NeoMesh: snáze ke složitým sítím

Nový protokol NeoMesh pro bezdrátovou komunikaci usnadňuje výstavbu rozsáhlých autonomních a dynamicky se měnících sítí IoT. Zakládá se na osvědčených sítích typu mesh a umožňuje snazší integraci nových síťových uzlů. 

Vývojáři dánské firmy NeoCortec měli velké ambice: jejich protokol NeoMesh má být na trhu nejvšestrannější a nejlépe použitelný pro zařízení internetu věcí napájená z baterií. Vsadili na škálovatelnost, autonomní provoz a dynamickou konfiguraci, protože to jsou vlastnosti, které vývojářům aplikací pro bateriově napájená zařízení nejvíce ulehčují život. Přitom jim nešlo jen o návrh sítí „na zelené louce“, ale také o to, aby splnili požadavky na implementaci např. při rozšíření sítě nebo výměně jednotlivého komunikačního uzlu. A rovněž bylo bráno v úvahu také to, aby sítě NeoMesh byly co nejvíce přizpůsobivé a umožňovaly provoz i tam, kde se topologie sítě dynamicky mění. 

Vylepšená síť mesh

K tomu, aby dosáhli těchto cílů, vylepšili vývojáři sítě, které se v oblasti kabelových komunikačních sítí používají již desetiletí: mesh. V bezdrátovém světě měly sítě mesh na začátku problémy, mimo jiné s ohledem na škálovatelnost a energetickou náročnost. Síť NeoMesh se s těmito problémy vypořádala, a představuje proto novu generaci sítí mesh, která je přitažlivou variantou např. k sítím LoRa nebo Sigfox.

Toto jsou tři základní rysy sítí NeoMesh:

• síť se snadno vytváří, mění a rozšiřuje: síť NeoMesh se nastavuje a spravuje sama, dynamicky se přizpůsobuje měnícím se podmínkám a může být bez problémů rozšiřována,
• nízké náklady na údržbu a dlouhodobá funkčnost: uzly NeoMesh jsou napájeny z baterií, mají dlouhou provozuschopnost a vytvářejí sítě vysoce odolné proti poruchám,
• snadná integrace, žádné skryté náklady: moduly NeoMesh jsou navržené tak, aby jejich integrace do produktů byla co nejjednodušší a náklady zůstaly pod kontrolou. 

Patentovaný protokol

Koncept bezdrátové ad hoc sítě typu mesh NeoMesh je založen na patentovaném protokolu pro bezdrátové automaticky se spravující sítě mesh s velmi malou spotřebou, který zaručuje bezpečný a spolehlivý provoz sítě snímačů s až 64 000 koncovými uzly. Podle svých požadavků si může uživatel vybrat mezi třemi variantami bezdrátových předem nakonfigurovaných modulů s rozměry 11 × 18 × 2,5 mm pro frekvenční rozsahy 2,4 GHz (ISM), 868 MHz (SRD)/915 MHz (ISM) nebo 433 MHz, které umožňují jednotlivým uzlům sítě fungovat naprosto autonomně.

Především v případě, kdy není třeba permanentní výměna dat v reálném čase, např. když se měřená hodnota aktualizuje v minutových až hodinových intervalech, je možné takto realizovat sítě snímačů IoT s baterio­vým napájením a velmi dlouhou provozuschopností. Protokol zajišťuje synchronizaci uvedení celé sítě do stavu spánku, takže výdrž baterií může být až několik let.

Kromě automatické správy je v síti zajištěno také automatické routování, takže dodatečné rozšíření, přestavby sítě nebo provoz mobilních senzorů nejsou spojeny s žádnými dodatečnými náklady.

To vše znamená, že sítě NeoMesh jsou zvláště vhodné pro úlohy, kdy se síť v průběhu jejího provozu dynamicky mění a současně jsou kladeny velké požadavky na dlouhodobou stabilitu provozu a robustnost zařízení.

K tomu je třeba ještě dodat, že provozovatel má nad sítí plnou kontrolu. Znamená to, že provoz není spojen s žádnými poplatky operátorům ani s pravidelně opakovanými platbami licenčních či tarifních poplatků. 

Výstavba sítě je jednoduchá

Navrhnout síť NeoMesh, změnit ji nebo doplnit je pro vývojáře velmi snadné. Správa sítě a routování jsou v maximální míře zautomatizovány. Nové uzly jsou do sítě připojovány zcela automaticky prostřednictvím patentovaného postupu pro matchmaking. Všechny uzly jsou autonomní jednotky, které jsou předem naprogramované tak, aby podle potřeby dynamicky měnily svou úlohu jako zdroj dat, router nebo místo určení dat. Není k tomu třeba žádná hierarchie uzlů nebo hierarchická infrastruktura sítě. Architektura sítě se může dynamicky měnit. Uzly mohou podle potřeby měnit svoji pozici a není nutné předem stanovit žádnou topologii sítě. 

