Bild 1: Bluetooth Low Energy (BLE) eignet sich besonders für das Zusammenspiel eines Bluetooth-Transmitters mit Smartphone-App und Cloudservice: Der Transmitter verschickt periodisch Funk-Beacons, die eine entsprechende App empfängt und kontextbezogen mit einem Cloudservice kommuniziert. Die dabei entstandenen Informationen werden dem Smartphone-Nutzer präsentiert.

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Jedes Smartphone mit einer entsprechenden App, das sich in Funkreichweite des Senders befindet, kann den UID empfangen. In zahlreichen Anwendungen übermittelt die Smartphone-App die per BLE-Beacon empfangene UID an einen Cloudservice, der mit kontextbezogenen Informationen antwortet. Diese kann die App dem jeweiligen Benutzer präsentieren oder anderweitig nutzen. In anderen Fällen sind statt der eindeutigen Identifikationsnummer zum Beispiel Sensormesswerte in dem Beacon enthalten, die sich von der App direkt verarbeiten lassen.

Ein weiteres Anwendungsszenario ist das periodische Versenden von Service-Advertising-Beacons per BLE-Transceiver: In diesem Fall zeigt ein Gerät per UID an, dass ein bestimmter Service existiert und dass beispielsweise eine Smartphone-App bei Bedarf eine bidirektionale BLE-Verbindung aufbauen und den Service nutzen kann. Über dieses Verfahren teilt beispielsweise eine Smartwatch der dazu passenden App mit, dass neue Fitnessdaten zum Auslesen existieren. Bluetooth-Beacons werden mit Hilfe sogenannter Advertising Protocol Data Units (Advertising PDUs, oder auch ADV PDU) verschickt. Durch die Bluetooth-Protokoll-Spezifikationen ab Version 4.0 sind die Rollen des Beacon-Senders (GAP Peripheral) und Empfängers (GAT Central) sowie die Struktur und Pflichtelemente einer ADV PDU vorgegeben. Insgesamt lassen sich aber auch je nach Zählweise bis zu 26 Bytes an beliebigen Nutzdaten (zum Beispiel frei wählbare IDs oder Sensordaten mit Messwerten) in einer ADV PDU als Broadcast verschicken.

Die Entfernung bestimmen

Vielfach wird die Empfangsstärke des Beacon-Funksignals (Received Signal Strength Indication, RSSI) gemessen und bewertet, um die Entfernung zwischen Transmitter und Smartphone-App zu bestimmen. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die jeweils ausgewählte Sendeleistung des BLE-Senders. Sie ist in der Praxis ein Kompromiss zwischen der erforderlichen Reichweite und dem Energiebedarf der Sendestufe. Besonders der BLE-Batteriebetrieb ist dabei eine sehr große Herausforderung.

Bluetooth-Technik unterstützt Sendeleistungen zwischen 0,01 mW und 100 mW. Aus diesem relativ großen Einstellbereich ist der zur jeweiligen Anwendung passende Wert auszuwählen. Andere Reichweiten-relevante Parameter sind der Antennengewinn (Antenna Gain, eine Kombination aus Richtwirkung und Wirkungsgrad), sowie die jeweiligen Gegebenheiten der Umgebung. Daraus wird im Allgemeinen der Pfadverlust (Path loss, auch Pfaddämpfung genannt) abgeleitet. Diese Dämpfung entsteht zunächst einmal durch die Ausbreitung des Funksignals über die Luftstrecke (je größer die Entfernung, desto größer die Signaldämpfung). Neben der Entfernung in Metern sind vorhandene Hindernisse zwischen Sender und Empfänger wichtige negative Einflussgrößen.

Solche unerwünschten Dämpfungsglieder sind alles, was Funkwellen reflektieren und streuen kann. Dazu gehören Feuchtigkeit, Niederschlag, Wände, Fenster und andere Hindernisse aus Glas, Holz, Metall oder Beton, einschließlich Metalltürme beziehungsweise -platten. Da Funkwellen je nach Wellenlänge einige Hindernisobjekte durchdringen können, variiert die Stärke der Dämpfung und der effektive Pfadverlust auch nach Art und Dichte der Hindernisse.

