Router WiFi GSM utilizând Raspberry PI Zero W

Plăcile de dezvoltare Raspberry PI sunt cunoscute pentru ușurința cu care se poate implementa un router / gateway TCP/IP grație sistemului de operare Linux ce rulează pe aceste plăci. Placa Raspberry PI 3 ce integrează o interfață de rețea WiFi (pe lângă interfața ethernet clasică) poate sta la baza unui AP WiFi printr-o configurare foarte simplă (a se vedea „Cum putem utiliza placa Raspberry Pi ca Access Point WiFi?”). Chiar dacă implementarea unor astfel de dispozitive (router, gateway sau AP) poate părea la prima vedere doar un exercițiu educațional având în vedere multitudinea de dispozitive comerciale cu aceste funcționalități, realizarea unui sistem de control al comunicațiilor personalizat poate permite implementarea unor funcționalități proprii inedite și de multe ori un cost mai mic decât al dispozitivelor comerciale.

Placa de dezvoltare Raspberry PI Zero W este un membru mai nou al familiei de plăci Raspberry introducând un format mai mic al plăcii și un cost mult mai mic dar fiind limitată din punct de vedere al puterii de calcul și al memorie și neavând interfață de rețea ethernet (doar WiFi). La prima vedere această placă nu am putea să o utilizăm la implementarea unui sistem de tip router având o singură interfață de rețea. Având în vedere dimensiunea, costul și consumul mult mai mici decât al unei plăci Raspberry PI 3 este totuși o alegere foarte bună pentru implementarea unui router WiFi GSM. Pentru aceste lucru avem nevoie de un modem USB GSM (în cadrul testelor s-a utilizat un modem Huawei E3131 dar se poate utiliza orice modem USB GSM, de exemplu). Conectarea modemului la placa de dezvoltare necesită un adaptor microUSB – USB. Bineînțeles, pentru funcționarea sistemului sunt necesare un card microSD pentru sistemul de operare și un alimentator de 5V, 1A.

Punerea în funcțiune a unei plăci Raspberry PI Zero este o provocare din cauza numărului mic de porturi USB. Recomandăm utilizarea unui cablu serial de debug pentru a interacționa mai ușor cu placa de dezvoltare (a se vedea și materialul „Raspberry Pi Zero Headless Quick Start”). Ca sistem de operare vom utiliza Raspbian Lite pentru a nu încărca procesorul plăcii de dezvoltare cu servicii și pachete software inutile (testele au fost realizate utilizând versiunea 2018-03-13-raspbian-stretch-lite).

Chiar dacă în final conexiunea la Internet a sistemului se va face prin intermediul conexiunii modemului USB GSM, pentru a instala pachetele necesare este nevoie să activăm temporar conexiunea WiFi a plăcii de dezvoltare pentru acces la Internet. Astfel în fișierul /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf vom adăuga liniile cu datele de acces la rețeaua WiFi locală (aceste linii vor fi șterse după realizarea configurării de AP):

network={

 ssid=”…”

 psk=”…”

}

Configurarea WiFi se poate face și la nivel card de memorie înainte de prima pornire a sistemului – a se vedea materialul: „Manually setting up Pi WiFi using wpa_supplicant.conf”.

După repornirea sistemului vom instala update-urile sistemului de operare:

# sudo apt-get update

# sudo apt-get upgrade

și pachetele necesare necesare comunicației cu modemul GSM:

# sudo apt-get install ppp usb-modeswitch usb-modeswitch-data

După conectarea fizică a modemului și o nouă repornire a sistemului putem configura legătura de date GSM. În fișierul /etc/network/interfaces se vor adăuga următoarele linii:

auto gprs

iface gprs inet ppp

provider gprs

Ulterior vom crea fișierul gprs în directorul /etc/ppp/peers cu următorul conținut (cartela SIM utilizată nu avea activat codul PIN):

connect “/usr/sbin/chat -v -f /etc/chatscripts/gprs -T em”

/dev/ttyUSB0

noipdefault

defaultroute

replacedefaultroute

hide-password

noauth

persist

usepeerdns

După o nouă restartare conexiunea de date GSM va deveni funcțională și putem șterge configurația din fișierul /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf și putem trece la configurația AP. Vom instala pachetele software necesare managementului clienților WiFi:

# sudo apt-get update

# sudo apt-get install dnsmasq hostapd

și vom opri pentru moment serviciile până după configurarea corectă a acestora:

# sudo systemctl stop dnsmasq

# sudo systemctl stop hostapd

Interfața de rețea WiFi va avea în configurația de AP adresă IP statică deci vom configura acest lucru în serviciul DHCP (fișierul /etc/dhcpcd.conf):

interface wlan0

    static ip_address=192.168.66.1/24

și vom reporni serviciul:

# sudo service dhcpcd restart

Având în vedere că funcționalitatea de AP necesită oferirea clienților WiFi de configurații dinamice de rețea este necesară configurarea serverului DHCP (dnsmasq). Vom crea un nou fișier de configurare:

