Lichttechnik der Zukunft Intelligent vernetzte Beleuchtung

Der Mensch ist intelligent, also hat er Geräte entwickelt, die ihn mit Licht versorgen. In Städten und Dörfern auf der ganzen Welt nutzt der Mensch seine selbst geschaffenen Beleuchtungsvorrichtungen, um Licht in die Nischen der Dunkelheit zu bringen. Die zivilisierte Gesellschaft als zusammenhängende soziale Ordnung, die die kulturelle Schöpfung vorantreibt, setzt diese Beleuchtungseinrichtungen ein, um die Dunkelheit zu vertreiben und eine hellere Zukunft zu schaffen.

Intelligente vernetzte Beleuchtung

Eine Zeit des Wandels ist im Gange. Das Internet der Dinge (IoT) stellt heute eine technologische Revolution dar. Durch die Kombination von intelligenter Sensortechnologie und drahtloser Hochfrequenz-Konnektivität sind neue Verfahren entstanden, um Daten zu erfassen, zu sammeln und ins Internet zu übertragen.

Das Internet der Dinge (IoT) ermöglicht die Gebäudeautomatisierung für den industriellen und privaten Gebrauch. Die Automatisierung in Gebäuden und Städten macht sich die menschliche Intelligenz zunutze. Das Ziel ist es, elektronische Systeme koordiniert und integriert zu programmieren und so die menschliche Intelligenz zu imitieren oder zu verbessern und somit ein automatisiertes System mit einem gewissen Grad an Intelligenz auszustatten.

In diesem Fall bedeutet Intelligenz die Fähigkeit, ein gewünschtes Ziel zu erreichen und auf einem akzeptablen Niveau zu erfüllen. Dadurch sollen intelligentere und robustere Systeme entstehen, mit denen die Lebensbedingungen der Menschen verbessert, die Kosten gesenkt und die negativen Auswirkungen auf die Umwelt verringert werden können.

Vernetzte Beleuchtungssysteme bestehen aus drei Schlüsselkomponenten: Einer Lichtquelle wie beispielsweise einer Glühbirne oder LED, einer Leuchte und einer elektromechanischen Baugruppe zur Verbindung und Befestigung der Lichtquelle an ihrem Standort und einem Lichtschalter oder Regler beziehungsweise Controller.

Von herkömmlichen Lichtquellen zu LEDs

In den letzten Jahren hat sich der Wechsel von herkömmlichen Lichtquellen zu Leuchtdioden (LEDs) rasant vollzogen. Der Erfolg der LED-Beleuchtung ist ein logischer Ausgangspunkt für softwaregesteuerte, intelligente, digitale und vernetzte Beleuchtungssysteme. Wo früher einfache Auf-/Ab- oder Ein/Aus-Schalter verwendet wurden, ermöglicht das Internet der Dinge in Verbindung mit elektronisch gesteuerten Beleuchtungsprodukten heute intelligente, vernetzte Beleuchtungsanwendungen.

Bei intelligenten, vernetzten Beleuchtungssystemen, die in sogenannten Smart Buildings zum Einsatz kommen, werden mehrere elektronische Systeme und Plattformen, einschließlich Bewegungssensoren, mit einer Vielzahl von Beleuchtungssteuerungsmethoden kombiniert und bieten so Lösungen für praktisch jede gewünschte Lichtsteuerung.

Durch die Verbindung über das IoT und den Einsatz offener und konfigurierbarer Infrastrukturen können Daten gesammelt und für intelligente Entscheidungen und einen effizienten Betrieb genutzt werden. Die enorme Flexibilität der Software, das einfache digitale Design und die einfache Steuerung sind Vorteile für intelligente Beleuchtungsplattformen.

Führende Hersteller von elektronischen Komponenten entwickeln derzeit LEDs, LED-Treiber, Sensoren, Leistungselektronik und verschiedene elektronische Steuergeräte für intelligente Beleuchtungsprodukte. Dabei ist ein Trend erkennbar, dass diese Hersteller ihre Produkte auf eine erfolgreiche Integration in die Gebäudeautomatisierung ausrichten.

Automatisierte Beleuchtungssysteme, die auf diese Weise eingerichtet sind, werden als intelligente Beleuchtung bezeichnet. Künftig werden Unternehmen und Hausbesitzer immer häufiger von den Vorteilen der vernetzten Beleuchtung und des IoT profitieren.

