4G-router som en universalserver för IoT

Serieroutrar ICR-3200 är utformade för att ersätta den klassiska kombinationen av en enkel PC + modem + router. Nu kan all nödvändig logik köras direkt på routern. Tack vare den kraftfulla ARM-processorn, 512 MB RAM och ~2 GB intern flashminne kan man till och med köra en nodejs-server på routern!

Sekventiella gränssnitt RS-232/485 är också inbyggda i routern och är omedelbart tillgängliga i operativsystemet med full root-åtkomst. En öppen miljö för att bygga egna program och C/C++-bibliotek för att arbeta med lågnivå hårdvaru-API finns också.
Djupprocessorfunktionen gör att man kan spara energi vid användning av batteri: routern kan aktiveras endast när kommunikationen verkligen behövs.

I artikeln kommer vi att diskutera intressanta funktioner i enheten och prova att arbeta med in- och utmatningsgränssnitt från shell-skript i praktiken.

Tekniska specifikationer

Serieroutrar ICR-3200 är byggda på en enhetlig hårdvaruplattform och presenteras i fem modeller som skiljer sig åt i LTE-frekvensband, förekomsten av Wi-Fi och geolokalisering (GNSS). Enheterna positioneras som en ersättning för kombinationen av en enkel PC och router. Den kraftfulla processorn och det stora RAM-minnet gör att man kan köra resurskrävande användarapplikationer direkt på routern.

• Cortex-A8-processor — klockfrekvens 1 GHz, 32-bitars arkitektur
• 512 MB RAM
• Flashminne från 1,5 till 4 GB — för lagring av användardata
• In- och utmatningsportar — RS-232/485-gränssnitt och digitala in- och utmatningsportar är tillgängliga för användarprogram

Särskilt intressant är modellen ICR-3211B, som arbetar enligt LTE Cat. M1-standarden (NB-IoT). Protokollet LTE Cat. M1 är speciellt utvecklat för M2M-lösningar, har låg dataöverföringshastighet (375 kb/s) och dessutom en stor räckvidd och ökad stabilitet i svåra inomhuskommunikationsförhållanden. Routern har en inbyggd superkondensator, vilket gör att enheten kan fungera en kort tid efter att strömmen har stängts av.

Djupprocessorläge

Djupprocessorläget gör att man kan sätta routern i ett tillstånd där alla processer fryses och hårdvaran stängs av, för att spara energi, medan alla enhetens funktioner stängs av och den ser helt avstängd ut. Energiförbrukningen i detta läge är högst 10 mW.

I viloläge förbrukar routern nästan ingen energi och vaknar på 3 sekunder

När det behövs att väcka routern för datatransfer, kommer den vakna på ~3 sekunder. Självklart behövs ytterligare tid för att registrera modemet i det mobila nätet, men detta är avsevärt snabbare än att starta routern från grunden. Denna funktion är användbar för system med fristående strömförsörjning, som tillbringar mest tid i viloläge och aktiveras ibland för att utföra aktiva åtgärder, till exempel larm eller reservblock.

Väckning och sömn

Kontrollen av sömn och väckning sker via modulen Sleep Mode.

Det finns 2 sätt att styra sömnläget:

• Genom digital ingång — i detta läge administreras routern av en extern enhet, till exempel en mikrokontroller. Vid en LOW-signal på den digitala ingången går routern i viloläge, och vid mottagande av HIGH - vaknar den, eller omvänt. Det går också att ställa in en timeout för att skydda mot oavsiktliga omkopplingar.
• Genom inbyggd timer — routern mäter tiden och vaknar/går i viloläge vid rätt tidpunkt. Detta är praktiskt att använda för enstaka operationer eller dataladdningar under en viss period.

Gränssnitt för inställning av djup sömn

Funktionen 'sista andetag'

Strömavbrott vid en fjärranläggning kan vara särskilt obehagligt, eftersom det inte är tydligt varför kommunikationen med anläggningen är otillgänglig. Funktionen 'Sista andetag' gör att routern kan arbeta en tid efter att strömtillförseln helt har avbrutits och skicka ett meddelande om att ett strömavbrott har inträffat och reservkraften inte har aktiverats. Tack vare den inbyggda superkondensatorn, vars livslängd är avsevärt längre än traditionella batterier, kräver den ingen underhåll och byte. Detta är användbart för system med reservkraft där driftstopp kan förekomma och det är viktigt att spåra omedelbar strömförlust.

Routern kommer att skicka ett signal om strömavbrott även efter att strömmen helt har stängts av

För att korrekt reagera på strömavbrottet behöver man på något sätt få veta om det.
Den aktuella matningsspänningen kan fås antingen genom en shell-kommando status sys:

$ status sys
Firmware Version : 6.1.10 (2019-07-02)
Serial Number    : ACZ1100000623519
Profile          : Standard
RTC Battery      : Ok
Supply Voltage   : 12.3 V # ← strömkälla
Temperature      : 37 C   # ← temperatur inuti chassit
Time             : 2019-08-16 16:21:18
Uptime           : 0 dagar, 11 timmar, 43 minuter

Antingen med hjälp av hårdvaru Unix I/O control (ioctl) och ett program i C/C++ eller ett annat språk.
I tabellen visas adresserna för de nödvändiga hårdvaruregistren. Den aktuella strömkällan returneras som ett heltal, i millivolt. Användning av låg nivå API är att föredra framför shell-script i detta fall för snabbare respons. Mer information om hur man arbetar med hårdvaran finns i utvecklarhandboken.