# sudo mv /etc/dnsmasq.conf /etc/dnsmasq.conf.orig 

# sudo nano /etc/dnsmasq.conf

în care vom indica plaja de adrese IP oferite clienților WiFi:

interface=wlan0   

  dhcp-range=192.168.66.2,192.168.66.20,255.255.255.0,24h

În fișierul serviciului de management AP (/etc/hostapd/hostapd.conf) vom introduce următoarea configurație (personalizând, bineînțeles, datele de conectare la AP):

interface=wlan0

driver=nl80211

ssid=…

hw_mode=g

channel=7

wmm_enabled=0

macaddr_acl=0

auth_algs=1

ignore_broadcast_ssid=0

wpa=2

wpa_passphrase=…

wpa_key_mgmt=WPA-PSK

wpa_pairwise=TKIP

rsn_pairwise=CCMP

și vom referi fișierul în fișierul de configurare principal al serviciului hostapd (/etc/default/hostapd):

DAEMON_CONF=”/etc/hostapd/hostapd.conf”

După aceste configurări putem porni cele două servicii:

# sudo systemctl start hostapd

# sudo systemctl start dnsmasq

Pentru ca sistemul să retransmită pachetele din rețeaua WiFi în rețeua Internet este necesar să achivăm rutarea pachetelor TCP/IP – în fișierul /etc/sysctl.conf vom decomenta următoarea linie:

net.ipv4.ip_forward=1

Ultimul pas este configurarea serviciului de filtrare a pachetelor (iptables). Vom adăuga și salva o regulă de MASQUERADE:

sudo iptables -t nat -A  POSTROUTING -o ppp0 -j MASQUERADE

sudo sh -c “iptables-save > /etc/iptables.ipv4.nat”

și o vom executa la fiecare repornire a sistemului prin adăugarea următoarei linii în fișierul /etc/rc.local înainte de linia exit 0:

iptables-restore < /etc/iptables.ipv4.nat

După o ultimă repornire routerul WiFi GSM este funcțional.

Router WiFi GSM utilizând LinkIt Smart 7688

Asigurarea conexiunii la Internet în cazul absenței unei conexiuni terestre (prin cablu sau fibră optică) se poate face, bineînțeles, apelând la serviciile oferite de companiile de telefonie mobilă prin intermediul unei cartele SIM ce oferă transfer de pachete de date. Există multe opțiuni comerciale pentru implementarea acestei facilități de routare între o rețea de date WiFi și o rețea GSM: routere WiFi GSM, telefoane mobile ce funcționează ca AP (tethering) ș.a.m.d. dar majoritatea acestor soluții nu oferă o flexibilitate sau un control al conexiunilor foarte bune. Din acest motiv realizarea unui router „personalizat” se poate dovedi și o soluție mult mai ieftină și o metodă de a implementa mecanisme de filtrare, autentificare, control al conexiunilor mult mai sofisticate.

Pentru implementare vom utiliza o placă de dezvoltare LinkIt Smart 7688 bazată pe circuitul SoC MediaTek MT7688AN și care rulează distribuția Linux OpenWRT. Această placă de dezvoltare oferă, la un preț redus, toate facilitățile de routare, filtrare și control al traficului TCP/IP oferite de sistemele de operare Linux. Pentru mai multe detalii legate de funcționarea și utilizarea plăcii de dezvoltare LinkIt Smart 7688 puteți consulta wiki-ul oficial. Pentru conexiunea de date GSM vom utiliza un modem USB GSM – testele au fost realizate utilizând un modem Huawei E220 dar se poate utiliza orice alt modem USB GSM compatibil. Conectarea modemului USB la placa de dezvoltare necesită un adaptor microUSB – USB. Alimentarea sistemului se va face la 5V, minim 500mA – preferabil 1A (orice încărcător de mobil de 1A și mufă microUSB e bun).

2

La punere în funcțiune a plăcii de dezvoltare aceasta funcționează în mod AP. Ne vom conecta la AP-ul LinkIt_Smart_7688_XXXXXX și apoi la interfața de administrare web (IP 192.168.100.1).

3

La prima conectare se va stabili parola utilizatorului root (contul de administrare a sistemului de operare).

4

Pentru a putea instala pachetele software necesare funcționării modemului USB GSM vom configura placa de dezvoltare ca și client WiFi – Station Mode (pentru a avea conexiune Internet).

ATENȚIE!!! Placa de dezvoltare are definită implicit o interfață de rețea cu IP-ul 192.168.100.1 . Orice încercare de a introduce placa de dezvoltare într-o rețea ce oferă prin DHCP adrese IP în clasa 192.168.100.0/24 va eșua.

După configurarea și repornirea plăcii ne putem conecta la aceasta prin SSH (utilizând PUTTY de exemplu). IP-ul de conectare depinde de rețeaua locală. Vom rula următoarele comenzi pentru instalarea pachetelor software necesare configurării conexiunii de date GSM:

# opkg update

# opkg install comgt kmod-usb-serial kmod-usb-serial-option kmod-usb-serial-wwan usb-modeswitch

Eventual putem instala și un editor de text suplimentar dacă nu ne place vi :

# opkg install nano

Având conectat modemul USB GSM vom reporni placa de dezvoltare. Ne vom reconecta prin SSH și vom verifica dacă modemul este recunoscut de sistemul de operare în mod corect (vom rula comanda dmesg).

6

În cazul în care modemul este recunoscut corect de sistemul de operare vom regăsi în jurnalul de pornire a sistemului de operare (consultat anterior cu ajutorul comenzii dmesg) linii care indică instalarea modemului GSM ca dispozitiv specific USB (ttyUSB0 de exemplu). În cazul în care modemul este văzut ca alt tip de dispozitiv (de stocare în masă – memorie usb de exemplu) înseamnă că pachetul usb-modeswitch care se ocupă de autoconfigurarea modemului nu are în baza de date proprie modelul de modem utilizat. Este recomandat să căutăm un modem care să fie deja în baza de date a pachetului software. Configurarea manuală a modemului este destul de dificilă. Pentru mai multe informații se poate parcurge materialul „Use 3g/UMTS USB Dongle for WAN connection”.

