Bis auf derartige durchaus berechtigte Vorbehalte kann die Nutzung von Bluetooth-Anwendungen einen echten Mehrwert bieten. Wie bei jeder Anwendung ist hierbei der individuelle Fall zu betrachten. Im Gegensatz zu Vielem, was wir in unserem klassischen Beratungsalltag betrachten, sind zum Beispiel Beacon-Anwendungen im Industrie- und besonderes im Produktionsumfeld eher rar. In anderen Bereichen, in denen zum Beispiel das Smartphone ein zentrales Arbeitsmittel darstellt, wie im BĂŒro-Umfeld, kann dies deutlich anders aussehen. Daher ist auch der Blick auf den Umfang, den Nutzen und den gegebenenfalls notwendigen Planungsansatz solcher Anwendungen relevant und sinnvoll.
Wir diskutieren entsprechende Technologien fĂŒr das GebĂ€ude oder den Arbeitsplatz der Zukunft, fĂŒr Industrie 4.0 etc. also immer hĂ€ufiger auch in unseren Projekten. In einigen Bereichen erweitern die entsprechenden Technologien, wie im Insider vom Mai beschrieben, den althergebrachten Bereich des IT-Netzwerks. In anderen Bereichen ist eine Betrachtung der erst durch diese Technologien ermöglichten Anwendungen darĂŒber hinaus relevant. Und auch wenn wir uns in diesem Artikel auf das Thema Bluetooth konzentrieren, sollte eine Planung und Betrachtung weitere Technologien nicht auĂer Acht lassen. So kommt man, je nach genauer Anwendung, nicht um die Themen, LAN, WLAN, ZigBee, EnOcean etc. herum.
FĂŒr Bluetooth selbst ist meist das Smartphone beziehungsweise die Anbindung mit einem entsprechend weit verbreiteten und verfĂŒgbaren System eine wichtige Grundlage. Die Auswahl der verfĂŒgbaren Anwendungen geht also ĂŒber die Smartphone-Verbindungen zur Freisprecheinrichtung bzw. dem Headset oder vom Laptop zu verschiedenen PeripheriegerĂ€ten hinaus. Es ergeben sich immer mehr Anwendungen, die auf Bluetooth-Basis in moderne GebĂ€ude Einzug halten.
Die folgenden Abschnitte sollen einen tieferen Einblick in die Planung und die Anforderungen, die insbesondere durch BLE beziehungsweise Beacon-Anwendungen entstehen, geben.
Wenn immer mehr Anwendungen (z.B. Smartphone-Apps) auf BLE-Beacons aufsetzen und eine entsprechende Infrastruktur benötigen, wird auch die Planung der Bluetooth-Versorgung immer wichtiger. Insbesondere, wenn produktionskritische Anforderungen hier greifen, sollte immer eine strukturierte Planung erfolgen.
Dies betrifft in diesem Zusammenhang nicht nur die grundlegenden Aspekte, wie die Platzierung der Sender und EmpfÀnger. Auch weitere Aspekte, die wir aus der klassischen Netzwerk-Planung kennen, spielen immer hÀufiger eine Rolle.
Als vielleicht wichtigstes Beispiel ist hier das Thema Sicherheit zu nennen. Im Angesicht der aktuell veröffentlichten SicherheitslĂŒcken in vielen Bluetooth-Implementierungen wird dies wieder einmal offensichtlich [heise.de]. Hierbei ist die unter Bluetooth verwendete VerschlĂŒsselung angreifbar. Bei typischen Beacon-Anwendungen mag dies hĂ€ufig nicht so relevant sein. Sobald aber andere Nutzungen von Bluetooth eine Rolle spielen ist auch das Sicherheitsmanagement von entsprechender Wichtigkeit.
Ein grundsÀtzliches, strukturiertes Planungsvorgehen sollte also in jedem Fall stattfinden, um die notwendige QualitÀt der Bluetooth/Beacon-Versorgung zu erreichen. Hierbei kann man sich (lose) an WLAN-Planungen oder auch allgemein an der Planung von Netzwerk-Infrastrukturen orientieren. Neben den so umsetzbaren Anwendungen sind also auch die Planung und die grundlegende Beacon-Technologie zu beleuchten.
