Industrial Shields GateBerry recenzija

Industrial Shields je španska kompanija locirana u Barseloni koja proizvodi industrijska rešenja: industrijske PLC-ove i HMI displeje bazirane na Arduino, ESP32 i Raspberry Pi platformama. Za potrebe ove recenzije i predstavljanja našim čitaocima dobili smo njihov industrijski gateway – Industrial Shields GateBerry. Zamišljen je da u industrijskim uslovima radi zadatke akvizicije podataka i monitoringa opreme, uz implementirane komunikacione interfejse koji mu omogućavaju integraciju u žičnu ili bežičnu mrežu i time povezivanje sa upravljačkim centrom. Industrial Shields ovaj svoj model po predviđenoj aplikativnoj funkcionalnosti klasifikuje u grupu industrijskih PLC-ova.

Hardver

Industrial Shields GateBerry ima kućište koje omogućava montažu na DIN šinu na kojoj će zauzeti 71 mm, dakle zauzima mesto za četiri standardna modula. Plastično kućište se zatvorenom stanju drži žabicama – ne koristi zavrtnje, a plastika je dovoljno elastična da se može otvoriti. Postupak nije baš lak, pa je potreban šrafciger, a uz to je veoma teško biti toliko pažljiv da se otvori bez pravljenja ogrebotina u plastici. Razlog zašto bi otvarali kućište može biti zamena RTC baterije ili komunikacionog modula, pa možemo reći da ćete to veoma retko raditi.

GateBerry je PLC otvorenog tipa i u industrijskim uslovima se ne sme montirati van ormara, čak i ako se to čini na izdvojenom mestu ili na samoj mašini. Masa mu je svega 250 g i može se nakačiti na zavrtanj sa ravnom glavom, budući da ima predviđenu montažnu rupu sa zadnje strane. U tom slučaju treba obratiti pažnju na potencijalna oštećenja usled vibracija ili pomeranja, jer je veza samo u jednoj tački sa slobodnom rotacijom i bez mogućnosti da se uređaj potpuno fiksira.

Kada se poklopac kućišta odvoji od baze, ostaje vezan samo – u našem slučaju 4G antenom, budući da smo dobili model sa 4G LTE modulom. Antenu prilikom otvaranja ne morate uklanjati sa kućišta, ali budite pažljivi prema kratkom, tankom, crnom kablu.

Kao što se vidi na slici ispod, pre otvaranja redne kleme terminal konektora treba izvući iz utičnih letvi. Čak i tada će letve „štrčati“ van kućišta, pa savetujemo da odvajanje poklopca otpočnete sa suprotne strane – tamo gde su USB portovi.

Već sada vidimo da je GateBerry realizovan sa UPSBerry HAT-om povezanim preko 40 pinskog GPIO hedera sa Raspberry Pi 4b modelom. Naš primerak je došao sa 2 GB LPDDR-4 RAM-a što je sasvim dovoljno budući da radi u CLI modu. Znamo da je 2 GB RAM-a donja granica za pokretanje desktop Linux OS-a na Raspberry Pi 4 Model B.

Funkcija HAT-a je višestruka i on čini ono po čemu se Industrial Shields GateBerry razlikuje od neke mejkerske realizacije upravljačkog sistema korišćenjem Raspberry Pi 4 Model B SBC-a i mejkerskih dodataka. Ovde imamo inženjersko osmišljen proizvod sa nizom prilagođenih karakteristika u službi realizacije potrebnih interfejsa i željenih funkcionalnosti.

