Professionelles Smart Lighting via Smartphone oder Tablet

Wicki Winzer, Marketing Communications Manager, Atlantik Elektronik GmbH
Guido Schwarz, Product Line Manager Wireless, Atlantik Elektronik GmbH
Professionelles Smart Lighting via Smartphone oder Tablet
Ein intelligentes Zuhause, in dem alle Geräte miteinander verbunden sind und sich per
Smartphone oder Tablet überwachen und steuern lassen, ist längst keine Fiktion mehr. Wir
leben heute in einem Informationszeitalter, in dem die Vernetzung allgegenwärtig ist und es
für fast alles eine App gibt. Wir kaufen online ein, wir laden Filme, Musik, Spiele oder Bücher
aus dem Internet herunter und wir kommunizieren schriftlich oder mündlich über unsere
Smartphones und Tablets.
Cloud- und Mobile-Dienste haben in den letzten Jahren komplette Branchen auf den Kopf
gestellt und die Art und Weise wie wir miteinander kommunizieren und arbeiten grundlegend
verändert. Die Vision des „Smart Home“ wird immer mehr zur Realität und ist wesentlicher
Bestandteil des Digitalisierungs-Booms. Auch auf dem Consumer-Markt kommt dem Smart
Home eine immer größere Bedeutung zu, was nicht zuletzt die Premieren auf der IFA 2015
und CES 2016 zeigten.
Medizingeräte, Pulsmesser, Uhren, Thermostate oder Lampen – immer mehr Geräte aus
dem Alltag werden mit dem Smartphone ferngesteuert. Früher war eine Lampe an oder aus,
doch seit Erfindung der Glühbirne vor über 150 Jahren hat sich sehr viel getan.
Hell kann jeder. Richtig schön ist die Beleuchtung erst, wenn ihre Farbe zur Stimmung passt.
Wenn sie nur dann scheint, wenn sie gebraucht wird und sich dynamisch steuern lässt. Auch
mit moderner und kompakter LED-Technik kommen die meisten Leuchtkörper noch immer in
der klassischen Birnenform daher. Eine Steilvorlage für intelligente Beleuchtung im Smart
Home. Denn so ist in der Birne genug Platz für nützliche Dinge wie Bluetooth und WLAN.
Der klassische Lichtschalter hat damit ausgedient: Was wann und wie leuchtet, bestimmt im
Smart Home eine App. Atlantik Elektronik bringt Licht ins Dunkel und präsentiert die
wichtigsten Grundlagen.
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Der Durchbruch für die Smart Home Arena könnte nun die Bluetooth Low Energy Technologie sein,
erweitert um die Mesh-Network-Fähigkeit. Der stromsparende Funkstandard BT4.0 ist der wichtigste
Faktor für den Erfolg von IoT oder besser vom Internet of Everything (IoE). Bluetooth Low Energy
(BLE) ist eine Erweiterung des Standards Classic Bluetooth 2.1 und 3.0, der den Einsatz von
besonders kostengünstigen und energiesparenden Single Mode Transceivern ermöglicht. Nur damit
sind vernetzte Geräte möglich, die teilweise Monate mit einer Akku-Aufladung auskommen. Für
bestimmte Anwendungsgebiete ist das eine Grundvoraussetzung. Manches Produkt wäre vermutlich
ein Flop, wenn es entweder alle paar Tage nachgeladen werden müsste oder merklich Strom
verbrauchen würde.
Die Auswahl der besten Technologie für die Steuerung von Lampen und Leuchten ist nach den
neusten Erkenntnissen daher relativ einfach. Unter Berücksichtigung, was heute im Smartphone
neben Mobilfunk zur Verfügung steht, sollte die Technologie eine gewisse Reichweite haben und
stromsparend
sein.
