Разработка IoT-шлюза на базе Raspberry CM3+

Большой опыт работы в сфере промышленной автоматизации и АСУТП, казалось бы, должен способствовать тому, что со временем уже много всего видел и много всего знаешь. Но не тут-то было. Оказывается, иногда могут возникать задачи и проекты, которые трудно реализовать стандартными средствами.

Так под один крупный проект по мониторингу и управлению в «облаке» одного небезызвестного завода N требовалось найти подходящее железо. Однако оказалось, что в России по требованиям помехозащищенности устройства и открытости системы ничего подходящего не существует. Попытка заказать идеально подходящее нам устройство из-за рубежа провалилась, поскольку на территорию нашей страны оборудование с пометкой «IoT» весьма трудно ввести в промышленных масштабах.
Другие же поставщики не устроили сроками доставки в 12 недель при небольших объемах и ценой. Поэтому в голове родилась и плотно осела мысль о создании своего устройства. Причем такого, чтобы оно было универсальным и подходило не только конкретно под этот один проект, а под множество других.

В итоге от момента зарождения идеи, подбора поставщиков и корпуса, разработки платы, её отладки и тестирования, написания инструкций и технической документации прошло весьма много времени. Но зато теперь я держу с легким трепетом в руках полностью законченное и рабочее устройство, и могу заявлять, что мы это сделали!

Raspberry Pi – это небольшой и дешевый универсальный микрокомпьютер, гибко настраиваемый под любые задачи.
С 2014 года он выпускается как самостоятельный вычислительный модуль Compute Module, то есть из привычной платы с различными интерфейсами и разъемами осталось только самое важное: процессор, ПЗУ и ОЗУ.

Такое исполнение позволяет использовать это устройство для любых мыслимых и немыслимых задач, все лишь упирается в возможности фантазии для создания обвязки вокруг модуля. Стоит также заметить, что с момента выхода в свет первой версии устройства вышло уже три версии модулей, а после выхода Raspberry Pi 4, вероятно, стоит ожидать еще и четвертую версию в скором времени.

Всё это говорит о том, что разработчики активно развивают свой продукт, увеличивают его мощность и быстродействие, и что их устройство пользуется определенной популярностью у людей. Эта популярность не беспочвенна: за всё это время они зарекомендовали себя как надежные устройства, способные решать задачи различного уровня в любых условиях, даже в космосе.

Также программировать на Raspberry Pi условно просто, они обладают большим количеством интеграторов по всему миру.Открытая операционная система Linux позволяет устанавливать на устройство абсолютно любое программное обеспечение в зависимости от требуемой задачи.

Например для решений в области умного дома возможны стыковки с OpenHab, Home Assistant, iRidiumMobile, NodeRed и др.

Для промышленности возможна установка SCADA-систем, таких как Master Scada 4D (new), CODESYS, Rapid SCADA, OpenSCADA с возможностью использовать устройство как шлюз для передачи данных на верхний уровень по протоколам MQTT, http, REST API или CoAP. Также возможна интеграция с различными облачными сервисами.

Устройство в минимальном исполнение поддерживает следующие интерфейсы:

• RS485 х 2;
• RS232 х 1;
• CanBus х 1;
• 1-Wire х 1;
• USB х 1;
• Ethernet х 1;
• SMA x 2;
• SIM х 1;
• miniPCIe х 2;
• HDMI 4k х 1;
• MicroUSB х 1;
• MicroSD х 1;
• GPIO х 1.
• LED х 1 (программируемый);

Вышеописанные интерфейсы позволяют внедрить устройство практический в любой проект. А дополнительные аппаратные модули для установки в слоты Mini PCI‑e от сторонних производителей решают проблему с наличием связи и интернета у устройства.

Такой путь с установкой модулей связи нами был выбран не случайно, поскольку наличие USB-адаптеров (так называемых «свистков») является не очень надежным и качественным вариантом, а установка промышленных роутеров по типу Robustel R2000‑3P является дорогостоящим (около 12 т.р.).

Поэтому мы остановились на установке двух разъемов под модули Mini PCI‑e, которые можно использовать по собственному желанию:

• 3G, LTE, GPRS модуль (HUAWEI MU709s-2, цена: 2,5 т.р.);
• Wi-Fi модуль с возможностью подключения к нему направленной антенны;
• NB-IoT модуль;
• LoraWan модуль для построения сети «интернет вещей».

Таким образом, появляется некая вариативность и гибкость в выборе нужных интерфейсов связи под конкретную задачу.

• Аппаратный watchdog;
• Аппаратные часы реального времени;
• Энергонезависимая память EEPROM;
• Металлический корпус и крышки (алюминий 3 мм);
• Диапазон питания 9-36 В;
• Температурный диапазон -25...+80°C (по документам, тесты еще не проводились).

Хотелось бы услышать Ваше мнение по данной разработке, уважаемые пользователи.