Beacon-Anwendungen im modernen GebÀude
In modernen GebĂ€uden halten immer mehr Anwendungen Einzug, die ĂŒber die klassische BĂŒro-Kommunikation hinaus eine Datenanbindung erfordern. Hier meinen wir nicht nur die Anbindung der Peripherie des Arbeitsplatzes, wie der Maus, Tastatur oder auch des Headsets.
HĂ€ufig erfordert die Anbindung fĂŒr viele weitere EndgerĂ€te nicht das klassischen drahtgebundene Netzwerk. Eine Anbindung ĂŒber WLAN wird hier mittlerweile oft zum Standardfall. Und auch in Kundenprojekten, bei denen das drahtgebundene Netz weiterhin ĂŒberwiegt, ist hĂ€ufig die Tendenz zu drahtlosen Anwendungen offensichtlich. Schon heute, aber vor Allem auch im GebĂ€ude der Zukunft, kann davon ausgegangen werden, dass immer mehr EndgerĂ€te drahtlos angebunden sind. Eine Folge dieser Entwicklung ist insbesondere auch, dass hĂ€ufig eine flĂ€chendeckende WLAN-Versorgung vorausgesetzt wird. Auf Basis dieser Tatsache erfordert eine ganze Reihe der Bluetooth-Anwendungen, die auf BLE-Beacons basieren, eine zweite Datenverbindung mittels Mobilfunk oder eben WLAN.
Eine typische BLE-Beacon-Anwendung ist nicht alleine, sondern erfordert eine zusĂ€tzliche Datenverbindung. Im Netz verfĂŒgbare Services und Dienste sind so erreichbar, wie in Abbildung 1 dargestellt. Im Zweifelsfall ist diese Anbindung zu planen und bereitzustellen.
Dabei ist eine lokationsabhĂ€ngige Anwendung der naheliegendste Einsatzzweck fĂŒr Beacons. Es wurde hierzu zum Beispiel im Retail-Bereich mit vielen Beacons versucht das Kaufverhalten der Kunden zu analysieren und zu beeinflussen. Dieses âProximity-Marketingâ hatte aber zumindest in Europa kaum Erfolg und aktuell erscheinen stattdessen immer mehr Indoor-Navigationssysteme, die es dem Nutzer erleichtern sollen sich in einem unbekannten GebĂ€ude zurecht zu finden.
Die Idee im GebĂ€ude der Zukunft geht dabei soweit, dass der Aufzug ĂŒber seine Sensoren meldet, dass er bald einen Defekt erwartet und den Servicetechniker verstĂ€ndigt. Dieser kommt in das GebĂ€ude und erhĂ€lt automatisch die benötigten SchlieĂberechtigungen fĂŒr die elektronischen TĂŒrschlösser und wird dabei von der App mittels Bluetooth-Beacons zum entsprechenden Serviceraum geleitet. Dort angekommen verlinkt ein Beacon am Aufzug auf das aktuelle Service-Handbuch des GerĂ€ts und der Techniker kann die Historie der bisherigen Wartungen und Reparaturen abrufen.
Die Anwendungsgebiete der Technologie sind dabei vielfĂ€ltig und aufgrund der leichten NachrĂŒstbarkeit auch fĂŒr bestehende Infrastrukturen interessant.
Wer einmal das Klinikum in Aachen besucht hat, weiĂ den Wert einer Indoor-Navigation zu schĂ€tzen, um sich in den verschlungenen GĂ€ngen zurecht zu finden. Dort wurden einige Stationen mit Beacons ausgestattet und ermöglichen so eine teilweise Navigation fĂŒr den Patienten [wegzwei.com]. Leider wurde aber nicht das gesamte Klinikum mit Beacons ausgestattet, sondern nur sehr wenige Bereiche. Als Proof-of-Concept ein interessantes Projekt, aber ohne einen flĂ€chendenken Ausbau wird die Akzeptanz beim Nutzer wohl kaum erreichbar sein.