LED
Beleuchtungen
haben
Maßstäbe
hinsichtlich
Reduzierung
des
Stromverbrauchs gesetzt. Für die direkte Kommunikation kann Wi-Fi daher praktisch ausgeschlossen
werden, da Lampen kontinuierlich auf ein kurzes Ein-/Ausschaltsignal warten müssen und daher der
Empfänger ständig empfangsbereit sein muss. Dafür ist Wi-Fi (noch) viel zu stromhungrig. Eine
weitere Funktechnologie in Smartphones ist NFC, doch dieser Standard wurde nur für kürzeste
Distanzen konzipiert. Die Bluetooth Technologie vorerst nur für Audio (Freisprechen) und Serial Port
Pofil Dateninterface in Smartphones genutzt, wurde seit der iPhone Generation 4S mit Dual Mode
Chips für BLE (Bluetooth Low Energy) erweitert. Dieser Standard wird auch seit der Android Version
4.3 nativ unterstützt. Dadurch hat die Verbreitung und Akzeptanz weiter zugenommen und es ist
möglich, Apps für iOS, Android und Windows Phone zu entwickeln, ohne dabei auf verschiedene
Implementierungen Rücksicht nehmen zu müssen. Somit ist praktisch der gesamte weltweite
Smartphone- und Tablet-Markt einfach adressierbar. Die Reichweitenerfahrungen der meisten
Anwender beruht typischerweise auf Anwendungen mit Freisprecheinrichtungen im Auto oder MusikStreaming per A2DP. In beiden Fällen wird BT2.1 mit 0dBm (1mW) Ausgangsleistung verwendet. Die
max. Reichweite schwankt von 5 bis 20m. Bluetooth Smart Chips wie die Vertreter der CSR101xFamilie von Qualcomm oder Module wie das Flairmicro BTM101 (Bild1) basierend auf CSR1010
senden hingegen mit bis zu 7dBm (5mW), was dem mehr als Vierfachen der Ausgangsleistung der
Freisprecheinrichtung entspricht. Dieses würde theoretisch schon eine Verdopplung der Reichweite
bedeuten. Außerdem trägt auch das geänderte Modulationsverfahren zu einer Erhöhung der
Reichweite auf typisch 30 bis 50m auf freiem Feld bei.
Dennoch wird es in Gebäuden durch Mauern und Decken schwer, beispielsweise die gesamte
Beleuchtung mittels direkter Verbindung vom Smartphone zu den einzelnen Lampen zu erreichen.
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Bild 1: Bluetooth Smart Module BTM101
Um die Schwächen dieser Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auszugleichen, hat der Hersteller Cambridge
Silicon Radio (CSR, 2015 übernommen durch Qualcomm) das vermaschte Bluetooth LE erfunden,
CSRmesh™. Anders als bei anderen Mesh-Networks verzichtet man hier gänzlich auf das Routing
inkl. des ständigen Updatens der Routinglisten im Netz. Stattdessen nutzt man den Mechanismus des
Flodding Networks, basierend auf Broadcastpaketen. Netzwerk-Nodes die Pakete erhalten, die für
andere Nodes bestimmt sind, senden das empfangene Paket einfach nochmal aus (Repeater). Die
Latenzzeit für ca. 10 Hops ist dennoch mit ca. 100 bis 150ms sehr gering. Die Inbetriebnahme eines
solchen Netzes kann relativ einfach mit vom Smartphone lesbaren QR-Codes zu realisiert werden.
Hierbei werden einfach die Device-ID sowie ein Netzwerkschlüssel mittels einer App ausgetauscht.