Ioctl-anropet som returnerar den aktuella strömkällan.

Seriella gränssnitt

Routern har två inbyggda seriella gränssnitt: RS-232 och RS-485. Dessa gör det möjligt att ansluta perifera enheter direkt till routern utan att använda ytterligare utrustning. Dessutom kan en fullständig server för Node-RED eller Nodejs köras på routern, vilket gör att man kan klara sig med en enhet för att lansera ett enkelt automationssystem utan ytterligare datorer och kontroller.

Som standard är båda gränssnitt tillgängliga för arbete som standard serial-enheter i Linux:

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

Alla standardbibliotek kommer att stödja dessa enheter utan extra konfiguration, inklusive modulen Modbus-RTU2TCP och andra.

Anpassade moduler

Enhetens funktionalitet kan utökas med hjälp av anpassade moduler: detta är en förenklad version av paket, bara utan pakethanterare. Hela listan över tillgängliga moduler finns på webbplatsen https://advantech-bb.cz/products/software/user-modules.

Moduler installeras manuellt genom att ladda upp paketfilen via webbgränssnittet:

För närvarande finns 73 moduler tillgängliga. Här är några av de intressanta:

• Node-RED — ett populärt verktyg för att koppla samman olika industriella protokoll till ett enhetligt system
• Nodejs — en fullständig nodejs-server. Stort antal RAM och kraftfull processor möjliggör körning av resurskrävande applikationer direkt på routern!
• Python2/3
• Webb-shell — gör det möjligt att arbeta i konsolen via webbläsaren.
• Azure IoT SDK Python — verktygssats för utveckling av program för Microsoft Azure IoT Hub.

Eftersom routrarens firmware är öppen kan utvecklare skriva egna moduler, inklusive med ett webbgränssnitt. Referensmaterial finns tillgängligt i handboken för modulskrivning och och avsnittet för utvecklare på företagets webbplats. För att underlätta paketsammansättning finns en färdig miljö för korskompilering.

Hårdvaruresurser via shell-skript

För enkla automatiseringsuppgifter är det praktiskt att använda shell-skript, som kan styra belysning och hämta/ställa in tillstånd för digitala pinnar.

Belysningen är ett bekvämt sätt att visa den aktuella statusen för kommandon. Till exempel, datakommunikationsindikator — frekvent blinkande, anslutningsförsök — sällan blinkande, vila — lyser kontinuerligt. Låt oss titta på kommandot led. Den tar emot endast ett argument – typen av LED-blinkande.

# led
led on|off|fast|slow

Så här ser det ut i verkliga livet:

Demonstration av arbetslägen för användarindikatorn via shell-kommandon

För att arbeta med digitala pinnar används kommandot io.

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

io set out0 1 # Sätta digital utgång OUT0 i tillstånd 1 (LOW)
io get bin0   # Hämta värdet av digital ingång BIN0

Det är viktigt att komma ihåg att logiken i detta fall är inverterad. Därför 1=LOW, 0=HIGH. Genom att använda kommandot io kan vi enkelt arbeta med digitala pinnar i bash-skript och bygga enkel logik för automatisering och styrning.

Som en demonstration av enkelheten i att arbeta med digitala ingångar och indikatorer, låt oss skriva ett meningslöst skript som visar statusen för en digital ingång med en LED.

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

Principen för skriptet är enkel: om BIN0 är i tillstånd 0, blinkar dioden ofta, annars lyser den kontinuerligt. Så här ser det ut i praktiken:

Demonstration av bash-skript som visar statusen för digital ingång med indikatorn.

Trots enkelheten i detta skript, visar det tydligt hur man på en rad, utan extra programvara, bibliotek och inställningar kan hämta ingångsdata från digitala ingångar och reagera på dem.

Länkar

• I denna artikel tas inte upp nätverksfunktioner för routrar, såsom lastbalansering, failover, VPN med mera, eftersom alla dessa ämnen redan har behandlats i en annan av våra artiklar: Industriklass 4G-router SmartMotion.
• Exempel på användning av en router ICR-3211B finns i vår första artikel: Hej, Habr, vi är Advantech.
• Priser på våra produkter kan ses i den allmänna webbutiken. En egen webbplats på ryska är ännu inte klar.

Vi inbjuder till Advantech-partnerforumet

Advantech-forumet kommer att bli en unik plattform för att diskutera lokala och globala trender inom Internet of Things. Här kan du dela erfarenheter av att använda nya tekniska lösningar och produkter, hitta nya kunder och partners. Du får också chansen att se produkterna vi har beskrivit i artiklar och mer därtill. Vi kommer att ha talare från branschen och representanter för nyckelpartners – NVidia, Intel och andra företag som aktivt deltar i utvecklingen av industriellt Internet of Things under de kommande åren. Vi ser fram emot att se alla specialister inom industriell automation och Internet of Things vid evenemanget. Deltagande är gratis! Antalet platser är begränsat. Se till att registrera dig.

Källa: habr.com