Kopioi artikkelin PDF-versio
Bluetooth-teknologian markkinoille tuloa odotellaan myös teollisuudessa. Mitä mahdollisuuksia Bluetooth tarjoaa rankkaan teollisuuskäyttöön? Kuluttajakäyttöön verrattuna Bluetooth joutuu kovalle koeteukselle teollisuuden ympäristöolojen puristuksessa. Lämpö, tärinä ja kosteus ovat ongelmia lievemmästä päästä. Miten yhteys toimii, kun voimakkaat sähköhäiriöt hankaloittavat radioliikennettä?
Bluetooth on lyhyen kantaman radiolinkki, joka on tarkoitettu alunperin korvaamaan kaapelit laitteiden välillä. Spesifikaation suunnittelun lähtökohtana on ollut ympäristöolojen hyvä sietokyky, yksinkertainen rakenne, alhainen tehonkulutus ja halpa hinta.
Radiolinkki toimii 2,4 gigahertsin vapaalla kaistalla (ISM-kaista, Industrial, Sientific and Medical band). Tämä kaista on käytössä koko maailmassa tietyin tehorajoituksin. Ainoastaan Yhdysvalloissa, Espanjassa, Ranskassa ja Japanissa kaistan määrittelyt poikkeavat yleisestä linjasta hiukan. Näissäkin maissa Ranskaa lukuun ottamatta voidaan käyttää Bluetooth-laitteita.
Järjestelmä muodostaa tiedonsiirtoverkkoja asiakohtaisesti (ad hoc) itsenäisesti, jolloin käyttäjän ei tarvitse huolehtia verkon hallinnasta. Yhdessä verkossa (Piconet) voi olla seitsemän orjaa ja yksi isäntä. Piconet-verkkoja voi olla samassa tilassa useita, jolloin kokonaisuutta kutsutaan Scatternet-verkoksi.
Bluetooth-teknologian tulo markkinoille piti ennusteiden mukaan tapahtua lähes vuosi sitten. Komponentteja ei vielä ole juurikaan tarjolla eikä niin ollen laitteitakaan myytävänä. Pitäisikö teollisuuden kiinnostua tällaisesta hypestä vai jättää se omaan arvoonsa?
Teknologian kehitys on tällä hetkellä vaiheessa, jossa komponentteja ja kokonaisia Bluetooth-moduuleja alkaa olla saatavissa muutamilta valmistajilta joillekin harvoille asiakkaille. Kehitysympäristöjä on tarjolla useammaltakin valmistajalta ja niillä voidaan tehdä kehitystyötä odotellessa piirien volyymitoimituksien alkua. Volyymitoimitusten alkaminen on edelleen hämärän peitossa, mutta on todennäköistä, että jakelu laajenee vuoden 2001 aikana.
Bluetooth kiinnostaa teollisuutta
Teollisuus on luonnollisestikin kiinnostunut kaikesta uudesta, joka edistää liiketoimintaa. Liiketoiminnan edistäminen Bluetoothin avulla tarkoittaa joko olemassa olevien toimintojen tehostamista tai uusien toimintojen kehittämistä. Mielenkiintoisimpia ovat luonnollisesti uudet menetelmät ja tavat toimia.
Teollisuuden kannalta Bluetoothin houkuttelevat ominaisuudet ovat alussa mainitut halpuus, yleiskäyttöisyys ja pieni koko. Halpuus on hyvin luonnollinen houkutteleva ominaisuus ja jo tämä pelkästään voi olla riittävä syy siirtyä käyttämään uutta teknologiaa. Pieni koko ei aina ole ehdoton vaatimus, vaan on paikkoja, joissa koolla ei ole väliä. Toki myös teollisuudessa löytyy sovelluksia, joissa voidaan kehittää uusia toimintoja pieneen kokoon perustuen.
Yleiskäyttöisyys ei aina ole teollisuusympäristöissä ehdoton vaatimus. Usein sovellukset ovat erikoistuneita tiettyyn tarkoitukseen ja jopa fyysiseen paikkaan. Yleiskäyttöisyys tuo kuitenkin mukanaan etuja, jotka ovat joissakin tapauksissa merkittäviä.