Sehr wichtig für Nutzer solcher Systeme ist dabei auch das Thema Sicherheit. Die Beleuchtung
innerhalb von Gebäuden soll natürlich nur von autorisierten Personen bedient werden können. Dazu
werden Netzwerkschlüssel verwendet, die den Teilnehmern (Leuchten, Sensoren und Schaltern) beim
Einbinden in das jeweilige Beleuchtungsnetzwerk übermittelt werden. Diese Übermittlung ist sowohl
gegen reines Mithören als auch gegen sogenannte Man-in-the-Middle Attacken abgesichert, bei
denen Nachrichten abgefangen, manipuliert und dann zum eigentlichen Empfänger weitergesendet
werden. Die Thematik Ausfallsicherheit ist ebenso ein wichtiger Aspekt. Nach einem Stromausfall
bleiben alle gespeicherten Werte im NV-Speicher des BLE-Moduls erhalten. Ebenso muss die
Bedienung der Lampen ganz traditionell ohne Smartphone weiterhin möglich sein. Dafür besteht
optional die Möglichkeit Schalter oder Helligkeitssensoren mit in dieses Netzwerk einzubinden. Hinzu
kommt, dass Gruppen gebildet werden können, um ganze Räume oder eben ein komplettes Gebäude
zusammenzufassen. Mittels der Mesh-Technologie können von einem Punkt aus alle Lampen in
einem Haus erreicht werden, auch wenn die direkt mögliche Reichweite überschritten wird. Dabei wird
eine Methode verwendet, die auch den Ausfall einzelner Teilnehmer kompensieren kann. Da kein
Teilnehmer explizit als Repeater konfiguriert werden muss, wird auch hier wieder eine Fehlerquelle
vermieden. Zudem spart diese Technologie ohne spezielle Repeater und ohne dedizierte Router oder
Access Points Kosten. Zu guter Letzt muss für den Fall, dass das Smartphone komplett verloren geht,
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noch die Möglichkeit eines Back-ups auf einem Server bestehen, entweder auf einem lokalen PC oder
in der Cloud. Das Smartphone oder das Tablet, das zur Konfiguration genutzt wurde, kann hier
natürlich auch zu Steuerung und Statusabfrage eingesetzt werden. Von Atlantik Elektronik entwickelte
App´s können Funktionen bereitstellen, die moderne LED-Leuchten auszeichnen. So sind Dimmen,
Farbe, Farbverläufe oder Farbübergänge mit verschiedenen zeitlichen Einstellungen konfigurier- und
abrufbar. Zudem können komplette Szenarien zusammengestellt werden. Ebenso können weitere
Smartphones oder Tablets ohne großen Aufwand in vorhandene Netze eingebunden werden.
Atlantik Elektronik hat bereits mehrere Beleuchtungsprojekte erfolgreich durchgeführt, bei denen
typischerweise kundenspezifische Anforderungen berücksichtigt wurden. Hinzu kommt noch eine für
Beleuchtungssteuerung ausgelegte Hardware, die die Steuerung mittels 0-10V; PWM; DALI oder DMX
erlaubt, basierend auf dem Blue-Lite-Controller, kurz BLC. Herzstück des „Blue Lite Controllers (BLC)“
Produktes ist auch hier wieder das Bluetooth Smart Modul BTM101, das auf dem CSR1010 basiert.
Die BLC-Lösung überbrückt die Technologielücke in der Leuchten-Branche direkt. Die in diesem
Sektor basierende Innovation beruhte jahrelang auf Form und Design der Leuchtenleistung
herkömmlicher
Art.
Mit
der
Revolution
der
LED
Leuchtmittel
wurden
zusätzlich
Differenzierungsmerkmale erkennbar, die es gilt möglichst schnell zu erschließen. Das sprichwörtliche
schnelle erreichen des Marktes (Time to Market) mit der einhergehenden Reduzierung der
Entwicklungskosten und Know-how Aufbaukosten (Total Cost of Owner Ship) gilt es nun zu
adressieren.
Neben der
Einsparung
des
Kabelmediums
eröffnet die Bluetooth Funklösung erhebliche
Freiheitsgrade für die nachträgliche (Retro) Ausstauung von Bestandsgebäuden mit Smart
Technologie.
Der entscheidende Vorteil des Blue Lite Controllers (Bild 2) im Vergleich zu ähnlichen Lösungen ist,
dass hier kein Gateway oder Router benötigt wird. Neben dieser Einsparung können Lampen, aber
auch andere „smart things“
im IoT, direkt gesteuert, überwacht und konfiguriert werden. Nach
intensiver Evaluierung im Hause Atlantik fiel die Wahl auf Bluetooth Smart anstatt auf beispielsweise
eine ZigBee Lösung. Die Mesh Technologie basierend auf BLE nutzt Atlantik Elektronik auch bei den
eigenen Produkten der BlueLite Controller wobei hier ein späterer Umstieg auf die CSRmesh oder den
voraussichtlich ab Q4 2016 offiziellen SIG Standard mit Mesh-Unterstützung „BT4.3“ einfach per
Flashen möglich sein wird.
