequency-Hopping. Das bedeutet, dass von anderen Funkteilnehmern belegte Frequenzen von Bluetooth erkannt und ausgeblendet werden. Hierdurch wird sowohl die Kommunikation zwischen Bluetooth-Geräten als auch andere Funktechnologien, die im gleichen Frequenzband operieren, geschützt. Nicht alle Consumer-Geräte nutzen dieses Feature – in industriellen Implementierungen ist diese Eigenschaft jedoch von ausschlaggebender Bedeutung. Im Fall der bluetoothfähigen 750-644-Klemme von Wago heißt dies konkret, dass die Klemme innerhalb von weniger als vier Sekunden den „Störer“ erkennt und belegte Kanäle permanent ausblendet.

Der in dieser Klemme verwendete Standard-Chipsatz „CSR Bluecore 04“ wurde durch zusätzliche aufwendige HF-Beschaltung dahingehend optimiert, dass seine Performance-Parameter deutlich über denen von Consumer-Produkten liegen. Messungen im Freifeld haben Reichweiten von gut 1000 Metern ergeben, und selbst in industriellem Umfeld mit mehreren Betonwänden und Stahleinbringungen war im Bereich von gut 30 Metern eine stabile Übertragung möglich.

Neben Koexistenz und Performance spielt in der Industrie das Einhalten von definierten Reaktionszeiten eine maßgebliche Rolle. Durch die Embedded-Integration von Bluetooth ist im Echtzeit-Modus eine typische Reaktionszeit von kleiner 20 ms mit einem Jitter von etwa 5ms realistisch, womit sich dieser Wireless-Standard für Prozesse mit einer Reaktionszeit kleiner 40 ms eignet. Wichtig dabei ist, dass es sich hier um die Betrachtung der gesamten Steuerungskette (Aktivierung eines Eingangs -> SPS-Applikation) inklusive aller beteiligten Kommunikationsstrecken handelt, und nicht nur um die reine Bluetooth-Strecke, deren Übertragungszeit im einstelligen Millisekundenbereich liegt!

Der Anwendungs-Aspekt

Bedienen und Beobachten mit dem Mobiltelefon ist dank Bluetooth-Serial-Port-Profile und Echtzeit-Datenaustausch problemlos möglich.

Wie vorab geschildert, sind industrielle Bluetooth-Komponenten aufgrund des höheren Linkbudgets (Maß für die Qualität eines Übertragungskanals) mit ausgewählten und gut adaptierten Komponenten den Lösungen für Massenartikel deutlich überlegen. Was bleibt, ist die hervorragende Interoperabilität mit den Consumer-Produkten, die durch zertifizierte Profile sichergestellt wird. Ohne weiteren Aufwand sind somit andere Bluetooth-Geräte in das unmittelbare SPS-Umfeld integrierbar – zum Beispiel Barcode-Scanner, RFID-Handlesegeräte oder auch diverse Sensoriken zur Abstandsmessung. Viele dieser Geräte basieren schon heute auf Standardtechnologie mit Bluetooth-Schnittstelle oder besitzen eine RS232- oder RS485-Schnittstelle, die durch einen Bluetooth-Adapter mit einfachsten Mitteln kabellos erweiterbar ist.

Ein weiterer interessanter Anwendungsfall ist die Integration mobiler Endgeräte wie Mobilfelefone oder PDAs, beispielsweise zum Zwecke der Diagnose, Wartung oder für die Überwachung technischer Anlagen. Im Handy-Umfeld ist die Java-JSR-82-Schnittstelle Stand der Technik für Bluetooth. Jedes moderne Java-fähige Endgerät verfügt über diese Programmierschnittstelle. Musterapplikationen auf verschiedenen aktuellen Mobiltelefonen haben gezeigt, dass eine unmittelbare Interaktion mit mehr als 5 Hz problemlos möglich ist. Dies reicht für die Visualisierung sowie zum Bedienen und Beobachten vollkommen aus.

PDAs (Personal Digital Assistants) auf der Basis von „Mobile 6“, der aktuellen Version der Software-Plattform für Smartphones von Microsoft, unterstützen ebenfalls die Bluetooth-Schnittstelle. Ein rudimentärer Bluetooth-Protokollstack gehört quasi zum Standard-Kommunikationsportfolio, verschiedene Hersteller setzen auf Stacks von Broadcom oder Toshiba. Allen gemeinsam sind eine gute Interoperabilität sowie eine perfekte Integration in das Software-Entwicklungssystem. Hierdurch wird es möglich, beliebige Mobile-6-basierte Endgeräte für Bedienungs-, Visualisierungs- und Steuerungsaufgaben in die SPS-Umgebung zu integrieren.

Eine Vielzahl heute am Markt verfügbarer intelligenter Scanner und mobiler Buchungsterminals verfügen über eine entsprechende Hardware- und Softwarebasis. Durch eine flexible Konfiguration der Bluetooth-Klemme 750-644 – um noch mal das Beispiel Wago heranzuziehen – sind all diese Geräte direkt in das I/O-System integrierbar und es lassen sich auf diese Weise vollkommen neue Anwendungsgebiete erschließen, die bisher einen zentralen PC-basierten Rechner vorausgesetzt haben.

Autor

Dr. Jörg F. Wollert ist Professor an der Hochschule Bochum.

Die Technologie

Bluetooth ist eine Funktechnologie im lizenzfreien 2,4-GHz-ISM-Band. Durch das FHSS-Verfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum) auf 79 Kanälen wird eine hohe Robustheit gegenüber anderen Frequenznutzern und Fading (Empfangs-„Löcher“) erreicht. Jedes Bluetooth-Gerät springt dabei innerhalb dieser 79 Kanäle 1600-mal pro Sekunde zufällig von Kanal zu Kanal.

