Ein ESP-NOW basiertes Mesh-Netzwerk für Smart-Home-Anwendungen

Abstract

Im Zuge dieser Bachelorarbeit wurde eine Analyse von ESP-WIFI-MESH - einer Mesh-Netzwerk-Lösung für die ESP32-Plattform - durchgeführt und ein alternativer Ansatz zur Konzeption eines Mesh-Netzwerks für die ESP32-Plattform formuliert. Durch die bei ESP-WIFI-MESH verwendete Baumtopologie kann ein Knoten nur mit seinem Elternund Kindknoten direkt kommunizieren, nicht jedoch mit anderen Knoten, die sich in Funkreichweite befinden. Zudem führt der Ausfall eines Knotens im Netzwerk auch zum Ausfall seines Teilbaums. Damit kann der Root-Knoten kurzfristig einen Single Point of Failure darstellen. Als Alternative dazu wurde ein dezentral organisiertes Mesh-Netzwerk mit einer Mesh-Topologie entwickelt, das aufgrund der Mesh-Topologie kürzere Wege zwischen benachbarten Knoten ermöglichen soll. Zudem soll die dezentrale Organisation des Netzwerks Ausfälle einzelner Knoten schneller kompensieren können. Dazu wurde eine geeignete Kommunikationstechnologie mit groÿer Kompatibilität innerhalb der ESP32-Mikrocontroller-Familie (ESP-NOW) sowie ein geeignetes Routing-Protokoll (BATMAN IV) gewählt. Auf Grundlage dessen wurde ein Protokoll für den Austausch von Routing-Informationen und Nutzdaten im Mesh-Netzwerk entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Lösung kürzereWege bei benachbarten Knoten finden kann, eine geringere Round Trip Time sowie Startzeit des Netzwerks aufweist und darüber hinaus Ausfälle einzelner Knoten schneller kompensieren kann als ESP-WIFI-MESH.

As part of this bachelor thesis, an analysis of ESP-WIFI-MESH - a mesh network solution for the ESP32 platform - was performed and an alternative approach to designing a mesh network for the ESP32 platform was proposed. Due to the tree topology used in ESP-WIFI-MESH, a node can only communicate directly with its parent and child nodes, but not with other nodes that are within its wireless range. Moreover, the failure of a node in the network also leads to the failure of its subtree. Thus, the root node can represent a single point of failure that results in the short-term failure of the entire network if it fails. As an alternative, a decentrally organized mesh network with a mesh topology has been developed, in which the mesh topology allows for shorter paths between neighboring nodes. In addition, the decentralized organization of the network should be able to compensate for failures of individual nodes more quickly. For this purpose, a suitable communication technology with high compatibility within the ESP32 microcontroller family (ESP-NOW) and a suitable routing protocol (BATMAN IV) were chosen. Based on these, a protocol for the exchange of routing information and payload data in the mesh network was developed. The results show that the developed solution can find shorter paths across neighboring nodes, has a lower round trip time and network startup time, and can also compensate for failures of individual nodes more quickly when compared to ESP-WIFI-MESH.