Pentru a putea accesa Internetul prin intermediul modemului USB GSM este nevoie să avem o cartelă SIM funcțională (se poate testa prealabil modemul pe un sistem de calcul obișnuit) și să realizăm următoarele configurări în fișierele sistemului de operare. În fișierul /etc/config/network vom adăuga la final (pinul și APN-ul sunt specifice cartelei SIM utilizate):

config interface ‘gsm’

        option proto ‘3g’

        option service ‘umts’

        option device ‘/dev/ttyUSB0’

        option apn ‘net’

        option pincode ‘0000’

În fișierul /etc/config/firewall vom adăuga noua interfață de rețea în categoria wan :

config zone

        option name ‘wan’

        list network ‘gsm’

        …

Pentru ca intefața GSM să fie pornită automat după repornirea sistemului vom adăuga în fișierul /etc/rc.local linia ifup gsm (comanda de pornire a conexiunii GSM) înainte de linia exit 0 .

ifup gsm

exit 0

După finalizarea configurării conexiunii GSM (se poate reporni sistemul și verifica prin intermediul comenzii route dacă există conexiune Internet GSM) se va trece sistemul în configurație AP din interfața web de administrare (se va stabili numele și parola de acces pentru rețeaua WiFi).

7

După o ultimă repornire a sistemului routerul WiFi GSM este gata de utilizare. Acesta va oferi adrese în clasa 192.168.100.0/24 și vom putea accesa interfața de administrare prin intermediul adresei IP 192.168.100.1 . Pentru configurări avansate (firewall, port-forwarding) se poate accesa consola Luci specifică sistemului de operare OpenWRT (link în interfața de administrare, încercuit cu roșu în imaginea precedentă).

În cazul în care se efectuează modificări ale sistemului de operare care conduc la stări nefericite din care nu știm cum să ieșim, există întotdeauna posibilitatea de a reseta placa la setările inițiale și de a relua procesul de configurare de la început. Pentru resetarea plăcii la setările inițiale se va ține apăsat minim 20 de secunde butonul WiFi Reset.

9

O posibilă îmbunătățire a sistemului nostru este adăugarea unei antene WiFi externe pentru creșterea puterii semnalului. Placa are un conector special I-PEX pentru acest lucru dar utilizarea acestuia necesită dezlipirea de pe placă a unei rezistențe (imagine de mai jos).

10

ESP8266 Geolocation

Localizarea geografică este o problemă rezolvată cu ajutorul mai multor tehnologii actuale. Tehnologia GPS, cea mai cunoscută și utilizată modalitate de localizare, necesită funcționarea în spații deschise și utilizarea unui receptor specializat. În dispozitivele actuale această tehnologie se utilizează în combinație cu alte metode pentru a crește acuratețea localizării și pentru a oferi posibilitatea de localizare inclusiv în interiorul clădirilor. De exemplu, în telefoanele mobile inteligente, tehnologia GPS este combinată cu triangularizarea semnalelor radio GSM  și WiFi. În cadrul materialului de față vom arăta cum putem utiliza tehnica de localizare bazată pe triangularizarea semnalului WiFi utilizând o placă de dezvoltare WiFi ESP8266 și pe serviciul cloud Google Geolocation API. O astfel de soluție permite realizarea unui dispozitiv de localizare mult mai ieftin decât dispozitivele comerciale bazate pe soluții GPS și care permite localizarea inclusiv în interiorul clădirilor. Singura cerință de funcționare mai specială a dispozitivului este prezența unor rețele WiFi cartografiate de compania Google (cerință îndeplinită cu siguranță în mediul urban).

Pentru implementare am ales o placă de dezvoltare Adafruit Feather HUZZAH dar poate fi utilizată orice placă bazată pe ESP8266. Unul dintre avantajele oferite de placa de dezvoltare aleasă este posibilitatea de alimentare directă de la un acumulator LiPo de 3.7V permițând astfel realizarea unui sistem portabil. Pentru partea de afișare, utilă mai ales în cazul utilizării mobile a dispozitivului implementat, am utilizat un afișaj SHARP Memory Display ce are un consum extrem de redus (4µA @ 3.3V) și un contrast foarte bun.

Cele două componente ale sistemului vor comunica prin intermediul unei conexiuni SPI unidirecționale (doar 3 fire). Asftel, vom conecta:

  • Pinii 3.3V și GND al ecranului la pinii corespondenți ai plăcii de dezvoltare;
  • Pinul CLK al ecranului la pinul 14 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul DI al ecranului la pinul 13 al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul CS al ecranului la pinul 5 al plăcii de dezvoltare.

2

Pinul 16 (Wake) al plăcii va fi conectat la pinul RST dacă dorim ca sistemul să intre în modul de consum redus între două localizări (util pentru funcționarea mobilă cu alimentare bazată pe acumulator). Conexiunea trebuie realizată după încărcarea programului pe placa de dezvoltare.

Programul sistemului a fost testat utilizând mediul de dezvoltare Arduino IDE 1.8.5 având instalate extensia ESP8266 Community 2.4.1 și bibliotecile Adafruit GFX 1.2.3, Adafruit SHARP Memory Display 1.0.6 (pentru controlul ecranului) și WifiLocation 1.2.2 (pentru interacțiunea cu Geolocation API).