Teollisuus käsitteenä on kovin monipuolinen ja laaja. Tässä keskitytään teollisuuteen, joka toisaalta vaatii Bluetooth-laitteilta suurta ympäristöolojen kestävyyttä ja joka toisaalta saa suurimman hyödyn käyttämällä Bluetooth-tekniikkaa. Tyypillisimmillään tämä tarkoittaa tehdasta esimerkiksi paperitehdasta.
Olosuhteet vaativia teollisuuskäytössä
Suurimpia eroja kuluttajakäyttöön verrattuna ovat teollisuuden ympäristöolojen tuottamat ongelmat. Lämpö, tärinä ja kosteus ovat hyvin usein läsnä teollisuudessa ja usein vielä yhtäaikaa. Vaikka Bluetoothin käyttö teollisuudessa ei varmasti suju ongelmitta, on nyt jo nähtävissä, miten jotkut ongelmat voidaan kiertää. Toisaalta todellinen käyttö teollisuudessa tuo varmasti tukun ongelmia, joita ei tässä kirjoituksessa vielä nähdä. Ne ratkotaan sitten tapaus kerrallaan.
Laitteiden lämmösieto tulee olemaan vielä pitkään vaatimaton, koska elinkaarensa alkuvaiheessa tällaiset ominaisuudet eivät vielä ole Bluetooth-piirien keskeisenä tavoitteena. Päätavoitteena on ylipäänsä saada piirienvalmistus käyntiin. Aluksi piirit tulevat toimimaan niin sanotulla kaupallisella alueella eli 0-75 ºC:een lämpötiloissa. Esimerkiksi Ericssonin valmistama Bluetooth-moduuli ROK 101 007 toimii juuri tällä lämpöalueella.
Tärinä ja kosteus ovat Bluetooth-laitteille samanlainen ongelma kuin muillekin elektroniikkaa sisältäville laitteille. Lisäksi käytettävä 2,4 gigahertsin taajuus on sellainen, että se absorboituu hyvin veteen. Toisin sanoen, jos ilmassa esiintyy vettä, on mahdollista, että osa radiosäteilystä absorboituu matkalla.
Ympäristöolosuhteiden aiheuttamia ongelmia voidaan ratkoa perinteisin menetelmin. Voidaan lämmittää ja jäähdyttää, koteloida kosteudelta ja suojata tärinältä. Tällöin kuitenkin menetetään merkittäviä Bluetoohtin etuja, sillä koko, hinta ja tehonkulutus kasvavat merkittävästi.
Sähköiset häiriöt tapauskohtaisia
Ilmassa etenevät sähköiset häiriöt ovat tärinää ja kosteutta suurempi ongelma Bluetooth-laitteille. Esimerkiksi suuret sähkökäytöt tuottavat voimakkaita sähköhäiriöitä, jotka hankaloittavat radioliikennettä.
Teollisuussovelluksissa tullaankin edellyttämään, ettei Bluetooth-laite aiheuta tiettyä tasoa suurempaa häiriötä ja että se vastaavasti sietää hyvin häiriöitä. ISM-kaistan tehonrajoitus taas aiheuttaa sen, että kohtuullisetkin sähköhäiriöt tukkivat radiokanavan niin, ettei radioliikenne ole enää mahdollista.
Teollisuudessa on usein käytössä suuria sähkömoottoreita ja inverttereitä, jotka saattavat tuottaa voimakkaita häiriöitä. Se millaiset sähkökäytöt ovat riittävän suuria estämään tämän tietoliikenteen, ei ole vielä täysin selvillä ja todennäköisesti asia on hyvin tapauskohtainen. Voidaan mahdollisesti esittää joitakin arvoja sähkökäyttöjen suuruudelle, joiden läheisyydessä Bluetooth vielä toimii, mutta varmin tapa on mitata häiriöt ja tutkia asiaa tätä tietoa vasten.