Auf Ă€hnliche Weise kann ein Museum leicht mit Beacons an den Exponaten erweitert werden und die bisherigen Audioguides können durch eine Museums-App ersetzt werden. Dies ermöglicht auch eine Kundenbindung ĂŒber den einzelnen Besuch hinaus. Untersuchungen zeigen, dass viele Nutzer die App nach dem Besuch auf dem MobilgerĂ€t belassen. So ist es dann dem Betreiber wiederum möglich, den Besucher ĂŒber neue Ausstellungen oder Aktionen zu informieren.
Auch eine Messe kann von dieser Technologie profitieren. Eine Messe-App mit BLE-Technologie ermöglicht nicht nur die Indoor-Navigation oder MessefĂŒhrung fĂŒr den Nutzer, sondern bietet dem Betreiber die Möglichkeit die Besucherströme zu analysieren und zu steuern. Wenn eine Halle maĂlos ĂŒberfĂŒllt ist, sind die Nutzer vielleicht dankbar fĂŒr den Hinweis, dass eine andere Halle aktuell kaum Besucher aufweist.
Abbildung 1: Allgemeine Architektur einer typischen Beacon-Anwendung
NatĂŒrlich kann fĂŒr den App-Nutzer dann die Erfahrung gemacht werden, dass sich in der vermeintlich leeren Halle die ganzen Nutzer ohne Smartphone und Messe-App tummeln, die das System nicht âgesehenâ hat. Auf Basis des typischen Nutzerverhaltens (bzw. gemÀà des statistischen Mittels) und mit entsprechender Software lĂ€sst sich aber hĂ€ufig eine entsprechend gute Vorhersage treffen.
Die flĂ€chendeckende Versorgung eines GebĂ€udes mit Beacon-Technologie bietet darĂŒber hinaus eine Vielzahl neuer Nutzungskonzepte. Ein Meeting Raum, der nicht genutzt wurde, muss nicht (oder seltener) gereinigt werden. Und ein Meeting Raum der nie genutzt wird, könnte vielleicht einer sinnvolleren Verwendung zugefĂŒhrt werden. HierfĂŒr könnten anonymisierte Daten genutzt werden um ein Nutzungsprofil der entsprechenden FlĂ€che zu gewinnen.
Technische Grundlagen Beacons
Aktuell gibt es eine groĂe Anzahl unterschiedlicher Beacon-Standards, deren vier bekannteste iBeacon, Eddystone, uiBeacon und ALT-Beacon sind. Hiervon sind insbesondere die ersten beiden Standards relevant, da sie durch Apple (iBeacon) und Google (Eddystone) unterstĂŒtzt werden. Dabei ist es aber völlig egal, ob der Nutzer ein iPhone, Android- oder Windowsbetriebssystem auf seinem mobilen GerĂ€t nutzt. Die Signale werden von allen GerĂ€ten verstanden. So wird das iBeacon-Protokoll bereits seit Android Version 4.3 unterstĂŒtzt. Ein erster Artikel im Netzwerk Insider im April 2017 beschĂ€ftigte sich bereits im Detail mit den Protokollen und wird an dieser Stelle nur kurz zusammengefasst.
Da die unterschiedlichen Beacon-Protokolle alle Teil des Bluetooth Low Energy Standards sind, ist der Aufbau sehr Ă€hnlich. In der Abbildung 2 wird daher stellvertretend das iBeacon-Datenpaket nĂ€her erlĂ€utert. Dieses ist ein Teil der Bluetooth Low Energy Payload, die wiederum ein Teil der Protocol Data Unit (PDU) des eigentlichen BLE-Frames ist. Somit sind 31 von 47 Bytes fĂŒr die iBeacon Daten innerhalb eines BLE-Frames nutzbar. Die Datenmenge erscheint gering, allerdings setzt das Konzept von Beacons voraus, dass die Intelligenz in der App und nicht in dem Beacon selbst steckt.
