«Интернет вещей» – в массы! Миниатюрные веб-серверы от Lantronix

«Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) – технология, которая давно перешла из разряда фантастики в реальную повседневную жизнь. Теперь узлами сети Интернет являются не только компьютеры и серверы, но и промышленное оборудование, бытовая техника, отдельные датчики. Создание таких интеллектуальных приборов – задача не из легких. Чтобы упростить себе жизнь и не изобретать велосипед, стоит воспользоваться готовыми миниатюрными модульными веб-серверами производства компании Lantronix.

Концепция «Интернет вещей», подразумевает собой включение в состав привычных сетей Ethernet бытовых приборов, промышленного оборудования, датчиков и так далее. Эта идея, появившаяся в романах фантастов, с недавних пор стала реальностью. Вряд ли сейчас можно найти человека, который не слышал бы об «умных» телевизорах, «умных» домах или даже об «умных» холодильниках, способных без вмешательства хозяина заказать еду в Интернете.

Тем не менее, несмотря на видимое бурное развитие IoT, для создания таких интеллектуальных приборов требуются опытные группы разработчиков. Почему? Все достаточно прозаично.

Во-первых, сама по себе реализация аппаратной части интерфейса Ethernet является непростой задачей. Требуется создание сложных принципиальных схем включения интерфейсных микросхем, выполнение разводки высокоскоростных линий и так далее.

Во-вторых, после создания аппаратной части необходимо написать десятки и сотни килобайт программного кода для реализации требуемых уровней сетевой модели OSI: от драйверов интерфейсных микросхем до протоколов более высоких уровней (TCP/IP, UDP и так далее).

В-третьих, любое устройство, кроме работы в сети Ethernet, должно выполнять и свои основные функции: холодильник – хранить продукты, промышленный станок – делать детали.

В итоге, чтобы решить все поставленные задачи, требуется достаточно опытная группа разработчиков.

Значит ли это, что данная сфера оказывается закрытой для менее опытных электронщиков, для энтузиастов и непрофессиональных пользователей? Вовсе нет! Компания Lantronix предлагает им палочку-выручалочку в виде готовых встраиваемых миниатюрных веб-серверов.

Миниатюрные веб-серверы производства компании Lantronix будут интересны как профессионалам, так и новичкам. Их использование дает целый ряд преимуществ:

• сокращение времени на реализацию аппаратной части;
• сокращение времени на разработку ПО. Готовая поддержка основных протоколов Ethernet (TCP/IP, UDP/IP, DHCP, ARP, ICMP, DHCP, Auto-IP, DNS, SNMPv1, TFTP);
• простоту реализации взаимодействия с управляющим контроллером благодаря привычному последовательному интерфейсу (UART);
• возможность создания Ethernet/Wi-Fi-сервера с поддержкой интерфейсов RS-485/422 и RS-232;
• возможность создания Ethernet/Wi-Fi-сервера с поддержкой Modbus (с помощью xPico IAP, xPort IAP);
• снижение стоимости конечной системы;
• минимизацию габаритов конечной системы (размер xPico IAP с поддержкой Modbus составляет всего 24×16,5 мм).

Где нужен Embedded Ethernet?

Интеллектуальные способности современной электроники постоянно повышаются. Даже самый простой прибор уже трудно представить без микроконтроллера. Микроконтроллер управляет работой различных механизмов, отслеживает состояние датчиков и так далее. Если же требуется удаленное взаимодействие с прибором, необходимо обеспечить поддержку одного из коммуникационных интерфейсов.

Самыми простыми для пользователей были и остаются привычные последовательные интерфейсы RS-232 и RS-485/422. Накоплен значительный опыт их использования. Это касается как аппаратной, так и программной части. Однако эти интерфейсы оказываются непригодными для создания глобальных сетей, в том числе – и для реализации «Интернета вещей». Очевидно, что для этих целей можно использовать только существующие сети Ethernet и Wi-Fi.

Компания Lantronix помогает устранить это противоречие (рисунок 1). Теперь, чтобы подключить устройство с последовательным интерфейсом (UART, RS-232, RS-485/422), не требуется сверхусилий. Достаточно выбрать подходящий встраиваемый веб-сервер Lantronix.

