Forschung -

Funksignale aus der Deckenbeleuchtung

Im Produktionsumfeld müssen zahlreiche Komponenten wie Sensoren und Roboter drahtlos miteinander vernetzt werden. Aufgrund ihrer geringen Bandbreite stößt die herkömmliche Funkkommunikation über WLAN und Bluetooth an ihre Grenzen. Deshalb sollen Maschinen in Fabrikhallen künftig über Lichtimpulse miteinander kommunizieren.

Fahrerlose Transportsysteme, Förderbänder, Motoren, Roboter, Sensoren, Drohnen, Monitoringsysteme, mobile Endgeräte, unterschiedlichste Maschinen und Anlagen – sie alle tauschen Daten aus. Damit es nicht zu Produktionsausfällen kommt, muss die Kommunikation reibungslos funktionieren. Oftmals werden die Komponenten an verschiedenen Orten betrieben, was eine drahtlose Vernetzung unabdingbar macht.

Doch die herkömmliche Funkkommunikation über WLAN und Bluetooth gelangt an ihre Grenzen, da das Funkspektrum angesichts der zunehmenden Anzahl von Nutzern, Empfängern und Geräten überlastet ist. Zwar wird die 5G-Technologie dieses Problem vermindern, die Herausforderungen der Kommunikation im Produktionsumfeld lassen sich jedoch lizenzfrei und effektiver meistern – dieser Ansicht sind die Forscherinnen und Forscher am Institutsteil für industrielle Automation des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB-INA in Lemgo. Sie gehen einen anderen Weg und wählen das sichtbare Spektrum des Lichts für die drahtlose Datenübertragung.

Visible Light Communication (VLC) nennen Experten die Technologie. „Mit Wellenlängen von 380 bis 800 nm ist das Lichtspektrum etwa 4000-mal größer als das gesamte herkömmliche Funkspektrum“, sagt Daniel Schneider, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-INA. Gemeinsam mit seinen Kollegen und der Technischen Hochschule OWL arbeitet er daran, VLC in die Industrie zu übertragen.

In Büro-, Heim- und Laborumgebungen wird VLC bereits eingesetzt, seit kurzem dient es auch für Indoor-Navigationssysteme in Einkaufszentren. In Fabrikhallen sind die Hürden für diese Kommunikationstechnologie aufgrund der besonderen Störfaktoren jedoch hoch beziehungsweise noch nicht ausreichend erforscht. Zuverlässig ist ein System dann, wenn Abdeckungsprobleme durch Wände, metallische Gegenstände, Maschinen und andere Störsignale überwunden werden können.

„Künstliche Lichtquellen, Abschattungen und Reflektionen können die Datenübertragung per Licht beeinflussen. Inwiefern, in welchen Bereichen und Höhen sie das tun, haben wir in Zusammenarbeit mit fünf Unternehmen aus der Industrie im Rahmen einer Messkampagne untersucht“, so Schneider. Für die Tests kamen handelsübliche, energieeffiziente LEDs zum Einsatz, sowie ein Spektrometer, das um zwei Achsen drehbar ist und die Störquellenverteilung im Raum misst. Im Fokus der Messkampagne standen drei Einflussgrößen: Umgebungslichtquellen, Partikel und Umgebungsreflektionen. Letztere bezeichnen die Experten auch als Mehrwegeausbreitung.

Die Tests ergaben, dass Staubpartikel kein Problem für optische Signale darstellen. „Fabrikhallen sind in der Regel gut belüftet, die typischen Partikelkonzentrationen dämpfen das Lichtsignal daher nicht relevant“, sagt der Forscher. Personen und Fahrzeuge, die sich mit 0,2 m/s langsam bewegen, beeinträchtigen die Qualität des Signals ebenso wenig.

Umgebungslichtquellen hingegen beeinflussen das gesamte optische Spektrum. Insgesamt zehn Modelle haben die Projektpartner identifiziert, auf deren Lichtverhältnisse VLC-Systeme reagieren: Dazu gehören Schweißprozesse und Leuchtstoffröhren, aber auch optische Tracking-Systeme. Sie treten jedoch nur lokal auf und nicht ortsübergreifend. VLC-Systeme müssen daher in der Lage sein, adaptiv auf die Lichtverhältnisse zu reagieren und derartige Störeinflüsse zu minimieren.

Als Störfaktor konnten die Forscher auch die Mehrwegeausbreitung identifizieren: „Eine Lampe strahlt in mehrere Richtungen, die über Reflektionen beim Empfänger ankommen. Fallen diese stark unterschiedlich aus, kommt das Licht zeitlich zu verteilt und dämpfungsbehaftet beim Empfänger an. Es verzerrt dadurch das Nutzsignal im Nanosekundenbereich und setzt die Übertragungsqualität herab“, erläutert der Wissenschaftler. Basierend auf den quantitativen Messergebnissen entwickeln Schneider und sein Team umgebungsadaptive VLC-Systeme für den industriellen Einsatz.

Neben der großen Bandbreite bietet VLC auch eine hohe Datensicherheit. Herkömmliche Funksignale strahlen durch Wände hindurch, sodass die Kommunikation ist außerhalb der Fabrikhalle abhör- und manipulierbar ist. Mit Licht ist dies nicht möglich. „Wenn wir unser VLC-System optimal ausgelegt haben, sind wir in der Lage, an einem Standort über 1000 Geräte energiesparend, abhörsicher und unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen zu betreiben“, resümiert der Forscher aus Lemgo. Die erforderliche Hardware soll sich neben der Deckenbeleuchtung, auf einen Internetzugang sowie einen Transceiver beschränken, der an das Endgerät angeschlossen wird.

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