Datenübertragung mit Infrarotlicht

Maschinen kommunizieren mit Infrarotlicht

Ein Kennzeichen der Industrie 4.0 sind die großen Datenmengen, die bei der Vernetzung der Produktionsprozesse anfallen. Bisher fließen die Datenströme überwiegend über Kabel, die jedoch in industriellen Prozessen oft hinderlich sind und zudem verschleißen können. Eine drahtlose Übertragung per WLAN ist keine Alternative, weil sie zu langsam ist. Ingenieure am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS haben ein Modul entwickelt, mit dem sich Daten schnell und sicher per Infrarotlicht übertragen lassen.


In vielen industriellen Fertigungsprozessen hat die so genannte Industrie 4.0 bereits Einzug gehalten. Nicht mehr die Massenproduktion, sondern kleine Serien bis hin zum individualisierten Produkt sind gefragt. Die Voraussetzungen für die Produktionsarbeit der Zukunft sind dezentralisierte Herstellungsprozesse mit laufend überwachten Produktionsketten durch Maschine-zu-Maschine-Kommunikation. Sensoren, Maschinen, Steuer- und Regeleinheiten kommunizieren miteinander und tauschen dabei enorme Datenmengen aus. Bisher wird der Datentransfer fast ausschließlich über Kabel realisiert, denn funkbasierte Datenübertragung über WLAN ist nicht effizient und zu langsam. Zudem ist sie auch nicht sicher vor Störungen im Funknetz oder unberechtigten Zugriffen. Die Nachfrage nach drahtlosem Datenaustausch wächst mit den Anforderungen an hohe Datenraten, Robustheit, geringen Energieverbrauch, Datensicherheit und Netzwerkfähigkeit.

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden setzt auf die Datenübertragung via Infrarotlicht. Übertragungsraten von bis zu 12,5 Gigabit pro Sekunde auf kurzen Distanzen und bis zu 1 Gigabit pro Sekunde bei Entfernungen von bis zu 30 Metern sind bereits möglich.

Die Vorteile von drahtlosen Systemen liegen insbesondere bei beweglichen oder bewegten Anlagenteilen in der höheren Zuverlässigkeit und Sicherheit im Gegensatz zu verschleißanfälligen und teuren Spezialkabeln. Mit dem drahtlosen Kommunikationsmodul entfallen auch teure Umrüst- und Wartungsarbeiten. Dadurch lassen sich auch deutliche Kosteneinsparungen in der Montage und Instandhaltung erzielen.

Die Forscher im Team »Optical Wireless Communication« unter Leitung von Dr. Frank Deicke entwickelten ein Kommunikationsmodul, das sich nach dem Plug-and-Play-Prinzip einfach in bestehende Steuerungssysteme und Maschineninfrastrukturen integrieren läßt. Der auf Li-Fi Technologie basierende Transceiver ersetzt dort die verschleißanfälligen Hochfrequenz-Steckverbinder und ermöglicht damit eine bessere Board-to-Board Kommunikation. Hochfrequente Signale können so schneller und zuverlässiger zwischen zwei Leiterplatten übertragen werden. Die derzeit kleinstmögliche Bauform des Transceivermoduls hat die Ausmaße von gerade mal 2 x 2 x 2 Millimeter. Geeignet ist das Transceivermodul vor allem für Industrieanwendungen, bei denen große Datenmengen sehr schnell übertragen werden müssen, die HF-Steckverbindungen den mechanischen Anforderungen oder der Zuverlässigkeit aber nicht mehr genügen.

Der Transceiver steht Kabel- oder Steckverbindungen in nichts nach und ist auch gegenüber verfügbaren Funklösungen bis zu zehnmal schneller. Weitere Vorteile sind die vernachlässigbaren Bitfehlerraten (<10-11), der niedrige Energiebedarf sowie die geringen Kosten. Außerdem bietet die Infrarot-Datenübertragung einen hohen Sicherheitsgrad. Im Gegensatz zu Funkwellen senden die Lichtwellen nur in einem begrenzten Lichtkegelbereich. Ein lichtundurchlässiger Sichtschutz reicht aus, um die Daten vor Industriespionage zu schützen.

Datenübertragung mit Infrarot auf einen Blick:

  • Datenübertragungsraten von bis zu 12,5 GBit/s auf kurzen Distanzen
  • Datenübertragungsraten von bis zu 1 GBit/s auf Entfernungen bis zu 30 Metern
  • Applikationsspezifische Transceiver in der derzeit kleinstmöglichen Bauform von 2x2x2 Millimeter
  • Kleine Bitfehlerraten <10-11