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 Duo

Chiar dacă implementarea funcționalității de router WiFi GSM utilizând familia de plăci LinkIt Smart 7688 nu este nouă în cadrul lecțiilor noastre, o să încercăm în materialul de față să propunem o versiune îmbunătățită a acestui tip de sistem. Placa de dezvoltare LinkIt Smart 7688 Duo, spre deosebire de placa LinkIt Smart 7688, deține un microcontroler ATmega32U4 ce poate fi utilizat în cadrul sistemului pentru diverse sarcini de timp real (comandă de motoare, interfață utilizator, achiziție de valori de la diverși senzori etc.). În cadrul sistemului nostru vom utiliza microcontrolerul prezent pe placa de dezvoltare pentru implementarea interfeței utilizator, mai exact vom adăuga sistemului un ecran ce va afișa în timp real date despre funcționarea routerului (număr de clienți WiFi, puterea semnalului GSM, traficul prin intermediul routerului).

Pentru configurarea de bază a routerului se vor efectua exact aceeași pași ca și în cazul plăcii LinkIt Smart 7688 (a se vedea și „Router WiFi GSM utilizând LinkIt Smart 7688”), mai exact (pe scurt):

  • Vom configura placa în mod client WiFi pentru a putea instala pachetele necesare funcționării modemului GSM;
  • Vom instala și configura modemul GSM prin definirea unei noi interfețe de rețea;
  • Noua interfață de rețea va fi introdusă în firewall în zoua wan și vom configura pornirea automată a interfeței la pornirea sistemului de operare;
  • Vom reconfigura placa în modul AP setând numele și parola de acces dorită.

Pentru afișare vom utiliza un ecran OLED monocrom ce va comunica cu placa de dezvoltare prin I2C:

  • Alimentarea se va face la 3.3V (3.3V conectat la 3.3V, GND la GND);
  • Pinul Data al afișajului la pinul D2 (SDA) al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul Clk al afișajului la pinul D3 (SCL) al plăcii de dezvoltare;
  • Pinul Rst al afișajului la pinul D5 al plăcii de dezvoltare (opțional).

2

Programul (pentru microcontrolerul ATmega32U4) va utiliza bibliotecile Adafruit GFX și Adafruit SSD1306 pentru partea de comunicație cu ecranul OLED și biblioteca Process (Bridge) pentru a comunica cu sistemul de operare OpenWRT.

#include <SPI.h>

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define OLED_RESET 5

Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET);

#include <Process.h>

Secțiunea setup() va inițializa ecranul OLED și comunicația cu sistemul de operare OpenWRT. Ecranul va afișa mesajul Initializing… pâna la încărcarea și inițializarea sistemului de operare (funcția Bridge.begin() va bloca programul până la stabilirea comunicației cu sistemul de operare).

3

void setup() {

  display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C);

  display.display();

  delay(2000);

  display.clearDisplay();

  display.setTextSize(1);

  display.setTextColor(WHITE);

  display.setCursor(0,0);

  display.println(“Initializing…”);

  display.display();

  delay(1);

  Bridge.begin();

  delay(1000);

}

Secțiunea loop() este responsabilă cu interogarea sistemului de operare și afișarea răspunsurilor pe ecranul OLED. Pe prima linie este afișată ora și data (utile pentru a verifica dacă sistemul funcționează corect, nu s-a blocat), a doua linie va afișa calitatea semnalului GSM (utilă pentru poziționarea unei antene externe), a treia linie va afișa numărul de clienți WiFi iar ultima linie cantitatea de informație (recepționată și transmisă) transferată prin intermediul conexiunii GSM (informații utile în cazul unui abonament de date cu limitări la datele transferate). Datele sunt împrospătate o dată la 30 de secunde.