Abbildung 2: Datenstruktur des iBeacon Frames innerhalb von Bluetooth Low Energy
UnabhĂ€ngig von den einzelnen Protokollen bieten Beacons immer mehrere Informationen, die sie in festen Intervallen aussenden. Dies sind die Werte fĂŒr den Universally Unique Identifier (UUID), Major, Minor und TX Power. Ersteres hat einen Datenumfang von 128 Bit. Major und Minor jeweils 16 Bit. Somit ergeben sich 160 Bit an Nutzdaten, die man mit Hilfe eines Beacons ĂŒbertragen kann. Dies ermöglicht eine gute Strukturierung unterschiedlicher Informationen fĂŒr eine Vielzahl von Anwendungen. So kann beispielsweise die UUID auf die Firma verweisen, Major auf ein GebĂ€ude und Minor auf eine bestimmte Position innerhalb des GebĂ€udes.
Eine entscheidende Information wird im letzten Byte ĂŒbertragen. Der Wert TX Power ist dafĂŒr verantwortlich, dass das EndgerĂ€t die Entfernung zum Beacon schĂ€tzen kann. Das GerĂ€t ĂŒbertrĂ€gt dort die Angabe zur eigenen SignalstĂ€rke in Form des Zweierkomplements. Somit ergibt beispielsweise der Wert 0xC8 = 200, Zweierkomplement = 256-200 = 56 und damit eine kodierte SignalstĂ€rke von -56 dBm des Beacon-Signals. Dies ist ein Indikator fĂŒr die EmpfangsfeldstĂ€rke âReceived Sig-nal Strength Indicator (RSSI)â und gibt an, wie stark das Signal sein sollte, wenn es einen Meter vom Objekt entfernt gemessen wird. Hierbei werden natĂŒrlich nicht die wirklich vorhandenen Begebenheiten berĂŒcksichtigt. So kann eine Wand oder eine Person zwischen Beacon und EmpfĂ€nger die gemessene FeldstĂ€rke stark beeinflussen. FĂŒr den EmpfĂ€nger des Signals ist dabei nicht zu erkennen, ob das Signal weit entfernt ist, es sich um das Echo eines eigentlich nĂ€heren Signals handelt oder ob sich ein Hindernis zwischen Sender und EmpfĂ€nger befindet. Dennoch erlaubt dieser Wert eine verbesserte Ortungsgenauigkeit fĂŒr die Positionsbestimmung in Relation zur Position des Beacons.
Ortung mittels Beacons
Bei der Nutzung von Beacons gibt es drei unterschiedliche AnwendungsfÀlle, die im Folgenden nÀher erlÀutert werden und schematisch in Abbildung 3 dargestellt sind.
Abbildung 3: Unterschiedliche Möglichkeiten der Beacon-Nutzung; links: Navigation durch stationÀre Beacons; mitte: Tracking durch bewegliche Beacons an Objekten; rechts: Kombination beider Methoden
Ein mögliches Setup fĂŒr die Indoor-Navigation geht davon aus, dass die Beacons fest positioniert sind und die Anwendung weiĂ, wo sich welcher Beacon befindet. Durch Trilateration (siehe Abbildung 4) lĂ€sst sich so die Position innerhalb der Beacon-Infrastruktur bestimmen. Dabei werden in der Regel die zusĂ€tzlichen Sensoren der mobilen GerĂ€te verwendet. So kann die Positionsbestimmung durch die Beschleunigungssensoren, die in allen aktuellen Mobiltelefonen verbaut sind, unterstĂŒtzt werden.
Beim Asset-Tracking möchte man wissen, wo sich die Beacons befinden. Man stattet daher zu lokalisierende Komponenten mit Beacons aus und kann sie dann innerhalb der Infrastruktur orten. Dies ist beispielsweise im Healthcare-Bereich aktuell ein sehr relevanter Anwendungsfall, der immer hÀufiger beplant werden muss. So möchte der Betreiber wissen, wo sich bestimmte Ressourcen befinden.
