Bluetooth Low Energy Asset Tracking im industriellen Umfeld

Bluetooth Low Energy Asset Tracking im industriellen Umfeld

Bluetooth Low Energy (BLE) Grobkonzept und Proof-of-Concept Learnings aus Praxistests bei einem Kunden vor Ort

Was ist Bluetooth Low Energy (BLE)? Warum sind BLE Lösungen die ideale Basis für Asset Tracking im industriellen Umfeld? Und was hat BLE mit einem Mikrowellenherd zu tun? 

Für ein Kundenprojekt habe ich mich intensiv mit BLE Lösungen beschäftigt. Im Folgenden die wichtigsten Learnings.

BLE im Vergleich zu Bluetooth Classic

BLE ist im Vergleich zu Bluetooth Classic auf geringen Stromverbrauch und IoT Anforderungen wie Identifikation oder Positionsbestimmung optimiert, siehe Bluetooth Technology Overview.

BLE Tags sind mit Bluetooth fähigen Smartphones lesbar, zudem aber auch mit leistungsfähigen kostengünstigen Gateways für automatische Lesung in Lagern oder auf Fahrzeugen.

BLE ist zudem nicht Verbindungs orientiert sprich das zwingende und gelegentlich leider unzuverlässige Device Pairing von Bluetooth Classic entfällt.

Anbieter wie Bosch, DEWALT oder STIHL bieten alle bereits BLE Geräte Tracking Services an. HILTI bietet mit ON!Track eine umfassende Betriebsmittelverwaltung und nennt z.B. 90 Stunden pro Monat weniger Suchaufwand.

Ob eine der genannten BLE Tracking Services oder eine kundenspezifische Lösung hängt von den konkreten Anforderungen ab. Pragmatisch umgesetzt, bieten auch individuelle Lösungen oft einen Payback unter 2 Jahren.

BLE Vorteile und Vergleich mit RFID & LoRaWAN

Die folgende Tabelle zeigt, dass BLE aufgrund von Reichweite, minimalem Energieverbrauch, Hardwarekosten und Smartphonelesung eine spannende Lücke zwischen RFID und LoRaWAN besetzt.

BLE Batterielaufzeiten bewegen sich in der Regel im Bereich von 5-8 Jahren und überdauern damit die Lebensdauer der meisten Assettypen. Dies übrigens bei Datenübertragung alle 10 Sekunden! Bei LoRaWAN ist eine ähnliche Batterielebensdauer trotz deutlich grösseren Batterie-/Gehäusevolumen nur mit Übertragungsfrequenz im Minuten/Stunden Bereich möglich.

Weil Energieverbrauch und Kosten nochmal massiv tiefer sind, stellt BLE eine spannende Alternative für viele “LoRaWAN Use Cases” dar. Die kleinere Reichweite relativiert sich zudem, weil LoRaWAN Sensoren bei schlechtem Empfang massiv mehr Energie verbrauchen. Für lange Batterielebensdauer müssen also deutlich mehr Gateways als grundsätzlich nötig verbaut werden.

Je nach Use Case und Mengengerüst kann sich BLE aufgrund der viel geringeren Gateway und Handheld Kosten sowie grösseren Lesereichweite im Vergleich zu UHF RFID rechnen. Meist sind Smartphones zur Lesung heute zudem ja bereits schon vorhanden.

Bei UHF RFID sind Handhelds zwischenzeitlich etwas günstiger, aber immer noch teure Zusatzhardware – und auch deutlich unpraktischer als das Smartphone mit BLE in der Hosentasche. Nicht zuletzt aufgrund der Datenübertragung im Minuten/Stunden Bereich ist LoRaWAN direkt in Handhelds kein Thema.

BLE Frequenz und Praxistests bei einem Kunden vor Ort

BLE funkt im 2.4 GHz Band – RFID und LoRaWAN dagegen beide im Bereich von 900 MHz. Und 2.4 GHz wird übrigens auch innerhalb eines Mikrowellenherds verwendet. In der Praxis bedeutet dies für BLE Lösungen:

  • BLE Funksignale lassen sich kaum abschirmen
  • bei RFID schirmt ein Drahtgeflecht mit einigen Zentimetern Maschenweite komplett ab
  • bei BLE brauchts Millimeter Maschenweite, das Mikrowellen Sichtfenster zeigt dies schön auf

In den vor Ort Praxistests bei einem Kunden hat sich dies wie folgt bestätigt: weder geschlossene Lifttüren noch Metallzwischenwände in Transportfahrzeugen schirmen BLE Funksignale ab…kleinste Spalten oder Fenster reichen und es wird eher zuviel als zuwenig gelesen.

Im selben Praxistest wurde auch die Lesung von 1000en BLE Tags erfolgreich simuliert: Dauer und Zuverlässigkeit der Lesung wurden durch die Menge der Tags resp. Datenübertragungen nicht beeinflusst! BLE skaliert auch bei grossen Tag/Asset Mengengerüsten.

BLE Use Cases aus heutiger Sicht und Zukunfts Ausblick

Wie bereits einleitend und bei den Praxistest oben beschrieben, sind In/Out Tracking Use Cases in Gebäuden oder Fahrzeugen mit BLE heute quasi plug&play. Dies sowohl mittels fest verbauten Gateways oder per Smartphone App.

Indoor Asset Lokalisierung im Meter Bereich ist zudem seit Jahren mit proprietären Gateways und Zusatzsoftware z.B. von Quuppa möglich. Ab Bluetooth 5.1 wird Lokalisierung als Direction Finding Teil des BLE Standards und sogar im <1m Bereich ermöglicht!

Erste Produkte mit Bluetooth 5.1 Direction Finding sind heute bereits erhältlich, die Auswahl ist aber noch relativ beschränkt. Dies wird sich jedoch in naher Zukunft verbessern und bringt Investitionssicherheit und mehr Wettbewerb in den BLE Lokalisierungsmarkt.

Und zum Abschluss noch ein Ausblick in die Zukunft: Mesh Networking mit BLE! Weniger bekannt aber heute bereits bewährt z.B. zur Lichtsteuerung in Grossgebäuden. Neben Smart Building dürfte BLE Mesh zukünftig auch vermehrt für Asset Tracking Use Cases z.B. mit Wirepas und Fujitsu eingesetzt werden.

Mit Mesh Networking zwischen den einzelnen Tags verschwindet zudem der “Reichweiten Nachteil” gegenüber LoRaWAN komplett: für ganze Gebäude reicht dann sogar nur 1 Gateway! LoRaWAN in grossen Gebäuden braucht aufgrund von Abschirmung durch Stahl(beton) sowie für maximale Batterielebensdauer der Sensoren eine Vielzahl an Gateways.

Kostenreduktion oder Kundennutzen als Treiber – und nicht Technologie

Nach soviel BLE ein wichtiger Punkt zum Schluss: ob BLE oder eine andere IoT Technologie hängt von Ihren konkreten Anforderungen ab. Kostenreduktion oder Kundennutzen – und nicht Technologie – sollten Treiber für IoT / Industrie 4.0 Lösungen und die damit verbundenen nicht unerheblichen Investitionen sein. Dies ist Basis für einen schnellen Payback, im Durchschnitt bereits im 2. Jahr.

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