Sähköisten häiriöiden varalle on hankalampi tehdä mitään kaiken kattavaa ratkaisua. Käyttökohteen kentänvoimakkuudet voidaan mitata ja valita mittaustuloksen tai käytön perusteella Bluetooth-laitteille mahdollisimman edulliset paikat. Joissakin tapauksissa voi olla mahdollista käyttää suuntaavaa antennia vastaanotossa, mutta se lisää kustannuksia.
Suuri määrä laitteita verkossa
Ympäristöolosuhteiden lisäksi kantama, yhteydenmuodostumisaika ja laajat verkot aiheuttavat haasteita lyhyen kantaman radiolinkille. Bluetoothin kantama on suurimmalla mahdollisella lähetysteholla vapaassa tilassa suurempi kuin sata metriä, mikä on käyttökelpoinen arvo teollisuussovelluksissa. Toisaalta kantamaa kuitenkin rajoittavat metallirakenteet, jotka estävät yhteyden muodostamisen. Se voi olla ankarakin rajoitus, etenkin jos teollisuuslaitos on sokkeloinen ja sisältää paljon metallirakenteita.
Kantamaa ei voida ISM-kaistalla kasvattaa ylittämällä sadan milliwatin teho, mutta kuuluvuutta voidaan kasvattaa muilla keinoin. Bluetooth-laitteita voidaan sijoitella tehtaaseen niin, että jokin laite toimii pelkästään toistimena, jolloin tieto saadaan siirtymään pidemmällekin. Samalla tosin tiedonsiirron nopeus hidastuu ja muitakin ongelmia voi mahdollisesti ilmetä.
Kun useilta kymmeniltä ja koko tehtaan kyseessä ollessa jopa sadoilta laitteilta edellytetään yhtäaikaista toimintaa, joudutaan rakentamaan hyvin laajoja verkkoja. Yhdessä Piconet-verkossa voi olla enimmillään kahdeksan aktiivista laitetta. Bluetooth-spesifikaation mukaan on mahdollista, että laite on jäsenenä kahdessa eri verkossa. Näin ollen teoriassa laitteita voitaisiin ketjuttaa toisiinsa, jolloin tuloksena olisi Scatternet-verkko.
Edellä kuvattu verkottaminen ei kuitenkaan ole täysin ongelmatonta. Jos laite on orjana kahdessa verkossa, voi tiedonsiirto molemmista verkoista osua päällekkäin, jolloin orjalaitteen on mahdotonta siirtää tietoa omassa aikaikkunassaan. Samalla tavalla radiokanavien taajuudet osuvat tietyin väliajoin päällekkäin, jolloin paketti tuhoutuu.
Kytkeytymisaika vaikuttaa säätöön
Yhteydenmuodostumisaika voi tietyissä oloissa muodostua ongelmaksi. Teollisuussovellukset vaativat yleensä tiedossa olevaa suurinta arvoa kytkeytymisajalle. On kuitenkin mahdollista, ettei Bluetooth-laitteen kytkeytyessä voidakaan antaa suurinta kytkeytymisaikaa. Oheisessa kuvassa selvitetään Bluetooth-laitteen tiloja ja siirtymiä, jotka vaikuttavat yhteydenmuodostumisaikaan.
Bluetooth-laite lähettää INQUIRY-viestin valmiustilasta halutessaan kytkeytyä johonkin Piconet-verkkoon. Jos samanaikaisesti ympäristössä on riittävän voimakkaita häiriöpiikkejä, niin INQUIRY ei onnistu, vaan sitä täytyy yrittää uudestaan. Seuraavallakin kerralla voi käydä samalla tavalla. Tästä seuraa se, että kytkeytymisaika on vain todennäköisyys eikä maksimiaikaa voida taata. Voidaan ainoastaan laskea varmuusvälejä millä tasolla ja millä aikavälillä kytkeytyminen onnistuu.
Tilanne on samanlainen myös silloin, kun jo olemassa olevassa Piconet-verkossa on käytössä yksi tai kaksi SCO-kanavaa (Synchronous Control Oriented). SCO-kanavia käytetään puheen siirtoon ja ne voidaan mieltää piirikytketyksi tiedonsiirroksi. Jos on käytössä kaksi SCO-kanavaa kytkeytymisaika tähän Piconet-verkkoon on 95 prosentin varmuusvälillä 20 sekuntia. Vaikka tämä on jo sinällään pitkä aika, pahinta on se, että tämäkin on vain 95 prosentin varmuusvälillä.
