Följ LED & LED

Avancerad Bluetooth 4.0+ smart belysningsteknik

Publicerat 2016-04-27 av Kristofer Blockhammar

Smarta belysningar och belysningskontroller är inte inskränkta till traditionella belysningsstyrprotokoller längre. I dag kan systemändringar och uppdateringar göras trådlöst. Trådlös teknik gör att man kan placera belysningskontroller på platser som inte var ett alternativ tidigare. Förutom Bluetooth, Zigbee och WiFi finns tillverkarspecifika tekniker som används.

Många av oss minns Bluetooth Classic från våra första mobiltelefoner, dessa var riktiga batterislukare och tidskrävande, men det var ett trådlöst alternativ till RS-232 kablar, Bluetooth Classic uppfanns av Ericsson 1994. Det är viktigt att förstå att Bluetooth Classic och Bluetooth Low Energy inte är samma sak. Bluetooth Low Energy är inte bara en annan Bluetooth version, det är en helt ny teknik.

Bluetooth Low Energy, även kallad Bluetooth 4.0+, Bluetooth Smart eller helt enkelt BLE, är ursprungligen designad av Nokia och utkom 2010.

De nya trådlösa belysningskontrollösningarna som är baserade på Bluetooth 4.0+, använder inte bara ett nytt trådlöst belysningskontrollsystem, utan det är en helt ny teknik. På toppen ger denna teknik ett nätverk där all intelligens i systemet replikeras i varje nod och på ett sådant sätt skapar ett system utan felpunkter. Ett sådant system är självläkande och självorganiserande trådlösa nätverk kan styra ett stort antal enheter från varje punkt. Det möjliggör också för programuppdateringar via nätverket, så att varje form av ändring kan vara trådlösa. I denna typ av fullt distribuerad och symmetrisk arkitektur, kan varje enhet gå offline och fångas upp till de andra när de återvänder tillbaka online. Internetanslutning behövs bara för användare som gör konfigurationer via smarta telefoner och datorer via molntjänster.

Bluetooth 4.0+ byggdes för ”Internet of Things” (IoT) och har används i smarta telefoner och datorer sedan början av 2012. Detta innebär att inga gatewaymoduler eller någon annan form av utrustning behövs för att styra belysning via Bluetooth 4.0+, vilket gör en Bluetooth 4.0+ baserad belysningskontrollösning mer kostnadseffektivt än lösningar som bygger på annan trådlös teknik. Annan teknik, som WiFi och Zigbee, kräver en gatewaymodul mellan manöverorganet och nätverket.

WiFi, Zigbee och Bluetooth fungerar på 2,400-2,4835 GHz ISM-bandet. Bluetooth 4.0+ är dock mer robust och inte lika känslig för störningar som WiFi och Zigbee. WiFi använder direktsekvensspridda spektrum (DSSS) och kan därför inte hoppa eller ändra frekvens, den är fortfarande centrerad på en kanal som är 22 MHz bred. Medan det finns utrymme för 11 överlappande kanaler i detta 83 MHz breda band, men det finns bara plats för tre icke-överlappande kanaler. Således kan det finnas mer än tre olika WiFi nätverk som arbetar nära varandra.

För varje WiFi kanal finns det fyra överlappande ZigBee kanaler, Zigbee delar bandet till 16 kanaler. ZigBee använder också DSSS som WiFi. När ett WiFi-nätverk är på samma kanal som ett ZigBee-nät, brukar WiFi-nätverket störa ZigBee nätverket. Zigbee belysningskontrolllösningar behöver också en gateway för att man ska kunna använda smarta telefoner eller surfplattor.

Bluetooth 4.0+ fungerar på ett annat sätt än WiFi eller Zigbee. Bluetooth 4.0+ använder frekvenshoppningssprida spektrum FHSS, vilket innebär hoppningar mellan kanalerna, vilket motverkar störningsproblem. Bluetooth 4.0+ använder 40 kanaler, som är åtskilda med 2 MHz, varav 3 kanaler används som reklamkanaler och 37 används som datakanaler.

En enstaka felpunkt (SPOF) är en kritisk del eller komponent i ett system som, om det misslyckas, kommer att stoppa hela systemet från att fungera. SPOF är till exempel routrar, proxyservrar eller andra fysiska eller virtuella noder. En jämförelse av nätverkstopologin och inställning av WiFi, Zigbee och Bluetooth 4.0+ visar att WiFi och Zigbee lösningar inte är lika tillförlitliga som Bluetooth 4.0+ baserade lösningar, som visas i figuren till höger.

En teknik som Bluetooth 4.0+ har, vilket inte är möjligt med Zigbee eller WiFi, är Beacon tekniken. Beacon sändare kan placeras i princip var som helst, men det är helt logiskt att placera dem inuti armaturer. Armaturer täcker redan hela området där människor rör sig och de är redan installerade i byggnaden. Armaturer tenderar också att lysa upp olika objekt och om objektet t.ex. är ett konstverk i ett konstgalleri eller en bil hos en bilåterförsäljare, kan en Beacon mottagare utlösa en app för att visa information om objektet i fråga.