Die BLC-Lösungen basieren HW-mäßig auf dem Bluetooth Smart Modul BTM101 von Flairmicro Ein
Single Mode Modul mit/ohne Antenne welches eine hohe Datendurchsatzrate, im BLE Connected
Modus von 192kbps, bei sehr geringem Energieverbrauch, bietet.
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Bild 2: Blue Lite Controller DC Supply
Bild 2: Blue Lite Controller AC Supply, DMX
Die BLC-Module können Kundenspezifisch angepasst werden, je nach dem kann es mit DC, AC
Versorgung, DALI, DMX, PWM oder einfach mit einen Last-Relais an Applikationen angeschlossen
werden. Ein USB Dongle für einen PC rundet die Modellvielfalt ab. Aufgrund seiner geringen Größe
lässt sich des BLC einfach integrieren. Der Service der Atlantik Elektronik bietet neben dem Modul mit
der Embedded SW auch die Erstellung einer zugeschnittene App für iOS und Android an, inkl. GUI
Design an. Hierbei können unterschiedliche Funktionen, je nach Kundenwunsch, implementiert
werden. Dazu zählt beispielsweise die Möglichkeit, Gruppen und Szenen zu definieren oder
Sequenzen zu programmieren. Das ermöglicht Leuchten in mehrere Gruppen einzuteilen. So kann
zum Beispiel der Eingangsbereich eines Fashion Shops in andere Lichtverhältnisse gehüllt werden,
als der Kassenbereich. Ein großer Vorteil eines derartigen Systems ist aber die sofortige Änderung
der
Stimmung
in
einem
Shop
durch
dimmen
oder
ein-/ausschalten
bzw.
ein
Putz-
Beleuchtungsszenario. Zudem kann der Shop Mitarbeiter mit seinem Tablet im Geschäft stehen und
die Effekte direkt beobachten und zielgerichtet anwenden.
Die
Beleuchtungskonzepte
der
Verkaufsläden
und
Shops
werden
immer
wichtiger,
um
Gestaltungsmöglichkeiten zu bieten, denn Licht ist magisch und es besitzt eine wahre
Anziehungskraft, es berührt unsere Seele, erzeugt Stimmungen und kann Einfluss auf unser
Verhalten nehmen. (Bild 3)
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Bild 3: App für Retail-Beleuchtungssysteme
In Zusammenarbeit mit Premium Leuchten Herstellern für Retail-Beleuchtung konnte Atlantik
Elektronik diverse Fashion, Food sowie Automotive Shops weltweit führender Hersteller mittels der
BLC Beleuchtungssteuerung ausstatten (Bild 4).
Bild 4: LED Beleuchtungskonzept im Fashion Store
Für die verantwortlichen Lichtplaner und Designer entstanden dadurch ganz neue Möglichkeiten Licht
gezielt einzusetzen, um die Waren in ein optimiertes Feld zu führen. Dabei hängt die LichtInszenierung ganz entscheidend von den Bedürfnissen der Kunden und deren Zielgruppen ab. Eine
Flexibilisierung in diesem Bereich bedeutet eine erhebliche Wertschöpfung des Anbieters für seine
Produkte in diesem Bereich.
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Zudem ist es auch wirtschaftlich für den Shop Betreiber interessant da statt unterschiedlicher
Leuchten zu verwenden in vielen Fällen mit weniger Leuchten für unterschiedliche Szenarien
gearbeitet werden kann.
Die Integration der BLC in bestehende Leuchten ist äußerst einfach. Das BLC wird direkt an den LED
Treiber (EVG) der jeweiligen Leuchte angeschlossen. Die Versorgungsspannung kann entweder aus
dem Treiber bezogen werden (DC) oder direkt über die Netzversorgung 230V.