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <WifiLocation.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_SharpMem.h>

În cadrul programului trebuie personalizate datele de acces la o rețea WiFi (ssid și passwd) și cheia de acces la serviciile cloud Google (googleApiKey). Pentru a obține cheia de acces trebuie să vă înregistrați ca dezvoltator pe site-ul Google Developers, să activați funcționalitatea GeoLocation API și să solicitați cheia de acces. Accesul este gratuit până la o limită de 2500 de interogări pe zi (evitați o utilizare la un interval mai mic de 30 de secunde).

const char* googleApiKey = “…”;

const char* ssid = “…”;

const char* passwd = “…”;

WifiLocation location(googleApiKey);

#define SHARP_SCK  14

#define SHARP_MOSI 13

#define SHARP_SS   5

Adafruit_SharpMem display(SHARP_SCK, SHARP_MOSI, SHARP_SS, 96, 96);

#define BLACK 0

#define WHITE 1

Directiva debug poate fi utilizată (decomentată) dacă doriți să vedeți mesajele generate de sistem în consola serială.

//#define debug

3

În cadrul secțiunii setup() se va realiza scanarea rețelelor WiFi din zona în care se află sistemul, obținerea coordonatelor geografice de la serviciul cloud de localizare pe baza puterii semnalului fiecărei rețea WiFi observate și afișarea coordonatelor pe ecran (și în consola serială dacă este activată directiva debug). După un ciclu de localizare sistemul va intra în stare de consum redus (deepSleep) pentru 10 minute. Datele afișate vor conține latitudinea și longitudinea precum și acuratețea localizării (exprimată în metri).

4

void setup() {

#ifdef debug

Serial.begin(115200);

#endif

display.begin();

display.clearDisplay();

display.refresh();

WiFi.mode(WIFI_STA);

WiFi.begin(ssid, passwd);

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

#ifdef debug

Serial.print(“Attempting to connect to WPA SSID:“);

Serial.println(ssid);

Serial.print(“Status = “);

Serial.println(WiFi.status());

#endif

delay(500);

}

location_t loc = location.getGeoFromWiFi();

#ifdef debug

Serial.println(“Location request data”);

Serial.println(location.getSurroundingWiFiJson());

Serial.println(“Latitude: ” + String(loc.lat, 7));

Serial.println(“Longitude: ” + String(loc.lon, 7));

Serial.println(“Accuracy: ” + String(loc.accuracy));

#endif

display.setTextColor(BLACK);

display.setCursor(12,10);

display.setTextSize(1);

display.println(“Latitude:”);

display.setCursor(5,19);

display.setTextSize(2);

display.println(String(loc.lat, 3));

display.setCursor(12,37);

display.setTextSize(1);

display.println(“Longitude:”);

display.setCursor(5,46);

display.setTextSize(2);

display.println(String(loc.lon, 3));

display.setCursor(12,64);

display.setTextSize(1);

display.println(“Accuracy:”);

display.setCursor(5,73);

display.setTextSize(2);

display.println(String(loc.accuracy));

display.refresh();

ESP.deepSleep(600L*1000000L);

}

void loop() {

}

 

Cameră video GSM

Camerele de supraveghere video sunt deja o tehnologie comună. Ca urmare a creșterii acoperirii și vitezei de comunicație a rețelei Internet majoritatea camerelor de supraveghere sunt camere digitale IP. Instalarea acestora este simplă și este posibilă stocarea înregistrărilor video pe sisteme aflate la mare distanță. O categorie specială de sisteme de supraveghere video sunt camerele ce funcționează în lipsa unei infrastructuri Internet obișnuite (cablu sau WiFi). Este vorba de sistemele de supraveghere ce funcționează în locații izolate, camere de supraveghere a unor zone sălbatice, camere de supraveghere a vânatului etc. Aceste camere pot înregistra doar local imaginile surprinse (pe o memorie internă) sau le pot transmite prin intermediul infrastructurii puse la dispoziție de rețelele de telefonie mobilă ce au o acoperire mult mai mare decât rețelele WiFi / cablu. Materialul de față își propune să prezinte o modalitate de construire a unei astfel de camere video ce permite transmisia imaginilor la distanță prin intermediul unui modem GSM. Soluția este simplă și are un cost mult mai mic decât sistemele comerciale aflate pe piață. În construirea sistemului ne vom folosi de o placă Raspberry Pi Zero (este mai ieftină achiziționarea unui kit format din placă și adaptori decât achiziționarea separată, în cazul sistemului nostrul vom avea nevoie atât de pini cât și de adaptorul microUSB-USB), o cameră video Raspberry Pi versiunea 2 și de un modem GSM USB. Testele au fost realizate utilizând un modem USB Huawei E3131 oferit gratuit la contractarea oricărui alt serviciu de către unul dintre marile companii de servicii Internet și TV din România dar se poate utiliza orice modem USB (de exemplu). Unul dintre avantajele utilizării unui modem USB este posibilitatea utilizării rețelelor de telefonie mobilă exclusiv 3G / 4G.

2

Pentru alimentarea sistemului se poate utiliza o baterie externă USB sau un alimentator de rețea de 5V, minim 1A (se poate utiliza alimentatorul oficial al plăcii Raspberry Pi 3).

Conectarea camerei video necesită un cablu special deoarece conectorul de pe placa Raspberry Pi Zero are o dimensiune mai mică decât conectorul de pe placa Raspberry Pi.

