🥇4G-Router als universeller Server für IoT

Router der Serie ICR-3200 sind dafür konzipiert, die klassische Kombination aus Einzelplatinencomputer + Modem + Router zu ersetzen. Jetzt kann die gesamte erforderliche Logik direkt auf dem Router ausgeführt werden. Mit einem leistungsstarken ARM-Prozessor, 512 MB RAM und etwa 2 GB internem Flash-Speicher kann auf dem Router sogar ein Node.js-Server betrieben werden!

Serielle RS-232/485-Schnittstellen sind ebenfalls in den Router integriert und sofort im Betriebssystem mit vollem Root-Zugriff verfügbar. Eine offene Umgebung zur Erstellung eigener Programme und C/C++-Bibliotheken für die Arbeit mit der Low-Level-Hardware-API ist ebenfalls vorhanden.
Die Deep-Sleep-Funktion hilft, Energie zu sparen, wenn der Router mit Akku betrieben wird: Der Router kann nur dann aktiviert werden, wenn die Verbindung tatsächlich benötigt wird.

In diesem Artikel werden wir interessante Funktionen des Geräts erörtern und praktisch mit der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle aus Shell-Skripten arbeiten.

Technische Spezifikationen

Router der Serie ICR-3200 werden auf einer einheitlichen Hardware-Plattform umgesetzt und bieten fünf Modelle, die sich in den LTE-Frequenzbereichen, der Verfügbarkeit von Wi-Fi und Geolokalisierung (GNSS) unterscheiden. Die Geräte werden als Ersatz für eine Kombination aus Einplatinencomputer und Router positioniert. Ein leistungsstarker Prozessor und ein großer Arbeitsspeicher ermöglichen es, ressourcenintensive Benutzeranwendungen direkt auf dem Router auszuführen.

Cortex-A8 Prozessor — Taktfrequenz 1 GHz, 32-Bit-Architektur
512 MB RAM
Flash-Speicher von 1,5 bis 4 GB — zur Speicherung von Benutzerdaten
Ein- und Ausgänge — RS-232/485-Schnittstellen und digitale Ein- und Ausgänge stehen für Benutzeranwendungen zur Verfügung

Besonders hervorzuheben ist das Modell ICR-3211B, das nach dem LTE Cat. M1-Standard arbeitet (NB-IoT). Das LTE Cat. M1-Protokoll wurde speziell für M2M-Lösungen entwickelt, bietet eine niedrige Datenübertragungsrate (375 kb/s) sowie eine größere Reichweite und verbesserte Stabilität unter schwierigen Innenraumbedingungen. Der Router verfügt über einen Superkondensator, der es dem Gerät ermöglicht, kurze Zeit nach dem vollständigen Stromausfall zu arbeiten.

Tiefschlafmodus

Der Tiefschlafmodus ermöglicht es dem Router, in einen Zustand zu versetzen, in dem alle Prozesse eingefroren und die Hardware ausgeschaltet ist, um Energie zu sparen. In diesem Zustand sind alle Funktionen des Geräts deaktiviert, und von außen sieht es vollständig ausgeschaltet aus. Der Energieverbrauch in diesem Modus beträgt nicht mehr als 10 mW.

Im Schlafmodus verbraucht der Router so gut wie keine Energie und wacht innerhalb von 3 Sekunden auf.

Wenn der Router zur Datenübertragung aufgeweckt werden muss, wacht er in etwa 3 Sekunden auf.Natürlich benötigt er zusätzliche Zeit, um das Modem im Mobilfunknetz zu registrieren, jedoch ist dies erheblich schneller als das Hochfahren des Routers von Grund auf. Diese Option ist nützlich für Systeme mit autonomer Stromversorgung, die sich die meiste Zeit im Standby befinden und gelegentlich aktiviert werden, um aktive Aufgaben zu erledigen, wie z. B. Alarmierung oder Backup-Blockierung.

Wecken und Schlafen

Die Steuerung des Schlafens und Aufweckens erfolgt über das Modul Schlafmodus.