Robustní a s dlouhodobou provozuschopností

Uzly NeoMesh nejsou závislé na síťovém napájení a vytvářejí komunikační síť, která je velmi odolná proti poruchám.

Na pozadí kontinuálně běží proces optimalizace routování uzlů. Každý uzel průběžně a v reálném čase vyhledává nejlépe dostupný rádiový signál a současně jím posílá do sítě data. Jestliže se uzel přemístí na novou pozici nebo se v přenosové trase vyskytne překážka, v reálném čase se vyhledá nové spojení.

NeoMesh je síť, která je plně napájena z baterií. Vzhledem k tomu, že provoz uzlů je energeticky velmi úsporný, může síť bez problémů pracovat celé roky bez závislosti na vnějších zdrojích napájení.

Z hlediska zabezpečení je NeoMesh na úrovni kabelových sítí: přenášená data jsou šifrována algoritmem AES128. Je-li navíc při výměně dat mezi vysílačem a přijímačem zvolen příslušný mechanismus potvrzování zpráv při komunikaci end-to-end, je zajištěno bezchybné přijetí všech odeslaných paketů. 

Jednoduchá integrace, žádné dodatečné náklady

Bezdrátový modul NeoMesh (obr. 1) je koncipován tak, aby usnadňoval návrh produktů, jichž bude součástí. Na výběr jsou tři varian­ty se třemi frekvenčními rozsahy. Všechny tři (2,4 GHz, 868/915 MHz, 433 MHz) však mají stejný půdorys a stejné rozhraní. Tímto způsobem mohou koncové produkty používat kterýkoliv z modulů NeoMesh bez toho, že by bylo nutné cokoliv znovu konstruovat.

Navíc jsou moduly vybaveny všemi požadovanými knihovnami, které usnadňují integraci do koncového produktu. Mimo to není provoz sítě NeoMesh spojen s žádnými tarifními poplatky. Znamená to, že uživatel není zatížen žádnými pravidelnými platbami a má provoz sítě plně pod svou kontrolou. Sítě NeoMesh tak mohou přenášet v podstatě neomezené objemy dat – den po dni, bez závislosti na předem sjednaném objemu dat nebo konfiguraci sítě.

Se sítěmi NeoMesh lze velmi rychle rea­lizovat a uvést na trh řešení např. napojení existujících měřicích zařízení do sítě, propojení decentrálních zdrojů elektřiny (obr. 3), propojení inteligentních zařízení v budovách, různé úlohy v zemědělství, v oblasti chytrých měst apod.

V praxi se již používá několik konkrétních úloh s využitím sítí NeoMesh a další se připravují. 

Schildknecht DATAEAGLE

Jedním z příkladů je firma Schildknecht AG, výrobce a integrátor systémů pro přenos dat v průmyslu. Loni na podzim na veletrhu SPS IPC Drives v Norimberku představila nový produkt využívající protokol NeoMesh. Jde o I/O modul s bezdrátovou komunikací DATAEAGLE X-treme IO 2730.

Tento modul umožňuje změnit snímače připojené kabelem na bezdrátové. To je zvláště výhodné v místech, kde je velmi málo montážního prostoru nebo která jsou těžko přístupná, popř. na pohyblivých částech stroje. Signál ze snímačů se přenáší do I/O modulu a odtud bezdrátově do komunikační brány DATAEAGLE compact 2730, která tvoří druhý konec komunikačního kanálu. Tím je dosaženo bezdrátové integrace měřené hodnoty ze senzoru do řídicího systému nebo do cloudu. 

NeoMesh pro záchranáře

Dánská firma LinkAiders nyní pracuje na vývoji bezdrátového komunikačního modulu pro oblasti postižené živelními pohromami. Společně s dánským Červeným křížem vyvinula zařízení Reachi – komunikační modul pro záchranáře napájený z baterie a odolný proti nárazu i vodě. Reachi dává záchranářům možnost z oblastí postižených katastrofou, kde není k dispozici ani elektřina, ani telefonní síť, odesílat hlášení o škodách a potřebě pomoci.

Prototypy zařízení Reachi již byly dvakrát otestovány na Filipínách. V roce 2018 bude zahájen pilotní provoz jednoho tisíce zařízení Reachi, také na Filipínách. Jedna z nejdůležitějších vlastností zařízení Reachi zde bude testována ve zvlášť náročných podmínkách: zařízení dohromady vytvoří dynamickou a flexibilní síť mesh.