4

ATENȚIE!!! Doar începând cu versiunea 1.3 placa Raspberry Pi Zero are conector CSI.

ATENȚIE!!! Conectorul CSI de pe placa Raspberry Pi Zero este foarte firav (mult mai firav decât cel de pe placa Raspberry Pi), manevrați cu foarte multă grijă sau riscați să distrugeți fizic clema de închidere a mufei.

3

Pentru punerea în funcțiune a sistemului mai aveți nevoie de un card microSD pe care să copiați sistemul de operare (se recomandă utilizarea unui card de memorie de calitate). Se recomandă utilizarea versiunii Lite a sistemului de operare Raspbian pentru a nu încărca microprocesorul cu execuția interfeței grafice utilizator și a altor servicii ce nu sunt necesare. Pentru testare s-a utilizat versiunea 2018-03-13-raspbian-stretch-lite.

Deoarece placa Raspberry Pi Zero nu are nici o conectivitate de rețea și nici nu are suficienți conectori pentru conectarea simultană a mai multor dispozitive USB (tastatură + modem GSM USB) se va apela la conectarea unui convertor serial – USB de 3.3V sau a unui cablu de debug Raspberry Pi. Această modalitate de acces va permite accesarea consolei de comenzi a plăcii direct prin intermediul conexiunii seriale USB. Pentru mai multe detalii se poate consulta și materialul „Raspberry Pi Zero Headless Quick Start”.

5

Funcționarea modemului GSM USB necesită câteva pachete software ce sunt în mod implicit instalate inclusiv în versiunea Lite a sistemului de operare Raspbian. În mod normal, după conectarea fizică a modemului, este necesară adăugării în fișierul /etc/network/interfaces a următoarelor linii:

auto gprs

iface gprs inet ppp

provider gprs

și crearea fișierului gprs în directorul /etc/ppp/peers cu următorul conținut:

connect “/usr/sbin/chat -v -f /etc/chatscripts/gprs -T em”

/dev/ttyUSB0

noipdefault

defaultroute

replacedefaultroute

hide-password

noauth

persist

usepeerdns

După o repornire a plăcii placa Raspberry Pi Zero ar trebui să aibă conectivitate Internet prin intermediul modemului GSM USB (bineînțeles dacă acesta are o cartelă SIM validă). În cazul în care configurația indicată nu funcționează este necesară conectarea temporară (înlocuirea modemului GSM USB) a unei plăci de rețea USB, aducerea la zi a sistemului de operare:

# sudo apt-get update

# sudo apt-get upgrade

și instalarea pachetelor ce deservesc funcționarea conexiunii de rețea prin intermediul modemului GSM USB:

# sudo apt-get install ppp usb-modeswitch usb-modeswitch-data

Alternativ, se poate utiliza o placă Raspberry Pi Zero W dacă nu se dorește realizarea unei camere video GSM ci a unei camere video IP WiFi (camera va transmite imagini prin intermediul unei rețele WiFi obișnuite). Varianta potrivită dacă doriți să realizați o cameră video de supraveghere pentru apartament nu pentru locații izolate. În acest caz kitul conține și cablul pentru conectorul CSI specific Raspberry Pi Zero și o carcasă în care se pot integra cu ușurință placa și camera video. Bineînțeles, este posibilă combinarea celor două soluții de conectare și se poate cerceta posibilitatea de realizare a unui router GSM-WiFi ce include cameră video de supraveghere.

Pentru verificarea funcționării camerei video se poate rula comanda:

# raspistill -o poza.jpg

Dacă comanda anterioară nu returnează nici o eroare, cel mai probabil camera video este conectată corect și funcționează corespunzător.

Pentru transmiterea în rețea a imaginilor preluate de la camera video vom utiliza programul motion iar ca interfață web motioneye. Pentru instalarea celor două programe se recomandă parcurgerea materialului oficial „Install On Raspbian”. Pachetul motion este integrat în distribuția Raspbian dar se recomandă instalarea versiunii indicate în materialul anterior. Camera CSI utilizată în proiectul nostru nu este compatibilă cu software-ul motion din acest motiv trebuie activat un modul la nivel de kernel care să permită utilizarea acesteia ca o cameră USB obișnuită. Acest lucru se realizează prin inserarea următoarei linii în fișierul /etc/modules:

bcm2835-v4l2

Dacă utilizăm o placă Raspberry Pi Zero W putem verifica funcționarea transmiterii de imagini în rețeaua locală accesând adresa IP a plăcii pe portul 8765 (utilizator: admin, fără nici un fel de parolă).

În cazul în care utilizăm Raspberry Pi Zero și modem USB GSM sau în cazul în care dorim să accesăm o placă Raspberry Pi Zero W dintr-o altă rețea decât cea locală, adică dacă dorim să accesăm interfața MotionEye prin Internet, vom utiliza un serviciu ce permite redirectarea conexiunilor. Acest serviciu este disponibil prin intermediul platformei remot3.it și este gratuit (prin înregistrarea unui cont) la un nivel decent de utilizare (8 ore pe zi). Această soluție ne scutește de configurații de rețea complicate precum redirectare de porturi sau achiziționarea de adrese IP fixe de la furnizorul de servicii Internet. Pentru utilizarea efectivă a serviciului este necesară instalarea pachetului weavedconnectd și înregistrarea sistemului sub contul creat pe platformă – procese detaliate în materialul „Installing the remot3.it weavedconnectd daemon on your Raspberry Pi”. În cadrul instalării este necesară definirea unei redirectări pentru interfața web MotionEye (protocol HTTP, port 8765):

6

După parcurgerea acestor operații vom putea accesa interfața web a camerei video de oriunde din Internet prin intermediul platformei remot3.it.