4

void loop() {

  Process MyProc;

  display.clearDisplay();

  display.setTextSize(1);

  display.setTextColor(WHITE);

  display.setCursor(0,0);

  MyProc.runShellCommand(“date +%H:%M”);

  while (MyProc.available() > 0) {

    char c = MyProc.read();

  if (c!=’\n’) display.print((char)c);

  }

  display.print(” “);

  MyProc.runShellCommand(“date +%D”);

  while (MyProc.available() > 0) {

    char c = MyProc.read();

    if (c!=’\n’) display.print((char)c);

  }

  display.println();

  display.println();

  display.print(“RSSI:”);

  MyProc.runShellCommand(“/root/get_rssi”);

  while (MyProc.available() > 0) {

      char c = MyProc.read();

      if (c!=’\n’) display.print((char)c);

  }

  display.println();

  display.println();

  display.print(“Clients:”);

  MyProc.runShellCommand(“/root/clients”);

  while (MyProc.available() > 0) {

      char c = MyProc.read();

      if (c!=’\n’) display.print((char)c);

  }

  display.println();

  display.println();

  MyProc.runShellCommand(“ifconfig 3g-gsm | grep ‘RX bytes’ | awk ‘{ print $1 $3 $4 }'”);

  while (MyProc.available() > 0) {

    char c = MyProc.read();

    if (c!=’\n’) display.print((char)c);

  }

  display.println();

  MyProc.runShellCommand(“ifconfig 3g-gsm | grep ‘RX bytes’ | awk ‘{ print $5 $7 $8}'”);

  while (MyProc.available() > 0) {

    char c = MyProc.read();

    if (c!=’\n’) display.print((char)c);

  }

  display.display();

  delay(30000);

}

Este posibil ca legătura dintre microcontrolerul ATmega32U4 și sistemul de operare OpenWRT să fie oprită implicit (să fie oprit serviciul responsabil la nivel de sistem de operare). În acest caz este necesară rularea următoarelor comenzi în linia de comenzi a sistemului de operare:

# uci set yunbridge.config.disabled=’0’

# uci commit

# reboot

Pentru rularea scripturilor de interogare a puterii semnalului și a numărului de clienți este necesară instalarea pachetului bash sub sistemul de operare OpenWRT:

# opkg update

# opkh install bash

Scriptul de interogare a puterii semnalului se va salva în diretorul /root sub denumirea get_rssi (tebuie acordate permisiuni de execuție #chmod +x get_rssi). Scriptul va interpreta o valoare pentru calitatea semnalului mai mare de 25 ca fiind excelentă, între 19 și 25 bună, între 13 și 19 medie, între 7 și 13 slabă și sub 7 foarte slabă. Lipsa semnalului poate însemna atât aflarea într-o zonă fără semnal dar și o problemă cu modemul GSM (deconectat?) sau cu SIM-ul GSM (neintrodus, fără credit?).

#!/bin/bash

rssi=`printf “%s\n” $((/usr/sbin/chat -V -s ” ‘AT+CSQ’ ‘OK’ ” > /dev/ttyUSB2 < /dev/ttyUSB2) 2>&1 | /bin/grep CSQ: | /usr/bin/awk ‘{print $2}’)`

rssi=”${rssi//,/.}”

rssi=$(printf “%.0f” $rssi)

if [ $rssi -gt 25 ]; then

        echo “$rssi Excellent”

elif [ $rssi -gt 19 ] && [ $rssi -le 25 ]; then

        echo “$rssi Good”

elif [ $rssi -gt 13 ] && [ $rssi -le 19 ]; then

        echo “$rssi Average”

elif [ $rssi -gt 7 ] && [ $rssi -le 13 ]; then

        echo “$rssi Low”

elif [ $rssi -gt 0 ] && [ $rssi -le 7 ]; then

        echo “$rssi Very low”

else

        echo “No signal”

fi

Scriptul de interogare a numărului de clienți WiFi se va salva în diretorul /root sub denumirea clients (tebuie acordate permisiuni de execuție #chmod +x clients). Scriptul va verifica numărul de înregistrări ARP din rețeaua WiFi. Atenție!!! Conectarea unui nou client WiFi va conduce la incrementarea imediată a numărului de clienți dar deconectarea nu va conduce la o decrementare decât în momentul în care expiră cache-ul ARP.

nr=0

for ip in $(cat /proc/net/arp | grep -v IP | awk ‘{print

$1}’); do

    nr=$((nr+1))

done

echo $nr

 

Dacă doriți să explorați și alte variante de implementare puteți vedea și „Smart Router With WiFi Connection Visualization”.

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