Noch liegen die VLC-Systeme als Demonstrator vor. Bereits Mitte 2021 können die finalen Systeme für die vernetzte Produktion eingesetzt werden. (Bild: Fraunhofer IOSB-INA)
Die herkömmliche Funkkommunikation wie WLAN und Bluetooth kommt im Produktionsumfeld an seine Grenzen: Aufgrund mangelnder Bandbreite ist das Funkspektrum angesichts der zunehmenden Nutzer, Empfänger und Geräte überlastet. Dennoch müssen zahlreiche Komponenten wie Sensoren und Roboter drahtlos miteinander vernetzt werden.
Ein Forscherteam am Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo, einem Institutsteil für industrielle Automation des Fraunhofer Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung, arbeitet gemeinsam mit der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe an Lösungen, damit Gerätschaften in Fabrikhallen über Lichtimpulse kommunizieren können.
Die Forscher sind der Meinung, dass sich die Probleme bei der Funkkommunikation zwar durch die 5G-Technologie vermindern werden, jedoch eine lizenzfreie und effektivere Lösung möglich ist: Sie wählen das sichtbare Spektrum des Lichts für die drahtlose Datenübertragung – die sogenannte Visible Light Communication (VLC).
Störfaktoren werden getestet
„Das Lichtspektrum ist etwa 4000-mal größer als das gesamte verfügbare Funkspektrum“, erklärt Daniel Schneider, Wissenschaftler am Fraunhofer IOSB-INA. Die dahingehenden Forschungsarbeiten im Projekt „Visible Light in der Produktion“ dauern bereits ein Jahr an. Die Hürden sieht Schneider vor allem in den nicht ausreichend erforschten Störfaktoren wie Wänden, metallische Gegenständen, Maschinen und andere Signalen. Gegen diese müsse sich das System als widerstandsfähig erweisen.
„Künstliche Lichtquellen, Abschattungen und Reflektionen können die Datenübertragung per Licht beeinflussen“, erläutert der Forscher. Im Fokus der Messkampagne standen deshalb insgesamt drei Einflussgrößen: Umgebungslichtquellen, Partikel und Umgebungsreflektionen. 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 ab“, führt Schneider aus. Personen und Fahrzeuge, die sich mit 0,2 m/s langsam bewegen, würden die Qualität des Signals ebenso wenig beeinträchtigen. Problematischer seien hingegen Umgebungslichtquellen.
Nach den Erkenntnissen der Wissenschaftler reagieren VLC-Systeme demnach auf die Lichteinflüsse von Schweißprozessen und Leuchtstoffröhren sowie optischen Tracking-Systemen. Die Lösung müsse daher in der Lage sein, adaptiv auf die Lichtverhältnisse zu reagieren und derartige Störeinflüsse zu minimieren.
Höhere Datensicherheit
„Eine Lampe strahlt in mehrere Richtungen, die über Reflektionen beim Empfänger ankommen. Fallen diese stark unterschiedlich aus, kommt das Licht zu zeitlich und dämpfungsbehaftet verteilt beim Empfänger an.“ Dadurch werde das Nutzsignal im Nanosekunden-Bereich verzerrt und die Übertragungsqualität herabgesetzt, merkt Schneider an.
Basierend auf den quantitativen Messergebnissen entwickeln er und sein Team umgebungsadaptive VLC-Systeme für den industriellen Einsatz. Ein Vorteil: Lichtsignale sind nicht abhör- oder manipulierbar und damit wesentlich sicherer. Zudem lassen sich mehr als 1000 Geräte drahtlos miteinander vernetzen.
Die erforderliche Hardware soll sich neben der Deckenbeleuchtung, auf einen Internetzugang sowie einen Transceiver beschränken, der an das Endgerät angeschlossen wird. Der vorliegende Demonstrator wird in der Lemgoer SmartFactoryOWL derzeit unter realen Bedingungen getestet. Bereits Mitte 2021 sollen sowohl Groß- als auch mittelständische Unternehmen von dem fertigen System profitieren.