Tiukemmalla varmuusvälillä kytkeytymisaika kasvaa nopeasti. Kytkeytymisajat yleensäkin ovat Bluetooth-teknologiassa suhteellisen pitkiä. Ideaalitapauksessa kytkeytyminen valmiustilasta aktiiviseen tilaan kestää Piconet-verkossa keskimäärin 2,56 sekuntia ja pisimmillään 5,12 sekuntia.
Yhteydenmuodostumisaika ei kuitenkaan tuota ongelmia, jos luovutaan SCO-kanavien käytöstä ja kaikki tarvittavat Bluetooth-laitteet pidetään aktiivisena joko seisonta- tai HOLD-toimintatilassa. Tällöin laitteet kytkeytyvät millisekunneissa ja suurin kytkeytymisaika on täysin laskettavissa.
Yhteensopivuus vähentää riskejä
Bluetooth-spesifikaatiossa on kiinnitetty paljon huomiota laitteiden yhteensopivuuteen ja kaikki toimet tähtäävät siihen, että kun laitteella on hyväksyntäleima, se pystyy kommunikoimaan toisten Bluetooth-laitteiden kanssa. Spesifikaatio on kuitenkin kovin monimutkainen ja on mahdollista, että on erilaisia käyttötapoja, jotka aiheuttavat sen, etteivät laitteet aina ole kykeneviä kommunikoimaan keskenään.
Voi käydä myös niin, etteivät laitevalmistajat haluakaan Bluetooth-leimaa laitteelleen, mutta antavat ymmärtää, että laite toimii kuten Bluetooth-laite. Tällöin voi kehittyä erilaisia käytäntöjä ja tuloksena voi olla se, ettei kaksi laitetta voikaan keskustella keskenään. Tämäntapainen käytäntöhän nähdään sarjaliikennestandardin RS232C:n tapauksessa. Kun laitteessa sanotaan olevan RS-liitännän, ei se vielä kerro, minkälainen kaapeli tarvitaan. Vastaavia kokemuksia riittää varmaan monilla.
Yhteensopimattomuus saattaa muodostua ongelmaksi ainakin alkuvaiheessa, kun uutta teknologiaa ryhdytään ottamaan käyttöön tehtaissa. Ongelma voidaan kiertää siten, että tehdas varustetaan vain niillä Bluetooth-laitteilla, joiden tiedetään toimivan keskenään. Tehtaassa kaikkien laitteiden ei tarvitse olla täysin yleiskäyttöisiä, vaan siellä siedetään myös osittaista yleiskäyttöisyyttä, jos laiteen käytöstä muuten seuraa lisäarvoa.
Koko ja tehonkulutus toisarvoisia
Bluetooth-laitteiden koko riippuu komponenttien integrointitekniikan kehityksestä. Kulunee vielä joitakin vuosia, ennen kuin kaikki oleelliset toiminnot saadaan yhdelle mikropiirille niin, että niitä pystytään toimittamaan suurissa erissä. Vastaavasti tehonkulutus pienenee integroinnin edetessä ja on pienimmillään, kun käytännöllisesti katsoen kaikki toiminnot ovat yhdellä mikropiirillä.
Koko ei ole useinkaan rajoittava tekijä teollisuuslaitoksissa, vaan laite voi olla myös kookas. Tehonkulutus ei myöskään ole merkittävä haitta teollisuudessa, sillä tarvittava määrä pistorasioita löytyy yleensä läheisyydestä.
Bluetooth-laitteiden hinnasta on tällä hetkellä vaikea sanoa paljon mitään, koska suurissa määrissä komponentteja ei ole saatavissa. Luultavaa on, että aluksi hinta tulee olemaan korkeahko, jolloin myös sovelluksien määrä jää rajalliseksi. Myöhemmin komponenttien saatavuuden parantuessa hintakin laskee. Nähtäväksi jää, jäävätkö komponenttitason lisäkustannukset viiden dollarin raja alapuolelle, kuten Bluetooth-yhteenliittymän tavoitteena on esitetty.