Intelligente Beleuchtungssysteme ermöglichen eine autonome und programmierte Steuerung von Beleuchtungsstärken und -farben und erkennen gleichzeitig, wenn der Verkehr oder die Belegung des Gebäudes Anpassungen erforderlich machen – und das sorgt für ein optimales Nutzungserlebnis für Anwender wie Eigentümer.

Automatisierte intelligente Beleuchtung findet sich überall in modernen Städten, ganz gleich, ob es sich um die Beleuchtung in Büros, in Wohnungen oder in Straßenlaternen und Verkehrs- und Fußgängerampeln handelt. Intelligente Beleuchtung wird immer mehr zur tragenden Säule von intelligenten, automatisierten Gebäuden in Smart Cities.

Kabelgebunden und drahtlos

Für die intelligente Steuerung von Beleuchtungssystemen sind solide und zuverlässige Verbindungen erforderlich. Dabei gibt es zwei primäre Vernetzungsmethoden, die intelligente vernetzte Beleuchtung und IoT zusammenbringen: kabelgebundene und drahtlose Vernetzung. Diese beiden primären Vernetzungsmethoden können in unterschiedlichen Kombinationen eingesetzt werden, wobei verschiedene Kommunikationsmethoden und -protokolle, wie zum Beispiel Bluetooth Mesh Networking, zum Einsatz kommen und nur durch die Anforderungen der Anwendung und die Kreativität des Entwicklers begrenzt werden.

Ein kabelgebundenes Netzwerk beruht auf direkten physischen elektrischen Verbindungen zwischen den Punkten im Netzwerk. Ein drahtloses Netzwerk erfordert keine physische Verbindung zwischen den Geräten, sodass keine feste Verkabelung erforderlich ist. Bei drahtlosen Netzwerken können sich die Geräte innerhalb des Netzwerks frei bewegen. Beide Ansätze haben ihre Vor- und Nachteile. Ein kluger Entwickler wägt sorgfältig ab, welche Lösung für eine bestimmte Anwendung am besten geeignet ist. So kann er eine Lösung entwerfen, die die jeweiligen Stärken beider Netzwerkmethoden nutzt und gleichzeitig ihre jeweiligen Schwächen minimiert.

Für intelligente, vernetzte Beleuchtungen im IoT muss der Entwickler die Spezifikationen für akzeptables Systemdesign, Geschwindigkeit, Bandbreite und niedrige Latenzzeiten kennen. Festverdrahtete Systeme bieten Spitzenleistungen bei diesen spezifischen Spezifikationsparametern, setzen allerdings voraus, dass die Schalter fest mit den Beleuchtungskörpern verdrahtet werden, was jedoch eine eingeschränkte Flexibilität bedeutet. Bei der Integration von drahtlosen Systemen müssen zwar einige dieser Spezifikationen geopfert werden, dafür bieten sie aber Konfigurationssteuerungs- und Verwaltungsoptionen, die mit festverdrahteten Systemen nicht erreicht werden können. Die laufenden und enormen Leistungsverbesserungen in der drahtlosen HF-Technologie ermöglichen allerdings drahtlose Designoptionen, die zuvor nicht denkbar oder verfügbar waren.

Für intelligente Beleuchtungssteuerungen und das Internet der Dinge werden häufig drahtlose Mesh-Topologien verwendet, bei denen redundante Verbindungen zwischen den Netzwerkknoten bestehen. Diese so genannten „Many-to-many“-Topologien bieten ein interessantes Potenzial für die intelligente Beleuchtungssteuerung: Vor allem, weil ihre redundanten Verbindungen vor Ausfällen einzelner Knoten schützen und gleichzeitig niedrige Latenzzeiten, hohe Geschwindigkeiten und ausgezeichnete Effizienz bieten. Zigbee und Bluetooth Mesh sind hierbei zwei beliebte Protokolle.

Zigbee und Bluetooth Mesh

Stromsparende und auf Standards basierende drahtlose Sensornetzwerke (WSN) können integriert werden, um die Anforderungen von intelligenten, vernetzten Beleuchtungsanwendungen zu erfüllen. Mesh-Systeme werden weltweit eingesetzt, um eine Vielzahl von intelligenten Geräten sicher mit Anwendungen zu vernetzen und so intelligentere, umweltfreundlichere und effizientere Lösungen zu ermöglichen.