Рис. 1. Подключение устройств к сетям Ethernet и Wi-Fi с помощью веб-серверов Lantronix

Миниатюрные веб-серверы Lantronix устанавливаются прямо на плату устройства, а взаимодействие с управляющим контроллером происходит с помощью простейшего последовательного интерфейса. Настройка сервера производится с помощью программных утилит по web-интерфейсу.

В итоге создание IoT-устройств оказывается по силам даже новичку. Главное – определиться с типом подходящего встраиваемого модуля веб-сервера.

IoT от Lantronix – решения на любой вкус

Компания Lantronix предлагает встраиваемые модульные веб-серверы нескольких семейств, – xPort, xPico, MatchPort, WiPort, а также платы веб-серверов Micro 125. Между собой они отличаются форм-фактором, объемом памяти, перечнем поддерживаемых протоколов и дополнительными особенностями [1]. Каждое из семейств имеет представителей с поддержкой обычного проводного Ethernet (таблица 1) и с поддержкой Wi-Fi (таблица 2).

Таблица 1. Характеристики проводных встраиваемых Ethernet-модулей Lantronix

Примечания: * – На заказ. ** – Опционально.

Таблица 2. Характеристики встраиваемых Wi-Fi-модулей Lantronix

Особенности Семейство xPico Wi-Fi® MatchPort® b/g MatchPort® b/g Pro WiPort® Операционная система ThreadX CoBos Evolution OS® CoBos 10/100-Ethernet – + + + Встроенный разъем RJ45 – – – – Wireless 802.11 b/g/n b/g b/g b/g Тип антенны внешняя Мост LAN >802.11 – + + + Soft AP + – – – SmartRoam™ + + + – TCP/UDP клиент-сервер + + + + Telnet + + + + DHCP, BOOTP & AUTOIP + + + + TFTP (FTP*) – + + + PPP – – + – SNMP – + + + Web Server — HTTP/CGI* + + + + Web Server — AJAX – – + – SSL Secure Web Server – – + – SSL Secure Data Tunneling – – + – SSH Client & Server – – + – IPv6 (Linux SDK Development Platform*) + – – – AES Encryption** + + + + Количество GPIO 8 8 7 11 Flash/RAM, кбайт 1000/128 2000/256 8000/8000 2000/256 Web Manager (для настройки) + + + + Email Client – + + + Диапазон рабочих температур, °C -40…85 -40…70 Габаритные размеры, мм 24×16,5×5,64 44,4×44,4×10,4 33,9×32,5×10,5 Последовательные порты CMOS 3,3 Вx2 Устойчивость к сигналам 5 В есть есть есть есть Скорость передачи данных по последовательным интерфейсам, кбит/с 921 921 230 921 USB + – – –

xPico – миниатюрные встраиваемые веб-серверы (рисунок 2а, таблица 1). Размеры этих модулей составляют всего 24×16,5 мм, это меньше, чем размеры обычных SD-карт. C помощью этих веб-серверов можно создать полноценный Ethernet-сервер, взаимодействующий с контроллером или датчиками по последовательному интерфейсу.

При использовании xPico для подключения к сети Ethernet необходимо наличие дополнительных внешних трансформаторов и разъема RJ-45.

xPico IAP – версия xPico для промышленных приложений (Industrial Applications) (рисунок 2а, таблица 1). xPico IAP и xPico совместимы по выводам. Ко всем достоинствам обычных xPico в данном случае добавляется поддержка Modbus.

xPico Wi-Fi – версия xPico с поддержкой Wi-Fi (рисунок 2б, таблица 1).

XPort, XPort IAP и XPort Pro – уникальные модули, представляющие собой полноценные веб-серверы со встроенным трансформатором и разъемом RJ-45 (рисунок 3, таблица 1). Они максимально упрощают подключение интеллектуальных устройств к сети Ethernet.

XPort IAP – версия XPort для промышленных приложений (Industrial Applications) с поддержкой протокола Modbus.

