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Bachelorarbeit: Gebäudeautomation mit Bluetooth Mesh

Gebäudeautomation auf dem neusten Stand

In Gebäuden sollen immer mehr Geräte verknüpft werden und miteinander kommunizieren können. Manuel Böbel, Mario Noseda und Marcel Schreiner haben dafür den neuen Funkstandard Bluetooth Mesh eingesetzt. Die Entwicklung der Elektrotechnik-Absolventen könnte kommerzialisiert werden.

Bluetooth ist ein weit verbreiteter Funkstandard, den man aus der Unterhaltungselektronik kennt – beispielsweise zum Übertragen von Musik vom Smartphone zum Lautsprecher. Seit 2017 bietet die Bluetooth-Gruppe mit Bluetooth Mesh einen weiterentwickelten Funkstandard an. Mit ihm sollen über 30‘000 Geräte untereinander in einem Netzwerk verbunden werden können, ohne dass jedes einzelne Gerät mit dem jeweils anderen direkt gekoppelt ist. Die Elektrotechnik-Absolventen Manuel Böbel, Mario Noseda und Marcel Schreiner haben sich bereits in ihrer Projektarbeit im fünften Semester mit dieser neuen Technologie auseinandergesetzt. In ihrer Bachelorarbeit haben sie nun eine Software entwickelt, um Bluetooth Mesh für eine automatische Lichtregelung einzusetzen und zusätzlich mit dem in der Gebäudeautomation gängigen KNX-Netz zu verbinden.

Automatisch geregeltes Licht

Für ihre Lichtregelung haben die Absolventen einen Sensor-Knoten, welcher die Helligkeit misst, mit einer dimmbaren LED-Röhre über ein Bluetooth Mesh-Netzwerk verbunden. «Beispielsweise müssen in einem Raum die Lampen auf der Fensterseite weniger stark leuchten als auf der Wandseite, damit es überall gleich hell ist», erklärt Marcel Schreiner die Funktion. «Die gewünschte Helligkeit lässt sich mit einer Fernbedienung manuell einstellen. Unser System passt dann die Leuchtintensität für jede einzelne Lampe automatisch an.» In einem Versuchsaufbau haben die Absolventen ihre Entwicklung getestet und die unterschiedliche Lichteinstrahlung mit einer Taschenlampe simuliert. Unter diesen Laborbedingungen hat das System jeweils die Soll-Helligkeit erreicht. 

«Der von uns entwickelte Gateway ermöglicht das Steuern von KNX-Geräten aus dem Bluetooth Mesh-Netzwerk und umgekehrt.»

Manuel Böbel

Draht-Netzwerk drahtlos erweitern

Zusätzlich zur entwickelten Lichtregelung haben die Absolventen das noch junge Bluetooth Mesh mit dem bereits weit verbreiteten KNX-Standard für die Gebäudeautomatisierung verbunden. «Der von uns entwickelte Gateway ermöglicht das Steuern von KNX-Geräten aus dem Bluetooth Mesh-Netzwerk und umgekehrt», sagt Manuel Böbel und erklärt die Vorteile: «Somit können die Möglichkeiten des Bluetooth-Mesh-Standards mit den Vorteilen des etablierten KNX-Systems verbunden werden und in Gebäuden mit einer bestehenden KNX-Verdrahtung zusätzliche Geräte per Funk eingebunden werden.» Weiter haben die Absolventen in ihr System einen sogenannten Netzwerk-Scan implementiert. Mit dieser Funktion ist es möglich, die Netzwerktopologie zu ermitteln und grafisch auf einer Webseite darzustellen. «Das ist insofern sinnvoll, da im Bluetooth Mesh-Netzwerk nicht mehr alle Geräte mit allen verbunden sind, sondern jedes einzelne nur eine bestimmte Reichweite aufweist», sagt Mario Noseda. «Die Nachrichtenübertragung muss man sich also eher wie eine Kettenreaktion vorstellen und mit dem Netzwerk-Scan sieht man schnell, wo ein Unterbruch in dieser Kette ist.»

Kommerzielles Produkt ist denkbar

Neben dem Versuchsaufbau der Lichtregelung haben die Absolventen weitere Tests durchgeführt, um die Netzstabilität von Bluetooth Mesh zu untersuchen. So haben sie gezielt ein Störnetzwerk simuliert und dabei die Nachrichtenübertragung gemessen. Dadurch haben sie festgestellt, dass die Verbindungsqualität in einem Bluetooth Mesh-Netzwerk nicht nur durch externe, sondern auch durch interne Störungen beeinträchtigt werden kann. «Um die Störungsanfälligkeit zu minimieren, müssen die Knoten an strategisch sinnvollen Orten platziert werden», so Manuel Böbel. «Wenn A und B zu weit auseinanderliegen, muss C dazwischen platziert werden, damit die Verbindungssicherheit gewährleistet ist.» Fazit der Tests: Das System der Absolventen funktioniert und der dafür entwickelte Gateway könnte in einem Folgeprojekt sogar kommerzialisiert werden.