Ebenso wie Bluetooth ist auch Zigbee eine Spezifikation für die Kommunikation in drahtlosen Personal Area Networks (WPANs). Die Zigbee-Technologie wurde im Hinblick auf niedrige Kosten, geringen Stromverbrauch und niedrige Einschaltdauer entwickelt und eignet sich daher ideal für WSNs und andere Netzwerke mit geringem Stromverbrauch, bei denen potenziell große Entfernungen zu überbrücken sind.

Zigbee baut auf dem IEEE 802.15.4-Standard auf, erweitert ihn aber um die Fähigkeit zu Mesh-Netzwerken mit Multi-Hop-Funktionalität und einem Routing-Protokoll. Es werden sowohl Stern- als auch Peer-to-Peer-Netzwerke wie Mesh und Cluster Tree unterstützt. Dadurch ist Zigbee dynamisch, skalierbar und dezentral organisiert. Die Zigbee-Technologie ist nicht darauf ausgerichtet, mit Technologien wie Wi-Fi (IEEE 802.11) oder Bluetooth (IEEE 802.15.1) zu konkurrieren. Vielmehr ist Zigbee für Anwendungen konzipiert, bei denen die Datenübertragungsrate deutlich weniger wichtig ist als Energieeffizienz, Netzwerkgröße und Ad-hoc-Routing-Kapazität.

Bluetooth Mesh Networking (eingeführt im Juli 2017) ist ein auf Bluetooth Low Energy (BLE) basierendes Protokoll, das in intelligenten vernetzten Beleuchtungssystemen und im Internet der Dinge Anwendung findet. Es arbeitet mit einem Bluetooth-Funkmodul, das über eine physische Entfernung von etwa 100 bis 1.000 m eingesetzt werden kann. Da es sich um ein neues Verfahren handelt, muss es sich erst noch in großem Maßstab bewähren und seine Effizienz und Effektivität unter Beweis stellen. Zahlreiche qualifizierte Fachleute und Unternehmen arbeiten ständig an Verbesserungen.

Die Daten

In den IoT-Anwendungen von morgen wird das Sammeln, Speichern und Analysieren von Daten das Wissen vorantreiben. Das IoT wird dabei datengestützte Erkenntnisse liefern, mit denen geschäftliche und persönliche Entscheidungen getroffen werden können.

Dieser Trend wird zahlreiche neue Möglichkeiten für die Durchführung und Nutzung intelligenter, vernetzter Beleuchtungssysteme mit sich bringen, einschließlich des Schutzes und der Überwachung vor Stromausfällen und Blackouts sowie der Unterstützung bei der Planung regelmäßiger Wartungsarbeiten und der Aufrechterhaltung einer optimalen Betriebseffizienz.

Die Anforderungen an Echtzeit-Entscheidungen und -Reaktionen mit geringer Latenz, die für den Menschen nicht wahrnehmbar sind (<0,05s), werden dazu führen, dass mehr Sensoren zur Datenerfassung eingesetzt werden. Diese Daten werden im „intelligenten“ Edge-Bereich analysiert und verarbeitet, was neue und umfassendere Erkenntnisse ermöglicht und die Chancen für neue Märkte und Wertschöpfung erhöht. Mit intelligenten vernetzten Beleuchtungssystemen werden datengestützte Entscheidungsprozesse Realität.

Die Sicherheit

Datenübertragungen müssen gegen unerwünschte Ereignisse und Situationen abgesichert sein. Intelligente vernetzte Beleuchtungssysteme und das Internet der Dinge (IoT) nutzen einen mehrschichtigen Ansatz für die Absicherung, bei dem an verschiedenen Stellen im System Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden.

Zu den wichtigsten Schritten dieses mehrschichtigen Ansatzes gehört die Erstellung geeigneter Anmeldeinformationen und Passwörter für die Zugriffsberechtigung in einem entsprechend konfigurierten und geschützten Betriebssystem (OS). Durch die Verwendung geeigneter Protokolle wird die Verbindung von Geräten ermöglicht und gleichzeitig eine starke und robuste Leistung und Sicherheit unter vielen verschiedenen Betriebsbedingungen gewährleistet. Jedes angeschlossene Gerät sollte überwacht werden und mit den entsprechenden Firmware- und Softwareversionen kompatibel sein, um die Vorteile aktueller Schutz- und Sicherheitsmaßnahmen zu nutzen.

Die gesammelten IoT-Daten sollten vor der Nutzung und Verarbeitung auf untergeordneten Stufen und vor der Verarbeitung auf höherer Ebene erfasst und validiert werden, um Fehler bei der Erfassung in der Cloud oder bei übergeordneten Datenverarbeitungsquellen zu vermeiden.