Die Idee dahinter ist, dass man damit Ressourcen besser planen kann und weniger Zeit mit der Suche der entsprechenden Komponente verbringt. Dass man dabei auch gleichzeitig Informationen ĂŒber die wirkliche Nutzung erhĂ€lt, ist ein zusĂ€tzlicher Nebeneffekt. In diesem Anwendungsfall werden hĂ€ufig WLAN-Access-Points mit zusĂ€tzlicher BLE-Technologie verwendet.
Wenn eine solche Infrastruktur genutzt wird, kann man aber auch beide Methoden miteinander kombinieren und sowohl Indoor-Navigation als auch Asset-Tracking ermöglichen und so einen Mehrwert fĂŒr die Nutzung des GebĂ€udes schaffen. Aufgrund des geringen Preises der Beacons ist dies auch nicht mit hohen Investitionskosten verbunden. Man kann in einem Bereich anfangen diese Technologie auszurollen und dann StĂŒck fĂŒr StĂŒck erweitern. Es muss aber beachtet werden, dass mehr Beacons nicht unbedingt die Ortungsgenauigkeit verbessern. Bei zu vielen Beacon-Signalen nimmt die Genauigkeit auch wieder ab [Li 2015]. Um eine flĂ€chendeckende Nutzbarkeit zu erreichen ist eine gewissenhafte Planung der Beacon-Infrastruktur sinnvoll und nötig.
Planungsgrundlagen Asset-Tracking
Unter Asset-Tracking versteht man in diesem Zusammenhang eine Beacon-basierte Verfolgung von GegenstÀnden etc. Grundlage ist hierbei meist die Nachverfolgung beweglicher Bluetooth-Beacons, die an zu verfolgenden GegenstÀnden platziert werden. Diese Beacons werden durch entsprechende Bluetooth-EmpfÀnger lokalisiert. Man benötigt also eine Infrastruktur von BLE-EmpfÀngern, die die Beacons empfangen. Eine dahinter liegende Infrastruktur kann die Daten auswerten und so im Endeffekt eine Position des Beacons bestimmen.
Abbildung 4: Positionsbestimmung mittels Trilateration
Aus technischer und planerischer Sicht erinnert dies sehr stark an die Ortung von WLAN-EndgerĂ€ten anhand der SignalstĂ€rke ihrer Pakete mittels der WLAN Access Points. Im Gegensatz zu der Ortung mittels WLAN ist die benötigte Anzahl an Empfangsstationen bei BLE aber hĂ€ufig geringer. Im Endeffekt hĂ€ngt dies dennoch von der baulichen Umgebung, den Genauigkeitsanforderungen der Anwendung und weiteren Rahmenparametern ab. Ein Teil der Planung ist also vergleichbar mit einer WLAN-Planung. Analog zu Funkzellen mĂŒssen entsprechende Abdeckungsbereiche festgelegt und geplant werden.
Daher ist es sicherlich nicht verwunderlich, dass mittlerweile viele der im professionellen Umfeld erhÀltlichen WLAN-Access-Points ebenfalls ein Blue-
tooth-Funkmodul mitbringen. Somit entsteht bereits durch die WLAN-Infrastruktur eine entsprechende Bluetooth-Infrastruktur. Bei der Planung fĂŒr Asset-Tracking-Anwendungen handelt es sich in weiten Teilen also um eine schon fast klassische Infrastruktur-Planung.
WLAN-Planungstools unterstĂŒtzen mittlerweile erste grundlegende Funktionen fĂŒr eine Bluetooth-Planung [openreality.com]. In dem verbreiteten Tool Ekahau Site Survey lĂ€sst sich eine BLE-Abdeckung Ă€hnlich wie WLAN simulieren. Hierbei beschrĂ€nkt sich aktuell die FunktionalitĂ€t noch darauf Funkzellen darzustellen, in denen eine Mindestanzahl Beacons mit einer ausreichenden SignalstĂ€rke empfangen werden können. Ein direkter RĂŒckschluss auf die Ortungsgenauigkeit ist so in der aktuellen Version leider noch nicht möglich.
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