Vielseitig sicher nutzbar

BLE-Beacons lassen sich mit und ohne Smartphone-App für zahlreiche Aufgabenstellungen nutzen. Im einfachsten Fall dienen sie zur drahtlosen Übertragung von Wettersensordaten an eine Basisstation. Zusammen mit einer App lassen sich Shopping-Applikationen sowie Navigations- und Informationssysteme in Gebäuden aber auch Ortungslösungen für die Intralogistik realisieren. Eine sehr komplexe und recht bekannte Beacon-basierte Problemlösung ist die Corona-Warn-App (CWA), die 2020 im Regierungsauftrag zur Pandemiebekämpfung entwickelt wurde. Sie ist in erster Linie als digitales Hilfsmittel zur automatischen Kontaktverfolgung gedacht, um den App-Benutzer tagesaktuell über sein persönliches Infektionsrisiko zu informieren. Die dafür erforderliche Beacon-ID der CWA wird mit Hilfe eines Tagesschlüssels gebildet, der auf einer Zufallszahl basiert.

Die CWA beinhaltet eine Funktion zur Begegnungsaufzeichnung, die im Hintergrund abläuft. Sie sammelt BLE- Beacon-IDs anderer CWA-Smartphones aus dem Umfeld des jeweiligen App-Nutzers und erstellt eine Begegnungsliste für einen Zeitraum von 14 Tagen. In dieser Liste werden die IDs aller Begegnungen ab einer bestimmten Dauer und einem gewissen Mindestabstand festgehalten. Zur Abstandsermittlung werden RSSI-Werte benutzt. Vereinfacht dargestellt werden die RSSI-Messwerte in die drei unterschiedlichen Abstandskategorien Nah, Mittel und Fern eingeteilt. Längere Begegnungen im Nah- und Mittel-Bereich werden in der internen Liste gespeichert. Zur Berechnung des individuellen Infektionsrisikos führt die CWA täglich einen Abgleich der eigenen IDs (Tagesschlüssel) mit einem Cloudservice durch, dem die IDs der App-Nutzer mit positivem Corona-Testergebnis durch entsprechende Meldungen bekannt sind.

In der Praxis ist das RSSI-Messverfahren allerdings relativ ungenau: es kann durchaus sein, dass die ID eines Wohnungs- oder Reihenhausnachbarn in der eigenen Begegnungsliste landet, obwohl Sie diesem Menschen innerhalb der vergangenen 14 Tage niemals begegnet sind. Dadurch erzeugt die CWA eventuell Fehlalarme in Form von Warnmeldungen bezüglich erhöhter Infektionsrisiken.

Was die CWA-Entwickler allerdings hervorragend gelöst haben, ist die Anonymisierung der Beacon-Daten: Zusammen mit einem BLE-Beacon wird normalerweise auch die Bluetooth-Hardwareadresse des Senders verschickt. Ist der Sender ein Smartphone, handelt es sich aus Datenschutzsicht um eine Information mit Personenbezug (Smartphones können bekanntlich einem Besitzer zugeordnet werden). Man könnte daher über CWA-Begegnungslisten feststellen, wer sich wann wo aufgehalten hat. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Zufallswert als Senderadresse verwendet, der alle 10 bis 15 Minuten mit Hilfe eins kryptografischen Verfahrens aus dem Tagesschlüssel neu gebildet wird.

Eine Idee: Maschinen-Beacon-Anwendungen

Die Funktionskombination „BLE-Beacon plus Smartphone-App“ ist mittlerweile milliardenfach im Praxiseinsatz. In der industriellen Automatisierung ist dieser bewährte und vielseitig nutzbare Technologie-Stack allerdings noch nicht sehr verbreitet. Das sollte man ändern. Schließlich kennt fast jeder Praktiker folgende Situation: Man steht vor einer Maschine, die nicht einwandfrei funktioniert. Eine rote Leuchte blinkt und in einem relativ kleinen LCD ist eine Meldung der Kategorie „Fehler 4711 …“ zu lesen. Was genau ist zu tun? Sehr häufig ist der Weg zur Antwort recht mühevoll.