7

O alternativă suplimentară de acces la interfața web a camerei este aplicația mobilă (pentru sistemul de operare Android) Weaved For Raspberry Pi prin intermediul căreia veți putea accesa de la distanță orice serviciu de pe placa Raspberry Pi inclusiv interfața web a camerei video.

8

Cum verificăm acoperirea LoRaWAN TTN

Rețelele radio Long Range (LoRaWAN) permit dezvoltarea de rețele de senzori și de dispozitive IoT pe distanțe de ordinul kilometrilor cu un consum extrem de redus din puntul de vedere al dispozitivelor IoT. Rețelele publice LoRaWAN precum TTN permit utilizarea acestei tehnologii fără a avea grija infrastructurii (a sistemelor gateway ce fac legătura între rețeaua radio și Internet). Totuși, o problemă supărătoarea este dată de încercarea de a răspunde la întrebarea dacă locația unde dorim să poziționăm dispozitivul IoT propriu se află sau nu în acorperirea rețelei TTN (se află sau nu în aria de acoperire a unui gateway public TTN).

La prima vedere răspunsul la această întrebare se poate baza pe harta sistemelor gateway înregistrate pe platforma TTN de către utilizatori. În secțiunea COMMUNITIES a platformei selectăm zona sau orașul unde ne aflăm și putem vedea sistemele gateway din apropierea locului în care ne aflăm și aria aproximativă de acoperire (mai jos putem vedea acest lucru pentru municipiul București, jaloanele roșii indică sisteme gateway inactive):

2

Această metodă de evaluare a zonelor de acoperire nu oferă nici un fel de garanție. Aria de acoperire este estimată iar faptul că un gateway este activ nu semnifică altceva decât faptul că există legătură între acesta și platforma TTN (conexiune Internet) – un gateway activ poate foarte bine să aibă componenta LoRa inactivă. Un alt aspect ce poate conduce la o evaluare greșită este faptul că nu toți utilizatorii își fac publică locația dispozitivelor gateway sau, și mai problematic, introduc coordonate greșite.

O altă variantă de verificare este platforma TTN Mapper ce conține o hartă de acoperire a sistemelor gateway TTN bazată pe măsurători realizate de utilizatori. Această hartă este un mult mai bun punct de plecare în evaluarea unei locații în care puteți poziționa un sistem IoT LoRaWAN dar nici această metodă nu poate indica o acoperire provenită de la un gateway a căror coordonate au fost indicate greșit.

3

Cea mai bună soluție este să realizăm chiar noi măsurătoarea pentru locația dorită. Acest lucru se poate face utilizând un sistem emițător LoRa echipat cu un dispozitiv GPS (de exemplu o placă Seeeduino LoRaWAN with GPS, a se vedea și materialul „Using Seeeduino LoRaWAN with GPS and Loriot.io”) sau, și mai simplu, orice emițător LoRa și un telefon mobil Android.

Nu contează tipul emițătorului LoRa utilizat și nici natura mesajelor trimise către platforma TTN, contează doar ca emițătorul să fie înregistrat în cadrul platformei TTN. Se poate utiliza o placă Arduino Uno și un shield Dragino LoRa (a se vedea materialul „Cum să realizăm un sistem IoT LoRaWAN”) sau putem utiliza o placă LoPy LoRa (a se vedea materialul „LoRa meets ESP32”). Următorul pas, după punerea în funcțiune a nodului emițător TTN, este instalarea aplicației TTN Mapper pe telefonul mobil. La prima pornire a aplicației se va solicita asocierea cu nodul TTN utilizat. Această metodă pleacă de la premisa că nodul TTN și telefonul mobil pe care avem instalată aplicația TTN Mapper se află în aceiași locație. În cazul în care nodul TTN este mobil se poate evalua o zonă mai largă nu doar o locație anume. În momentul în care un pachet LoRa este primit de platforma TTN și provine de la nodul asociat aplicației, aplicația utilizează GPS-ul telefonului mobil pentru a indica platfomei TTN Mapper sistemele gateway ce au recepționat respectivul pachet, puterea semnalului pentru fiecare sistem gateway în parte și coordonatele punctului de unde a fost emis pachetul. Făcând un experiment bazat pe această metodă am obținut următoarele informații din aplicația TTN Mapper într-o locație din București (hartă de mai jos).

4

Experimentul a indicat că locația se află în acoperirea a două sisteme gateway TTN. Unul dintre ele se afla în imediata apropiere și era cunoscut dar cel de al doilea a reprezentat o surpriză fiind poziționat în Ciad.

5

Bineînțeles, este vorba de o eroare de introducere a coordonatelor de către proprietar (cel mai probabil o inversare a latitudinii și longitudinii). Chiar dacă distanța de comunicație în cazul LoRaWAN poate atinge zeci de kilometri nu ne putem aștepta la comunicații la mii de kilometri (e greu de crezut că LRX-BUX-76E5 Palatul telefoanelor se află în Ciad).

6

Astfel, putem vedea că un test de acoperire poate indica prezența unui sistem gateway în aria de acoperire a căruia ne aflăm și pe care nu aveam altfel cum să-l „descoperim”.