XPort Pro – версия XPort с расширенным перечнем протоколов для работы в сети Ethernet. Отличается большим объемом встроенной памяти.

MatchPort – семейство, включающее в себя нескольких представителей, совместимых по выводам (рисунок 4, таблицы 1 и 2). Таким образом, переход с Ethernet на Wi-Fi потребует только смены модуля без переделки аппаратной части. MatchPort снабжены увеличенным объемом памяти Flash/ОЗУ до 8/8 Мбайт (Wi-Fi-версии MatchPort® b/g Pro).

MatchPort® Pro отличаются наиболее широкой поддержкой протоколов.

WiPort – семейство, состоящее из двух представителей. WiPort NR служит для преобразования UART в Ethernet, WiPort – для преобразования UART в Wi-Fi (рисунок 5, таблицы 1 и 2). Они совместимы по выводам.

Micro125 – веб-сервер в виде печатной платы размерами 49×40 мм (рисунок 6, таблица 1). Плата, по сути, представляет законченное устройство и включает непосредственно веб-сервер, светодиоды, разъем и систему питания.

С точки зрения использования в промышленных приложениях наиболее интересным является модуль xPico™ IAP с поддержкой протокола Modbus.

Рис. 3. Внешний вид модулей XPort

Рис. 4. Внешний вид модулей MatchPort

Рис. 5. Внешний вид модулей WiPort

Рис. 6. Внешний вид модулей Micro125

xPico IAP – большие возможности при малых размерах

Миниатюрный встраиваемый веб-сервер xPico IAP (рисунок 2) предназначен для промышленных приложений и имеет поддержку протокола Modbus. В остальном характеристики xPico IAP полностью совпадают с характеристиками xPico. Для заказа xPico IAP следует использовать код XPC10010M (таблица 3).

Таблица 3. Встраиваемые миниатюрные веб-серверы xPico

Наименование Описание XPC100100B-01 Серверный модуль xPico, расширенный температурный диапазон, шифрование AES, массовая поставка XPC100100S-01 Серверный модуль xPico, расширенный температурный диапазон, шифрование AES, одиночный модуль XPC100100K-02 Отладочный набор для xPico и xPico IAP XPW100100B-01 Серверный модуль xPico Wi-Fi — IEEE 802.11 b/g/n, расширенный температурный диапазон, массовая поставка XPW100100S-01 Стандартный серверный модуль xPico Wi-Fi — IEEE 802.11 b/g/n, расширенный температурный диапазон, одиночный модуль XPW100100K-01 Отладочный набор для xPico Wi-Fi XPC10010MB-01 xPico IAP – серверный модуль с поддержкой Modbus, расширенный температурный диапазон, массовая поставка XPC10010MS-01 xPico IAP – серверный модуль с поддержкой Modbus, расширенный температурный диапазон, одиночный модуль

xPico IAP представляют собой миниатюрные модули 24×16,5×5,64 мм, предназначенные для установки на пользовательскую печатную плату. Установка производится с помощью 40-контактного разъема типа «плата-плата». xPico IAP и xPico полностью совместимы по выводам.

xPico IAP построены на базе 16-битных контроллеров DSTni-EX (с архитектурой x86), оснащены памятью Flash на 512 кбайт и ОЗУ – на 256 кбайт. Отличительными чертами данного веб-сервера являются:

• поддержка широкого спектра сетевых протоколов TCP/IP, UDP/IP, DHCP, ARP, ICMP, DHCP, Auto-IP, DNS, SNMPv1 и TFTP;
• поддержка протоколов Modbus TCP, ASCII и RTU;
• два последовательных интерфейса с логическими уровнями CMOS 3,3 В (устойчивы к сигналам 5 В) для взаимодействия с управляющим контроллером;
• 8 вводов/выводов общего назначения (GPIO);
• вводы для управления внешними светодиодами;
• 40-контактный разъем для установки на пользовательскую плату.

Таким образом, xPico IAP и xPico уже имеют на борту все необходимое для создания полноценного сетевого устройства, а диаграмма подключения оказывается максимально простой и не требует внешних интеллектуальных микросхем.