Kompletní síť bude rozdělena do podúseků a v každém z nich může být až 1 000 záchranářů, každý se svým zařízením Reachi. Pro tuto rozlehlou úlohu byl vyvinut speciální rádiový modul s dosahem 2,5 km.

Každá dílčí síť obsahuje komunikační bránu NeoMesh-Gateway, která odesílá data prostřednictvím satelitního spojení. Tímto způsobem je možné odesílat důležité informace pomáhajícím organizacím i v případě, že je v místě zcela zničena komunikační i rozvodná síť. 

Transport peněz

Jiný příklad použití je z jižní Afriky. Místní firma, která se specializuje na převozy peněz a cenností, testuje řešení na základě NeoMesh, jehož úkolem je zprostředkovat informace o transportních boxech. Protože společnost má několik skladů, potřebuje mít pro zajištění efektivní logistiky přesný přehled o tom, kde se nacházejí prázdné boxy. Proto je každý box vybaven senzory, jež zjišťují jeho polohu a prostřednictvím sítě NeoMesh předávají informace do dohledového centra. 

Záchranné prostředky

Globální dodavatel záchranných prostředků, sídlící v Dánsku, používá senzory s rádiovou komunikací ve svém systému pro řízení evakuace lodi. Systém v případě nouze navádí pasažéry lodi k záchranným skluzům vedoucím do záchranných člunů. Protože kaž­dým skluzem může v daný okamžik sjíždět jen jeden pasažér, je třeba zajistit, aby před tím, než jej použije další pasažér, předchozí pasažér skluz uvolnil. Každý skluz je proto vybaven snímačem napájeným z baterií a vybaveným rádiovým rozhraním. Tento snímač dává signál pasažérovi nahoře, že už může skluz použít. Jestliže svítí červené světlo, znamená to, že skluz je obsazen. Jakmile se rozsvítí zelená, může čekající osoba nastoupit do skluzu a bezpečně se dostat do záchranného člunu. 

Závěrem

V době, kdy se internet věcí vyvíjí z pouhého hesla do podoby techniky běžně používané v praxi, snaží se vývojáři vytvořit systémy snímačů, které nejen mnoho slibují, ale také jsou skutečně funkční a splňují vysoké požadavky na bezpečnost, robustnost a dynamiku. Současné hlasité diskuse o tom, který z mnoha standardů IoT na trhu je nejlepší, vedou k tomu, že mnozí výrobci agresivně označují své řešení za nejlepší pro danou oblast použití. Do tohoto babylonu vnáší Neo­Mesh něco specifického: řešení vhodné pro dlouhodobou provozuschopnost, robustní, dynamické, škálovatelné a odolné proti chybám, které je optimální pro systémy snímačů napájené z baterií. Nic víc, ale nic méně.

Další informace: www.neocortec.com.

[Arne Vollertsen: Leichter zum komplexen Netz. Tisková zpráva firmy NeoCortex A/S, 2018.]

(Překlad a úprava: redakce) (NeoCortex)

Obr. 1. Vývojový modul pro síť NeoMesh

Obr. 2. Modul NeoMesh integrovaný do komunikační brány

Obr. 3. Jednou z možností použití je dohled nad decentralizovanými zdroji elektřiny

NeoMesh na veletrhu Embedded World

Na veletrhu Embedded World letos v únoru v Norimberku jsem navštívil stánek dánské firmy NeoCortec. Jejich bezdrátová síť NeoMesh mě zaujala, protože může najít hodně uplatnění v oblastech, jako jsou řízení dopravy a logistiky, městské infrastruktury, zemědělství, ale i v průmyslu. Síť NeoMesh byla dokonce nominována na ocenění Embedded World Award. Přestože hlavní cenu nakonec nezískala, už nominace je na úrovni „čestného uznání“. Porota totiž ze všech přihlášených před veletrhem vybere v každé kategorii pouze tři nominované a teprve z nich první den veletrhu zvolí v každé ze tří kategorií jednoho vítěze. Přehled nominovaných a oceněných zájemci najdou v tab. 1.

Ve stánku mi zástupci firmy o síti NeoMesh povídali velmi poutavě. Nevím, zda článek, který mi potom poslali, nebude pro naše čtenáře příliš obecný. Zajímají-li vás podrobnosti, jako např. dosah, způsob zabezpečení, koexistence s jinými sítěmi apod., doporučuji navštívit jejich webové stránky.

(Bk)

Tab. 1. Nominované a oceněné produkty v soutěži Embedded World Award (vítězné produkty jsou uvedeny jako první a zvýrazněny tučně)