Bluetooth 4.0+ kommunicerar på så kallade "annonskanaler" där små datapaket sänds regelbundet. Denna typ av reklam kallas också beaconing. Enheter som smarta telefoner kan användas för att samla in skickade data och använda den för en mängd applikationer för att utlösa åtgärder eller meddelanden.

Apple introducerade iBeacon, ett protokoll baserat på Bluetooth 4.0+ för reklam 2013.

Om vi tar t.ex. en datorbutikskedja som ofta har olika rabatter i olika länder. Datorbutikskedjan har en app som lyssnar på iBeacons och kedjan vill informera sina kunder om de relevanta rabatterna för sina app användare. Datorbutiken skulle definiera ett unikt ID, UUID, som endast deras app reagerar på. UUID är därför specifika för denna datorbutikskedja, men samma i hela Europa.

När en enhet upptäcker en Beacon signal, används signalstyrkan för att bestämma närheten, liksom dess uppskattning av att närheten till Beacon signalen är korrekt.

Uppskattningen är enligt ett av följande fyra statuslägen:
Direkt: En hög nivå av förtroende om enheten är fysiskt mycket nära, under 1 meter.
Nära: Närheten ca 1-3 meter.
Långt: Denna status anger att en Beacon enheten kan identifieras, men förtroendet för noggrannhet är för låg för att fastställa antingen nära eller omedelbart nära.
Okänd: Närheten av Beacon enheten kan inte fastställas.

Hinder mellan Beacon enheten och den mottagande enheten kan påverka signalstyrkan. Som tidigare nämnts, är de fyra statuslägen inte bara baserat på närhet, utan även att uppskattningen är korrekt. Till exempel betyder "Långt" inte nödvändigtvis att enheten är fysiskt långt ifrån Beacon enheten, det kan också betyda att noggrannheten har påverkats.

Väl anpassade applikationer för iBeacons är museer och detaljhandeln. Istället för att använda en audioguide kan museum besökaren hämta en museum app som kan ta emot information från Beacon sändare. Dessa enheter kan placeras, till exempel i armaturer som uppenbarligen kommer vara tända när museet är öppet. När museum besökaren är i närheten av ett konstverk kommer appen visa informationen som har skickats av Beacon tekniken över Bluetooth 4.0+. I detaljhandelsapplikationer kan Beacon teknik användas för marknadsföring och vägledning, information om rabatter som skickas till smart telefonanvändare.

Beacon tekniken kan användas i parkeringshus som navigerings hjälp för att hitta där bilen är parkerad, på flygplatser för navigering, i djurparker för att tillhandahålla information om djur eller vid hållplatserna för att berätta tidtabeller för bussar vid den särskilda busshållplatsen. Då tekniken möjliggör platsinformation och vet när en användare kommer nära eller lämnar ett visst område finns det en enorm mängd applikationer för denna teknik.

GPS- och GSM baserade platstjänster används allmänt för utomhusbruk. Men de fungerar inte bra inomhus. Platsplattformarna som Bluetooth 4.0+ möjliggör för inomhusanvändning ger många möjligheter. Det är också viktigt att inte blanda Beacons med GPS-platser. iBeacons har en unik identifierare, om mottagaren inte vet denna UUID, kommer den aldrig att veta att enheten varit där.

iBeacon tekniken är också olika från andra platsbaserade tekniker, då sändaren är en envägskommunikation. Detta garanterar att endast användare som har installerat en app, kan få den särskilda informationen. Användaren måste inte bara ha installerat appen, utan måste även gett tillåtelse till appen att lyssna till Beacon sändare. Detta innebär att användaren ger tillstånd till appen att spåra användaren. Tekniken bygger inte på tvåvägskommunikation, vilket innebär att ingen sändare kan spåra användaren när de går förbi sändaren.

Belysnings- och kontrollbelysningsbranschen styrs av halvledare, programvaror och trådlös teknik. Nya aktörer på marknaden har nu fördelar över traditionella belysningskontrollsprotokoll och kan införa avancerade trådlös belysningssystem på marknaden som ger för samma, om inte fler, funktioner och med fler fördelar.

Varför nu, kanske många undrar. Innan lanseringen av Bluetooth 4.0+ fanns det inte ett väl lämpad trådlöst protokoll som hade möjliggjort alla funktioner och fördelar som Bluetooth 4.0+ gör. Det faktum att Bluetooth 4.0+ är integrerad i smarta telefoner och datorer är huvudfördelen som gör Bluetooth 4.0+ enklast, mest kostnadseffektiv och verkligen framtidssäker trådlös teknik.