Схема включения xPico – все гениальное просто

xPico IAP и xPico интегрируют в себе все необходимые интеллектуальные возможности. В итоге схема включения оказывается предельно простой и требует минимального набора внешних компонентов (рисунок 7) [2].

Рис. 7. Диаграмма включения модулей xPico

Подключение к сети Ethernet. Все сигналы xPico IAP и xPico выведены на один 40-контактный разъем. По этой причине для подключения к сети 10/100 Мбит Ethernet на пользовательской плате необходимо разместить внешний Ethernet-трансформатор и разъем RJ-45. Не стоит забывать и о безопасности – в случае необходимости следует дополнительно размещать элементы защиты от статики на выходном разъеме (например, варисторы или TVS).

Для индикации состояния сети в xPico IAP предусмотрены линии управления стандартными внешними Ethernet-светодиодами.

Взаимодействие с управляющим контроллером. Для взаимодействия с внешним пользовательским контроллером используется один из двух последовательных интерфейсов CMOS 3,3 В UART (совместим с логикой 5 В). В итоге для связи с микроконтроллером логично использовать обыкновенный UART без дополнительных согласующих микросхем.

Реализация популярных интерфейсов. В случае, когда требуется реализовать интерфейсы RS-485/422 или RS-232, необходим дополнительный приемопередатчик.

Один из двух доступных в xPico IAP последовательных каналов имеет сигналы RTS/CTS и DTR/DCD и может использоваться для создания полноценного последовательного порта RS-232 для связи с ПК.

Использование вводов/выводов общего назначения (GPIO). xPico IAP имеет восемь GPIO. Это чрезвычайно полезная особенность. С помощью GPIO можно строить простейшие управляющие схемы даже без пользовательского микроконтроллера! При этом пользователю не придется написать ни одной строчки кода!

Таким образом, для создания простейшего устройства Ethernet необходима всего лишь простейшая пользовательская плата с трансформаторами, разъемом RJ-45 и блоком питания.

Соединение модулей xPico IAP и xPico и пользовательской платы обеспечивается с помощью 40-контактного разъема типа «плата-плата».

Монтаж xPico – просто как «раз-два-три»

Рис. 8. Последовательность установки модуляxPico в монтажную клипсу XPC100A001 [2]

В самом простом случае для установки на плату можно использовать обычные непроводящие стойки, но Lantronix предлагает более изящный вариант – с помощью специальной пластиковой клипсы XPC100A001 (рисунок 8).

После фиксации в клипсе пользователю останется только установить полученную конструкцию на плату (рисунок 9). При этом способе монтажа установка или замена модуля займет всего несколько секунд.

Теперь, когда мы рассмотрели схему включения xPico и xPico IAP и особенности их монтажа на плату, осталось сказать пару слов о том, как их настроить для работы с помощью бесплатных веб-интерфейсов компании Lantronix.

Настройка веб-сервера xPico – обойдемся без хакеров

Итак, материнская плата разведена, модуль xPico или xPico IAP установлен. Теперь необходимо сконфигурировать веб-сервер [3]. Для этого вовсе не требуется звать профессионального хакера или писать сверхсложную программу.

• Шаг первый. Подключаем наше устройство напрямую к компьютеру (без роутера) с помощью сетевого кабеля. Включаем питание платы.

Альтернативным вариантом подключения к персональному компьютеру является использование стандартного COM-порта. Но для этого на нашей плате должен быть приемопередатчик RS-232 и стандартный разъем COM-порта. Очевидно, что это менее удобный вариант подключения.

• Шаг второй. Скачиваем с сайта Lantronix бесплатную программу DeviceInstaller (http://www.lantronix.com/products/deviceinstaller/) и устанавливаем ее.
• Шаг третий. Настраиваем наше устройство. Для этого запускаем “Web Manager” в случае xPico или выбираем вкладку “Telnet Configuration” для xPico IAP.
• Шаг четвертый. Выбираем наш веб-сервер (при прямом подключении он, очевидно, будет единственным) и с помощью вкладок “Web Manager” настраиваем его последовательный интерфейс, порты ввода вывода и так далее.