Leistungsklassen

Bluetooth-Geräte gibt es in drei Leistungsklassen: Klasse-3-Geräte haben eine Sendeleistung von 1 mW (0 dBm), was nach Spezifikation für eine Reichweite von 10 m reichen soll. Klasse-2-(2,5 mW, 4 dBm) und Klasse-1-Geräte (100 mW, 20 dBm) sind in der Regel mit einer Leistungssteuerung ausgelegt, so dass sich die Sendeleistung den Erfordernissen anpassen lässt. Die tatsächlich erreichbare Reichweite hängt – wie bei allen HF-Geräten – entscheidend vom Systemdesign; je nach „Qualität“ sind bis zu 500 m möglich.

Piconet

Haben Bluetooth-Geräte eine Verbindung, spricht man von einem Piconet. Bis zu 255 Teilnehmer können in einem Piconet existieren, davon jedoch maximal sieben aktive Teilnehmer. Die anderen bezeichnet man als Parked Members.

Timing

Mit dem festen Hopp-Takt von 625 μs tauschen die Teilnehmer 16 unterschiedliche Telegrammtypen aus, die entweder 1, 3 oder 5 Slots belegen. Bis zur Version 1.2 bietet Bluetooth eine Bruttodatenrate von 1 Mbps pro Piconet. Durch die EDR-Erweiterung (Enhanced Data Rate) ab der Version 2.0 sind mit DQPSK (Differentielles Quadratur Phase Shift Keying) und 8-DPSK noch weitere Modulationsverfahren mit einer höheren spektralen Effizienz hinzugekommen, die Datenraten von 2 beziehungsweise 3 Mbps zulassen.

Kommunikationsmodell

Bluetooth nutzt ein komplexes Kommunikationsmodell. Prinzipiell stehen ein synchroner (SCO – Synchronous Connection Oriented) und ein asynchroner (ACL – Asynchronous Connection Less) Link zur Kommunikation zur Verfügung. Über den SCO-Kanal ist ein isochroner Datenstrom mit definierter Bandbreite übertragbar, beispielsweise für Audio-Dateien. Die Daten gehen dabei quasi direkt aus der Anwendungsschicht beziehungsweise dem Audio/Video-Codec auf die Funkschnittstelle. Demgegenüber bietet der ACL-Link eine komplexe Transportschicht, die sowohl Nutzdaten als auch die Steuerdaten des Linkmanagers und der L2CAP-Schicht (Logical Link Controll and Adaption Layer Protocol) bestätigt überträgt. Auf L2CAP-Ebene können verschiedene Kommunikationsendpunkte – vergleichbar zu TCP/IP-Ports – für Dienste angelegt und verwendet werden. Hierdurch ist ohne weitere Protokoll-Layer eine sehr gute Dienstdifferenzierung erreichbar.

Sicherheit

Neben der Verschlüsselung mit bis zu 128 Bit können Bluetooth-Geräte sichtbar oder unsichtbar sein. Sichtbare Geräte antworten auf Anfragen (Inquirys). Unsichtbare Geräte können zwar aktiv in ein Piconetz eingebunden sein, reagieren jedoch nicht auf fremde Anfragen. Bei Bluetooth sind ab der Version 2.0 vier Sicherheitsmodi spezifiziert:

• Modus 1 (Non-Secure Mode): Hier werden keine besonderen Sicherheitsmechanismen wie Verschlüsselung oder Authentifizierung verwendet. Alleine das Frequency-Hopping erschwert das Abhören.
• Modus 2 (Service-Level Enforced Security): In diesem Modus erfolgt die Absicherung auf Anwendungsebene. Der Hostprozess verwaltet die durch Bluetooth bereit gestellten Sicherheitsmechanismen. Dies ist der am häufigsten verwendete Modus bei Mobiltelefonen.
• Modus 3 (Link-Level Enforced Security): Die Sicherung erfolgt schon auf Linkmanager-Level. Nur authentifizierte Verbindungen werden an den Host weitergereicht, das gesamte Sicherheitsmanagement übernimmt Bluetooth. Die Verschlüsselung der Daten ist optional.
• Modus 4 (Service Level Enforced Security): Bei diesem neuen Modus erfolgt die Authentifizierung abhängig vom Dienst. Für jeden Dienst oberhalb von L2CAP kann entschieden werden, ob ein Link-Key verwendet wird und ob der Link-Key authentifiziert ist oder nicht. Für die Rückwärtskompatibilität antwortet ein Mode-4-Gerät auf Authentifizierungsanfragen des Security-Mode-3.

Anwendungsprofile

Die Verwendung der Transportschicht des Linkmanagers wird durch Profile geregelt. Profile definieren, welche Rolle und Aufgabe ein Master- und Slave-Gerät in einem speziellen Anwendungsfall haben. Hierdurch ist eine sehr differenzierte Skalierung der Funktionalität von Bluetooth-Geräten möglich.

Die Profile GAP (Generic Access Profile)und SDAP (Service Discovery Application Profile) müssen in allen Bluetooth-Geräten implementiert sein. GAP definiert den generellen Zugang zum Gerät durch Einhaltung der Sicherheitsmodi, der Sichtbarkeitseinstellungen und damit der Verbindbarkeit durch das Inquiry und Paging. Das SDAP regelt den Zugriff auf die Dienstdatenbank der Geräte, aus der die wesentlichen Kommunikationsparameter und die unterstützten Dienste und Profile identifizierbar sind.

Das Basisprofil SPP (Serial Port Profile) definiert den Rahmen für Anwendungen der kabellosen Schnittstelle und kann mehrere virtuelle serielle RS232-Kanäle über eine Bluetooth-Schnittstelle übertragen.