Let’s PI: Zero to IoT

Apariția Raspberry Pi Zero a făcut disponibile funcționalitățile familiei Raspberry Pi la o dimensiune și un cost mult mai mici. La jumătatea dimensiunii unei plăci obișnuite Raspberry Pi, varianta Zero oferă un microprocesor BCM2835 la 1GHz frecvență de funcționare, 512MB memorie RAM, ieșire video mini HDMI, port micro USB OTG, conector cameră și toate facilitățile oferite de sistemul de operare Raspbian.

Singura problemă pentru a utiliza această variantă a plăcii Raspberry Pi este conectivitatea de rețea. Fără a apela la versiunea Zero W, ce oferă conectivitate WiFi, putem utiliza placa Raspberry Pi Zero în proiecte IoT fără nici un fel de problemă. Este recomandată achiziționarea unui kit ce include adaptoarele HDMI – mini HDMI și micro USB OTG – USB precum și bareta de pini deoarece ele sunt absolut necesare în utilizarea plăcii Raspberry Pi Zero. Pentru punerea în funcțiune mai sunt necesare și un card microSD pentru sistemul de operare, se recomandă un card de calitate, și un alimentator de 5V.

După copierea imaginii sistemului de operare pe cardul de memorie avem următoarele opțiuni pentru interacțiunea cu placa Raspberry Pi Zero:

  • Conectăm placa la un monitor cu intrare HDMI (prin intermediul adaptorului mini HDMI – HDMI) și la o tastatură USB (prin intermediul adaptorului micro USB – USB). Această variantă de utilizare ne permite utilizarea plăcii de dezvoltare dar nu oferă nici o facilitate de conectare la Internet.
  • Conectăm, prin intermediul adaptorului micro USB – USB, o placă de rețea USB. Interacțiunea cu placa Raspberry Pi Zero se va face în linie de comandă prin intermediul protocolului SSH (utilizând programul PUTTY de exemplu). Majoritatea plăcilor de rețea, mai ales cea indicată, vor fi văzute în mod automat de sistemul de operare Raspbian și nu vor necesita nici o operație de instalare / configurare suplimentară. Pentru a activa serviciul SSH încă de la prima pornire a plăcii este necesară creare unui fișier gol cu numele ssh pe cardul pe care copiem sistemul de operare (a se vedea și „Enable SSH when creating SD card”). Bineînțeles, se poate utiliza un adaptor de rețea WiFi în locul celui Internet dar probabilitatea ca acest tip de adaptoare să necesite operații suplimentare de instalare / configurare este mai mare, cu alte cuvinte nu ne vom putea conecta din prima la placă fără tastatură și monitor.
  • Este posibilă combinarea celor două soluții anterioare dar este necesară utilizarea unui hub USB – placa de dezvoltare are un singur port USB OTG și este necesară conectarea tastaturii și a adaptorului de rețea. Este o soluție ce complică destul de mult utilizarea plăcii, este de preferat achiziționarea unei plăci Raspberry Pi 3.

Vom exemplifica realizarea sistemului IoT utilizând cea de a doua opțiune: placa Raspberry Pi Zero, adaptor micro USB – USB și placă de rețea USB. Ca serviciu IoT vom utiliza serviciul gratuit Robofun IoT iar datele raportate vor proveni de la un senzor digital de temperatură și umiditate SHT11. Conectarea dintre senzorul digital și placa de dezvoltare se face în felul următor:

3

Senzorul se va alimenta la 3.3V, pinul SCK se va conecta la pinul 23 iar pinul DAT la pinul 18. Pentru configurarea și scrierea programului IoT ne vom conecta la placa Raspberry Pi Zero prin SSH utilizând Putty. Este recomandată aducerea la zi a pachetelor software:

# sudo apt-get update

# sudo apt-get upgrade

Programul va fi scris în limbajul Python și va utiliza biblioteca pi-sht1x, pentru instalarea acesteia vom executa:

# sudo apt-get install python3-pip

# pip3 install pi-sht1x

Testele au fost realizate sub Raspbian 9, kernel 4.14.34+, Python 3.5.3 și pi-sht1x 1.0.9. Programul utilizat este următorul (PiZeroIoT.py):

import RPi.GPIO as GPIO

from pi_sht1x import SHT1x

import urllib.request

DATA_PIN = 18

SCK_PIN = 23

with SHT1x(DATA_PIN, SCK_PIN, gpio_mode=GPIO.BCM) as sensor:

temp = sensor.read_temperature()

humidity = sensor.read_humidity(temp)

SENSOR1_TOKEN="…"

SENSOR2_TOKEN="…"

urllib.request.urlopen("http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/"+SENSOR1_TOKEN+"/input?value="+str(temp)).read()

urllib.request.urlopen("http://iot.robofun.ro/api/v1/senzor/"+SENSOR2_TOKEN+"/input?value="+str(humidity)).read()

Variabilele SENSOR1_TOKEN și SENSOR2_TOKEN trebuie completate cu datele obținute în urma definirii a doi senzori în cadrul platformei Robofun IoT. Pentru a executa programul în mod automat la anumite intervale de timp vom crea o intrare în fișierul de configurare a serviciului cron (/etc/crontab) de forma (execuție la 10 minute):

*/10 *  * * *   pi      python3 /home/pi/PiZeroIoT.py

După repornirea sistemului, fără a ne conecta la placă, programul se va executa în mod automat și vom putea vedea graficele pentru temperatură și umiditate în interfața serviciului IoT:

4

5

Senzor IoT temperatura cu transmisie GSM

Construieste-ti sezorul tau de temperatura IoT cu stocare de date in CLOUD. In acest proiect folosim senzorul 1 Wire 18B20 de la Dallas/Maxim si shieldul GSM dual SIM  a-gsmII sau shieldul GSM GNSS dual SIM b-gsmgnss  de la itbrainpower.net. Serviciul CLOUD este oferit gratuit de Robofun.