Nach der Installation der herstellerindividuellen App auf den Tablets oder Smartphones kann mit der
Konfiguration direkt gestartet werden. Da es hier kein Gerät als Schaltzentrale zwischen BLC und
Tablet/Smartphone gibt, erhöht sich die Systemausfallsicherheit enorm. Selbst wenn eine Leuchte
ausfallen sollte, fällt nicht das ganze System aus und der Shop wird dunkel, denn das Signal wird
durch das Mesh Netzwerk trotzdem weitergeleitet.
Besonders das Feature der multiplen Verbindungen ist hervorzuheben. Dies bedeutet, dass die
Beleuchtung von verschiedenen Endgeräten aus gesteuert werden kann oder bestimmte Sequenzen
anwählbar sind, während die Konfiguration nur durch ein Endgerät oder passwortgeschützt erfolgt. Ein
derartiges LED-Leuchten Netzwerk kann sehr groß werden, denn durch die 16-bit Adressierung sind
bis zu 64000 Knoten in einem Netzwerk möglich.
Der Atlantik Software Stack unterstützt individualisierte Lösungen, darunter den Support u.a. der LichtProtokolle DALI und DMX aber auch proprietäre Protokolle sind möglich. Durch die Unterstützung
einer Real Time Clock (RTC) lassen sich auch Kalender, Sequenzen oder Timerfunktionen per App
nutzen.
Was bringt die Zukunft?
Unter Beachtung der Sicherheitsaspekte zeichnen sich im Smart-Home-Segment für die Zukunft
verschiedene Entwicklungen ab. Glaubt man der Bitkom-Studie, werden sich vernetzte Geräte und
smarte Services im Haus langfristig durchsetzen. Rund 82 Prozent der befragten Verbraucher sehen
dies so. Darüber hinaus sieht fast jeder Dritte den Durchbruch auf dem Massenmarkt innerhalb von
drei bis fünf Jahren. Zu einem ähnlichen Ergebnis kommt eine von Deloitte in Zusammenarbeit mit
Bitkom und weiteren Verbänden aufgestellte Prognose zur Anzahl der vernetzten Heime in
Deutschland. Bei einer konservativen Rechnung geht man davon aus, dass es im Jahr 2020 eine
Million Smart-Home-Haushalte in Deutschland geben wird. Damit würde sich die Anzahl der Smart
Homes innerhalb von fünf Jahren mehr als verdreifachen. Ende 2013 zählte Deutschland gerade
einmal 315.000 intelligent vernetzte Privathaushalte. Bei einer günstigeren Entwicklung könnte sogar
schon im Jahr 2018 die Millionengrenze überschritten sein.
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Der Aspekt der Harmonisierung auf diesem Gebiet schreitet zudem voran. Zielführend ist dabei, wenn
eine Technologie mehrere Anwendungen abdecken kann, wie mit der Bluetooth Technologie
bewiesen. Man denke an die BT Anbindung für Audio (Telefon und Musik) sowie Remote Control,
Health & Wearables und Sensoren mit BLE sowie iBeacon-Technik (Lokalisierung und Advertising) ...
und alles mit unseren geliebten Smart Devices direkt anwendbar ohne Verwendung von Gateways.
Zeichen: 15.290
Über Atlantik Elektronik
Atlantik Elektronik ist ein Unternehmen der Atlantik Networxx AG. Das Unternehmen ist führender
Technologievermarkter und Design-In-Spezialist innovativer Halbleiterprodukte und Halbleiterlösungen für den
High-End-Bereich wachstumsorientierter Märkte und bietet auch Entwicklungsleistungen und
Produktionskapazitäten für Kunden an. Atlantik ist Trendscout für neue Lösungen und neue Technologien. Die
Kompetenzen und das Produktportfolio des Unternehmens liegen in den Bereichen Mikrocontroller/SOM,
Wireless, Audio/Video, Sensors, Displays, Lighting und Connectivity.
Kontakt: Atlantik Elektronik GmbH  Fraunhoferstr. 11a
D-82152 Planegg  Tel. +49 89 89 505-127  Fax. + 49 89 89 505-4127
[email protected], www.atlantikelektronik.de
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