Рис. 9. Установка модуля xPico на печатную плату [2]

Начать работу с xPico можно также и без разработки собственной платы. Для этого следует воспользоваться отладочным набором xPico Development Kit.

xPico Development Kit – обойдемся без схемотехников

Чтобы создать простейшее Ethernet-устройство на базе xPico или xPico IAP, можно обойтись не только без знаний программирования, но и без глубоких знаний схемотехники. Для этого следует воспользоваться отладочным набором xPico Development Kit Solutions (наименование при заказе – XPC100100K-02) (рисунок 10).

Рис. 10. Внешний вид отладочного набора XPC100100K-02 [4]

• модуль xPico;
• отладочную плату xPico Evaluation Board;
• сетевой адаптер 5 В;
• установочную клипсу xPico Mounting Quick Clip (рисунок 8);
• кабель для подключения к последовательному порту компьютера (RS-232, DB9F/F, нуль-модем);
• Ethernet-кабель CAT5.

Отладочная плата питается одним из трех способов: от сетевого адаптера 5 В, от USB-порта 5 В, от PoE-регулятора, подключенного к разъему RJ45.

Кроме развитой схемы питания, плата имеет на борту следующие элементы:

• два разъема DB9. На один из них выведены линии мультипротокольного приемопередатчика RS-232/RS-422/RS-485 для подключения к соответствующим шинам. Второй используется только для связи по RS-232;
• разъем RJ45 для подключения к 10/100-Ethernet;
• разъем USB Mini-Type B, использующийся для питания и создания дополнительного последовательного канала связи с помощью моста USB-UART;
• восемь светодиодов для отображения состояния коммуникационных интерфейсов и питания;
• перемычки, использующиеся для настройки параметров платы.

Очевидно, что сфера применения xPico чрезвычайно обширна. Чтобы не быть голословным, стоит привести несколько конкретных примеров.

Применение веб-серверов Lantronix – свободный полет фантазии

Промышленность, медицинское оборудование, бытовая техника, индустрия развлечений, торговля – вот лишь малая часть сфер применения продукции Lantronix. Приведем несколько конкретных примеров.

Удаленное управление промышленным оборудованием. Существует огромное количество промышленного оборудования, работающего с такими интерфейсами как RS-232/RS-485/RS-422: сервоприводы, ПЛК, электроавтоматика станков, технологические пульты операторов и так далее. Все существующие решения интеграции таких устройств в сети Ethernet слишком громоздки или требуют разработки сложного ПО. С помощью xPort и xPico эта же проблема решается быстро, экономично и без написания дополнительного кода.

Системы сигнализации и безопасности. Долгое время для создания систем охранной сигнализации использовались обычные телефонные линии или модемы сотовой связи, что было не всегда удобно. Телефонная сеть присутствует не в каждой квартире, а применение сотовой связи является достаточно дорогим удовольствием.

С помощью xPort и xPico, или с помощью беспроводных веб-серверов производства Lantronix, о срабатывании пожарных датчиков, датчиков проникновения, датчиков утечки газа или воды можно узнавать в реальном времени без какой-либо дополнительной абонентской платы.

Системы «Умный дом». Интересным окажется использование веб-серверов Lantronix и в системах «Умный дом». Наполнить ванную, прогреть комнату, включить полив газона можно прямо с рабочего места, находящегося на другом конце города.

Системы управления дорожным движением. С помощью xPort и xPico легко создать интеллектуальную систему контроля дорожного движения. Работой светофоров и фонарей освещения можно управлять удаленно и настраивать их в соответствии с загрузкой транспортных линий и требованиями времени суток.

Заключение

Модульные веб-серверы производства компании Lantronix позволяют быстро и без значительных финансовых затрат создавать сетевые приложения для IoT. При этом требуется минимум усилий по написанию кода и разработке аппаратной части. Например, для создания полноценного веб-сервера на базе xPico IAP необходима всего лишь простая плата с развязывающими трансформаторами, разъемом RJ45 и системой питания 3,3 В.