Necesar timp: 30-45 minute – pregatire hardware si aproximativ 30-60 minutes partea de software si setarile contului cloud.

Nivel de dificultate: intermediar.

Materiale necesare hardware IOT

Despre shieldurile GSM folosite
In acest proiect am folosit, pentru exemplificare, shieldul a-gsmII v2.105, dar exact aceleasi setari hardware se aplica pentru b-gsmgnss v2.105 (interfetele si jumperii sunt plasati in aceleasi pozitii). Mai multe informatii:
documentatie a-gsmII
documentatie b-gsmgnss

Detaliere senzor 18DS20
Lipiti rezistorul de 8.2Kb intre terminalele Vdd (pin3) si DQ (pin2) ale 18B20 ca in imaginea de mai jos. Vezi referinta DALLAS/MAXIM 18B20.

Conectare hardware (toate componentele conectate in poza de mai jos)
Pasi de urmat:

  • lipiti headere (pini) ARDUINO la shieldul GSM a-gsmII
  • plug-in (conectati) sieldul a-gsmII in Arduino UNO
  • plasati jumperul a-gsmII “Power selector” in pozitia “Vin” (referinta)
  • inserati the SIM cardul in SIM socketul primar (slotul SIM aflat in proximitatea PCB). SIM-ul trebuie sa aiba dezactivata procedura de verificare a codului PIN (vezi cum se dezactiveaza verificarea PIN, aici).
  • Lipiti rezistorul de 8.2Kb intre terminalele Vdd (pin3) si DQ (pin2) ale 18B20. Lipiti firele la terminalele senzorului 18B20.
  • Conectati firele 18B20 dupa cum urmeaza: 18B20 Vdd (pin3) la Arduino 5V, 18B20 DQ (pin2) la Arduino D8  si 18B20 GND (pin1) la Arduino GND.
  • conecteaza portul USB al Arduino UNO  la PCul tau

Alimentarea senzorului IOT va fi efectuata centralizat, prin intermediul conectorului de alimentare Arduino UNO.

SOFTWARE
a. Downloadeaza itbpGSMclass library [beta]: “a-gsmII series software IoT REST support for ARDUINO” de la a-gsmII download section, sau “b-gsmgnss series software IoT REST support for ARDUINO” de la b-gsmgnss download section. Pentru a efectua download-ul clasei va trebui sa introduci IMEI-ul (se afla marcat pe modem, sau poate fi citit folosind comanda “AT+CGSN”) si adresa ta de email.

b. Expandati archiva si instalati clasa. Pe scurt, copiati folderul “itbpGSMclass” in “Arduino local user folder” [la mine se afla in: “C:\Users\dragos\Documents\Arduino\libraries”], dupa care restartati mediul Arduino. Mai multe detalii despre intalarea manala de librarii Arduino: Arduino library manual installation.

c. Creaza un folder numit “agsmII_temperature_Robofun_cloud_logger”.

d. Salveaza codul din linkul de mai jos sub denumirea de “agsmII_temperature_Robofun_cloud_logger.ino” in folderul creat mai devreme: Temperature GSM IOT main Arduino code

e. Setari variabile in “agsmII_temperature_Robofun_cloud_logger.ino”:
– tempToken [linia 19] – inlocuieste cu tokenul senzorului tau generat in cloud Robofun
– samplingPeriod [line 29]

f. Setari variabile in “itbpGSMclass library”:
– seteaza SERVER_ADDRESS si SERVER_PORT in itbpGPRSIPdefinition.h pentru ROBOFUN CLOUD, ca mai jos
#define SERVER_ADDRESS “iot.robofun.ro”
#define SERVER_PORT “80”
– seteaza APN, USERNAME si PASSWORD, corespunzator SIM-ului tau, in itbpGPRSIPdefinition.h (pentru ORANGE RO, de exemplu, APN este “INTERNET” sau “NET”, USERNAME este “” si PASSWORD este “”)
– alege modemul itbrainpower folosit in itbpGSMdefinition.h, in acest caz:
#define __itbpModem__ agsmII
– nu uita sa salvezi setarile! 😉

g. alte setari utile >> itbpGSMClassDebug, atDebug on / off si MAX_BUFFER_SIZE… in itbpGSMdefinition.h

CLOUD ROBOFUN. CONT NOU, SENZORI si SETARI
CLOUDul Robofun este un serviciu extrem de simplu de utilizat si este disponibil in mod gratuit. Acesta este disponibil la adresa: https://iot.robofun.ro. Nu intru in detalii – creaza un cont nou si defineste un senzor nou. In interfata senzor, fa scroll down pana la paragraful “TOKEN”.

Copiaza acest cod si  foloseste-l pentru tempToken [linia 19 din “agsmII_…._logger.ino”]. Salveaza. Compileaza.

GATA!

Acest tutorial se bazeaza pe articolul “IoT temperature CLOUD logger with GSM and 1wire sensor howto” care a fost publicat original pe site-ul https://itbrainpower.net