Es gibt 2 Möglichkeiten zur Steuerung des Schlafmodus:

Über den digitalen Eingang — In diesem Modus wird der Router von einem externen Gerät, wie einem Mikrocontroller, gesteuert. Bei einem LOW-Signal an dem digitalen Eingang schläft der Router ein, und bei einem HIGH-Signal wacht er auf oder umgekehrt. Außerdem kann ein Timeout zum Schutz vor versehentlichen Umschaltungen konfiguriert werden.
Über den internen Timer — Der Router misst die Zeit und schläft/wacht zu den festgelegten Zeiten. Das ist praktisch für einmalige Operationen oder das Laden von Daten über einen bestimmten Zeitraum.

Benutzeroberfläche zur Konfiguration des Tiefschlafmodus

Funktion „Letzter Atemzug“

Ein Stromausfall am Remote-Standort kann besonders ärgerlich sein, da oft unklar bleibt, warum die Verbindung zum Standort unterbrochen ist. Die Funktion „Letzter Atemzug“ ermöglicht es dem Router, eine Zeit lang nach vollständiger Abschaltung der Stromversorgung zu arbeiten und eine Nachricht zu senden, dass ein Ausfall aufgetreten ist und die Notstromversorgung nicht aktiviert wurde. Dank des integrierten Superkondensators, dessen Kapazität wesentlich höher ist als die von Batterien, ist dieser wartungsfrei und muss nicht ersetzt werden. Dies ist nützlich für Backup-Systeme, in denen Ausfälle möglich sind und es wichtig ist, den Moment des vollständigen Spannungsverlusts nachzuvollziehen.

Der Router sendet ein Signal über einen Stromausfall, selbst nach einem kompletten Stromausfall.

Um auf das Ereignis eines Stromverlustes korrekt zu reagieren, muss man irgendwie darüber informiert werden.
Die aktuelle Versorgungsspannung kann entweder über den Shell-Befehl status sys:

$ status sys
Firmware-Version : 6.1.10 (2019-07-02)
Seriennummer       : ACZ1100000623519
Profil            : Standard
RTC-Batterie      : Ok
Versorgungsspannung: 12,3 V # ← Versorgungsspannung
Temperatur        : 37 C   # ← Temperatur im Gehäuse
Zeit              : 2019-08-16 16:21:18
Betriebszeit      : 0 Tage, 11 Stunden, 43 Minuten

oder über die Hardware-Unix-I/O-Steuerung (ioctl) sowie ein Programm in C/C++ oder einer anderen Sprache abgerufen werden.
In der Tabelle sind die Adressen der benötigten Hardwareregister aufgeführt. Die aktuelle Versorgungsspannung wird als Ganzzahl in Millivolt zurückgegeben. Die Verwendung einer Low-Level-API ist in diesem Fall für eine schnellere Reaktion bevorzugt, im Vergleich zu Shell-Skripten. Detaillierte Informationen zur Hardwareprogrammierung finden Sie im Entwicklerhandbuch.

ioctl-Anfrage, die die aktuelle Versorgungsspannung liefert.

Serielle Schnittstellen

Der Router verfügt über zwei serielle Schnittstellen: RS-232 und RS-485. Diese ermöglichen den direkten Anschluss von Peripheriegeräten an den Router, ganz ohne zusätzliche Verkabelung. Dabei kann auf dem Router ein vollwertiger Node-RED oder Node.js Server betrieben werden, wodurch nur ein Gerät für die Umsetzung eines einfachen Automatisierungssystems benötigt wird, ganz ohne zusätzliche Computer und Controller.

Standardmäßig sind beide Schnittstellen als herkömmliche serielle Geräte in Linux verfügbar:

ls -la /dev/ttyS*
crw-------    1 root     root      251,   0 Jan  1  1970 /dev/ttyS0 # ← port rs-232
crw-------    1 root     root      251,   1 Jan  1  1970 /dev/ttyS1 # ← port rs-485 
crw-------    1 root     root      251,   5 Jan  1  1970 /dev/ttyS5 # ← nicht verbunden

Alle Standardbibliotheken unterstützen diese Geräte ohne zusätzliche Konfiguration, einschließlich des Moduls Modbus-RTU2TCP und anderen.