Bluetooth yleistyy teollisuudessa
Bluetoothilla tulee olemaan merkittävä asema myös teollisissa sovelluksissa. Tästä on nähtävissä jo ensimmäisiä vakavasti otettavia tuotedemonstraatioita. ABB on julkistanut Bluetoothia käyttävän automaatiojärjestelmän ohjaimen ja ruotsalainen Kvaser CAN-sillan, jossa kahden CAN-verkon välillä on Bluetooth-yhteys.
Tietynlaisen kehityksen vallitessa on mahdollista, että Bluetooth yleistyy aikaisemmin teollisessa käytössä kuin kuluttajapuolella. Näin voi käydä, koska teollisissa toiminnoissa on mahdollista käyttää erityisratkaisuja. Bluetooth voidaan mukauttaa tiettyyn toimintaan ja kiertää ongelmat edellä mainituilla keinoilla.
Se miten nopeasti Bluetooth yleistyy teollisuudessa, riippuu henkilöistä, jotka vastaavat uusien teknologien tuomisesta teolliseen liiketoimintaan. Heidän tulisi nyt tarkastella prosessejaan ja teollisia toimintojaan sekä miettiä, mitkä voisivat olla mahdollisia sovellluskohteita.
Tärkeintä ei olisi niinkään jonkin jo olemassa olevan tiedonsiirron korvaaminen Bluetooth-yhteydellä, vaan Bluetooth pitäisi tuoda sellaiseen käyttöön, missä sen avulla mahdollistetaan uusia toimintoja ja saadaan kilpailuetua markkinoilla. Siihen ei pelkkä Bluetooth-tuntemus riitä, vaan tärkeää on tuntea myös teollinen toiminta, johon Bluetooth ollaan tuomassa.
Aiheesta enemmän
VTT Automaatio / Koneautomaatio: www.vtt.fi/aut/kau
Bluetooth SIG: www.bluetooth.com
Bluetooth Forum: www.bluetooth.net
Bluetooth Resource Center: www.palowireless.com/bluetooth/
Ericsson: http://www.ericsson.se
Nokia: http://www.nokia.com/bluetooth/
Environmental problems are different in industry compared to the consumer applications. Often there is heat or cold, moisture and vibration and RF-noise present in industry. Also problems occur with long connection times in Bluetooth technology.
Heat, cold, moisture and vibration can be avoided by heating, warming, encapsulating and absorbing vibration. The drawback here is that then we lose some of the advantages of Bluetooth. Device cost is higher, it consumes more power and is not small in size.
RF-noise is a problem in industrial environment. And often there is no possibilities to reduce that noice. Only thing that can be done is to find best positions for devices so that connection is found between them.
Connection time is often long for industrial application. Typicl connection time from standby to active is 2.56s and maximum is 5.12s in ideal case. When there are used SCO-connections the connectiontime is PDF and there is no maximum connection time only confidence interval. This happens also when there is noise strong enough to interfere connection. This situation can be avoided by not to use SCO-channel and to keep all devices in active or in park states.
The range for 100mW is in open air about 100m. This is quite sufficient but in indutrial site there is often metal structures which block transmission. This can be handled by positioning devices so that connection in possible and to use extra devices as repeaters. Using these repeaters can cause problems as described in next paragraph.
Wide networks (SCATTERNETs) can case problems because when one device is a slave in two PICONETs it is possible that slots are on upon other in differenet PICONETs. Then for this particular slave it is impossible to answer or listen in this case.
It is possible that there comes Bluetooth products first in industrial application because solutions can be dedicated and therefore avoid problems which can hamper applications in consumer applications.
The project is belongs to the ETX programme and the contact person is Group Manager Olavi Karasti (olavi.karasti@vtt.fi) from VTT Automation / Machine Automation in Tampere.
Yhteystieto: olavi.karasti@vtt.fi
Tutkimushanke: InBlue - Bluetooth teollisuusympäristössä.
Yhteistyössä: VTT Automaatio, ABB, Aplicom, Elektrobit, Nokia Mobile Phones ja Satel.
Teknologiaohjelma: ETX