WLAN en Bluetooth hebben een beperkte bandbreedte, conventionele draadloze communicatie problematisch maken in de productieomgeving. Hoe dan ook, tal van componenten zoals sensoren en robots moeten draadloos met elkaar worden verbonden. Om deze uitdaging te overwinnen, een team van onderzoekers van Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo werkt aan oplossingen met hulp van de Ostwestfalen-Lippe (OWL) University of Applied Sciences and Arts. Spoedig, Het is te hopen dat machines in fabrieksgebouwen met lichtpulsen met elkaar gaan communiceren. Deze technologie is niet nieuw, maar nu moet het worden aangepast voor gebruik in de industrie.

Zelfrijdende transportsystemen, lopende banden, motoren, robotten, sensoren, drones, bewakingssystemen, mobiele toestellen, en een breed scala aan machines en apparatuur - ze communiceren allemaal met elkaar en wisselen gegevens uit in de productieomgeving. Ze worden vaak op verschillende locaties geïnstalleerd en gebruikt, een draadloze verbinding onmisbaar maken - en deze moet soepel werken om productiestilstand te voorkomen. We genieten al lang van de voordelen van draadloze verbindingen zoals WLAN (WiFi) en Bluetooth in ons professionele en persoonlijke leven, maar in de productie, conventionele draadloze communicatie nadert zijn grenzen:WLAN en Bluetooth hebben een beperkte bandbreedte. Gezien het groeiend aantal gebruikers, ontvangers en apparaten, het draadloze spectrum is overbelast. Hoewel 5G-technologie dit probleem zal verlichten, de onderzoekers van Fraunhofer IOSB-INA in Lemgo, de afdeling industriële automatisering van het Fraunhofer Institute for Optronics, Systeemtechnologieën en beeldexploitatie IOSB, geloven dat er een effectievere en licentievrije manier is om de uitdagingen van communicatie in de productieomgeving te overwinnen. Ze pakken het anders aan en hebben voor draadloze datatransmissie gekozen voor het zichtbare lichtspectrum. Experts noemen deze technologie zichtbaar-lichtcommunicatie (VLC, zie kader). "Het lichtspectrum is ongeveer 4000 keer breder dan het gehele beschikbare draadloze spectrum. Het varieert van golflengten van 380 tot 800 nanometer, " zegt Daniël Schneider, een onderzoeker bij Fraunhofer IOSB-INA. Samen met zijn collega's en OWL Hogeschool, hij werkt eraan om VLC naar de industrie te brengen. Onderzoekswerkzaamheden aan het project "Zichtbaar licht in productie", gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Economische Zaken en Energie (BMWi) - een industrieel gezamenlijk onderzoeksproject geleid door de Duitse onderzoeksvereniging voor automatisering en micro-elektronica (DFAM) - begonnen al een jaar geleden .

Gebrek aan studies over voorwaarden voor VLC in de industriële omgeving

VLC wordt al gebruikt in kantoren, huizen en laboratoria en, sinds kort, het wordt ook gebruikt om indoor navigatiesystemen in winkelcentra te implementeren. Fabrieksgebouwen, echter, waar veel meer storingsbronnen zijn, vormen belangrijke uitdagingen voor communicatietechnologie die nog niet voldoende diepgaand zijn bestudeerd. "Als alternatief voor conventionele draadloze netwerktoegang, we gebruiken in de handel verkrijgbare, energiezuinige leds voor onze oplossing voor zichtbaar lichtcommunicatie. De sleutel is om een ​​systeem op te zetten dat bestand is tegen zoveel mogelijk interferentie, ", zegt Schneider. Dit soort systeem is betrouwbaar bij dekkingsproblemen door muren, metalen voorwerpen, machines en andere storende signalen kunnen worden overwonnen. "Kunstmatige verlichting, schaduweffecten en reflecties kunnen de gegevensoverdracht door licht beïnvloeden. In samenwerking met vijf industriële bedrijven, we hebben metingen gedaan om te analyseren in hoeverre ze dat doen, en in welke gebieden en hoeveelheden." Onder andere tools voor de tests, ze gebruikten een spectrometer die om twee assen kan worden gedraaid en die de ruimtelijke verdeling van de storingsbronnen meet. De meetcampagne richtte zich op in totaal drie beïnvloedende factoren:omgevingslicht, deeltjes en omgevingsreflecties, die experts ook wel multipath scattering noemen.

Lichtreflecties interfereren met gegevensoverdracht

Uit de tests bleek dat stofdeeltjes geen probleem vormen voor optische signalen. "Fabrieksgebouwen zijn normaal gesproken goed geventileerd, dus de typische deeltjesconcentraties absorberen het lichtsignaal niet in relevante mate, ", zegt de onderzoeker. Ook langzaam rijdende mensen en voertuigen (0,2 m/s) belemmeren de signaalkwaliteit niet. Omgevingslicht, anderzijds, beïnvloedt het gehele optische spectrum. De projectpartners identificeerden in totaal tien modellen waarvan de lichtomstandigheden VLC-systemen beïnvloeden. Onder hen zijn lasprocessen en tl-buizen, evenals optische volgsystemen, maar de effecten hiervan zijn strikt lokaal en hebben geen invloed op de omgeving. Daarom, volgens de testresultaten, VLC-systemen moeten adaptief kunnen reageren op lichtomstandigheden om dit soort interferentiefactoren te minimaliseren. De onderzoekers identificeerden ook multipath-verstrooiing als een interferentiefactor:"Een lamp straalt licht uit in meerdere richtingen, en dit licht bereikt de ontvanger via reflecties. Als deze reflecties sterk variëren, dan bereikt het licht de ontvanger op verschillende tijdstippen en met verschillende mate van absorptie. Dit vervormt het bruikbare signaal in het nanosecondebereik en verlaagt de transmissiekwaliteit, " legt de onderzoeker uit. Op basis van de kwantitatieve meetresultaten, Schneider en zijn team ontwikkelen omgevingsadaptieve VLC-systemen voor industrieel gebruik.

Geen kans op gegevensdiefstal

VLC biedt niet alleen grotere bandbreedtes dan WLAN, het zorgt ook voor gegevensbeveiliging. Draadloze signalen gaan door muren, zodat communicatie buiten fabrieksgebouwen kan worden onderschept en gemanipuleerd. Dit kan niet met licht. Potentiële aanvallers hebben hier geen kans. Een ander voordeel is dat VLC het mogelijk maakt om draadloos meer dan 1000 apparaten met elkaar te verbinden. "Zodra we het ideale ontwerp voor ons VLC-systeem hebben vastgesteld op basis van onze meetcampagne, we zullen meer dan 1000 apparaten op één locatie kunnen bedienen op een manier die energie bespaart, beveiligd is tegen onderschepping en ongevoelig is voor elektromagnetische velden, " zegt de onderzoeker van Lemgo. Afgezien van de plafondverlichting, de vereiste hardware is naar verwachting beperkt tot een internetverbinding en een op het eindapparaat aangesloten zendontvanger. De bestaande demonstrator wordt momenteel getest onder real-life omstandigheden in de SmartFactoryOWL in Lemgo. Beide, grote bedrijven en het MKB, zullen naar verwachting al medio 2021 profiteren van het voltooide systeem.