Benutzerdefinierte Module

Die Funktionalität des Geräts kann durch benutzerdefinierte Module erweitert werden: dies ist eine vereinfachte Version von Paketen, nur ohne Paketmanager. Eine vollständige Liste der verfügbaren Module finden Sie auf der Website. https://advantech-bb.cz/products/software/user-modules.

Module werden manuell installiert, indem die Paketdatei über die Weboberfläche hochgeladen wird:

Aktuell stehen 73 Module zur Verfügung. Hier sind einige interessante davon:

Node-RED — ein beliebtes Werkzeug zur Integration verschiedener industrieller Protokolle in ein umfassendes System.
Nodejs — ein vollständiger Node.js-Server. Mit viel RAM und einem leistungsstarken Prozessor können ressourcenintensive Anwendungen direkt auf dem Router ausgeführt werden!
Python2/3
Web-Shell — ermöglicht die Arbeit in der Konsole über den Browser.
Azure IoT SDK Python — eine Sammlung von Werkzeugen zur Entwicklung von Anwendungen für Microsoft Azure IoT Hub.

Da die Firmware der Router offen ist, können Entwickler eigene Module, einschließlich solcher mit Web-Oberfläche, schreiben. Hilfsmaterialien sind verfügbar im Modulschreibhandbuch und und im Entwicklerbereich auf der Website des Unternehmens. Für die einfache Paketassembly steht eine fertige Umgebung für die Cross-Kompilierung.

Hardware-Ressourcen über Shell-Skripte

Für einfache Automatisierungsaufgaben ist es praktisch, Shell-Skripte zu verwenden, mit denen die Lichtanzeige gesteuert und der Zustand digitaler Pins abgerufen/gesetzt werden kann.

Die Lichtanzeige ermöglicht eine praktische Anzeige des aktuellen Status der Befehlsausführung. Zum Beispiel: Datenübertragung wird durch häufiges Blinken angezeigt, Verbindungsversuch durch seltenes Blinken, und Ruhemodus durch dauerhaftes Leuchten. Betrachten wir den Befehl led. Er akzeptiert nur ein Argument – die Blinktyp des LED.

# led
led on|off|fast|slow

So sieht es in der Realität aus:

Demonstration der Betriebsmodi des Benutzerindikators über Shell-Befehle

Um mit digitalen Pins zu arbeiten, wird der Befehl verwendet io.

$ io
Usage: io [get ] | [set  ]

io set out0 1 # Setze den digitalen Ausgang OUT0 auf Zustand 1 (LOW)
io get bin0   #  Hole den Wert des digitalen Eingangs BIN0

Es ist wichtig zu beachten, dass die Logik hier invertiert ist. Entsprechend ist 1=LOW, 0=HIGH. Mit dem Befehl io können wir einfach mit digitalen Pins aus Bash-Skripten arbeiten und einfache Logik zur Automatisierung und Steuerung erstellen.

Als Demonstration der Einfachheit der Arbeit mit digitalen Eingängen und der Anzeige schreiben wir ein sinnloses Skript, das den Status des digitalen Eingangs mit einer LED anzeigt.

#!/bin/bash
while true
do
	[ $(io get bin0) -eq 0 ] && led fast || led on
done

Das Funktionsprinzip des Skripts ist einfach: Wenn BIN0 auf 0 ist, leuchtet die Diode häufig, andernfalls leuchtet sie kontinuierlich. So sieht das in der Praxis aus:

Demonstration eines Bash-Skripts, das den Zustand des digitalen Eingangs über eine Anzeige darstellt.

Trotz der Einfachheit dieses Skripts zeigt es anschaulich, wie man in einer Zeile, ohne zusätzliche Software, Bibliotheken und Einstellungen, Eingangsdaten von digitalen Eingängen erfassen und darauf reagieren kann.

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Quelle: habr.com