HAT-ov HAT u našem uzorku je 4G LTE modul sa u-blox SARA-R412M. Ovaj modul kreiran 2018. spada u proverena rešenja za LTE Cat M1 (FDD Bands: 2/3/4/5/8/12/13/20/26/28), NB-IoT, quad-band 2G (850-1900MHz) i EGPRS multi-slot class 33 komunikacije sa svetskom pokrivenošću. Modul je po rečima u-blox-a kreiran sa mišlju da „pokriva čitav niz IoT aplikacija, posebno onih koje se oslanjaju na dugoročnu potrošnju male količine energije ili zahtevaju povezivanje duboko unutar zgrada. Primeri uključuju merenje gasa, vode i električne energije, gradsko ulično osvetljenje, automatizaciju zgrada, HVAC (grejanje, ventilacija i klimatizacija), industrijski nadzor i kontrolu, telematiku, osiguranje, praćenje imovine i vozila, bezbednosne sisteme, alarmne panele, ambulantno praćenje i mnoge prenosne uređaje namenjene širokoj potrošnji.“

Industrial Shields u ponudi ima četiri HAT-a koji se po zahtevu kupca montiraju pre isporuke. Pored pomenutog 4G LTE SARA-R412M modula tu se mogu naći: 4G LTE-E LARA-R2, LoRa RN2483, CANBus MCP2515 ili GPS u-blox LEA-6S. Mi nismo videli ostale module, ali možemo potvrditi da je raspored pinova, kao i da su generalne dimenzije našeg 4G LTE SARA-R412M modula isti kao kod mikroE CLICK modula, koji se kod proizvođača može naći po ceni od $95. Jedna nama bitna razlika je redosled pomoćnih PIO pinova (umesto NC-ANT-6-5-4-3-2-1, na mikroE je 5-6-1-2-3-4), dok je druga različit antenski konektor. Ovo otvara dodatne mogućnosti prilagođenja nekim od velikog broja različitih mikroE CLICK modula – naravno uz pisanje odgovarajućeg softvera i pronalaženje pripadajućih drajvera.

Firmver u-blox SARA-R412M se može online ažurirati (uFOTA). Dizajniran je da radi u proširenom – industrijskom temperaturnom opsegu -40 do +85°C. Ovaj opseg u ovoj realizaciji nema velikog upotrebnog značaja, jer je sam GateBerry zbog ostalih upotrebljenih komponenti, pre svega SBC-a predviđen za rad u užem opsegu – od 0 º do 60 ºC uz vlažnost od 10% do 90% bez kondenzacije. Naime odluka da se sistem sagradi oko Raspberry Pi 4b SBC-a uslovilo je temperaturna ograničenja, budući da ovaj SBC sertifikovano radi u rasponu od 0°C do 70°C. Ako se želeo industrijski opseg rada, trebalo je koristiti Raspberry Pi CM4 (Compute Module 4) sa istim SoC-em i memorijom, a koji je namenjen za rad u industrijskim uslovima.

Kada već pominjemo SBC, treba reći da se GateBerry može nabaviti bez ili sa ugrađenim Raspberry Pi 4 Model B koji na sebi može imati: 2, 4 ili 8 GB RAM-a. Kako Debian 12 koji se isporučuje zauzima samo 178 MB RAM-a, nije daleko od „pameti“ pretpostavka da se ovaj gateway može naći i sa cenovno atraktivnim Raspberry Pi 4 Model B sa 1 GB RAM-a.

Postoji mogućnost nabavke GateBerry-a sa Raspberry Pi 5 koji ima 4, 8 ili 16 GB RAM-a. Mi nismo imali prilike da testiramo takve primerke. Koliko god bili svesni snage novog SBC-a, postavlja se pitanje hlađenja, koje je sa tim SoC-em još veći izazov.

Naš 4G LTE Sara R412M modul je malih dimenzija te je pogodan za ugradnju u prenosnim i pokretnim baterijski napajanim uređajima. Energetskoj efikasnosti doprinosi implementirana podrška za režim uštede energije (PSM) i produženi diskontinuirani prijem (e-DRX) za LTE Cat M1 i NB-IoT komunikacije, čime značajno produžuje vreme autonomnog rada pri korišćenju baterijskog napajanja.

Iza modula uočavamo dva velika kondenzatora od 25 F ulemljena na UPSBerry HAT. Njihova namena je da osiguraju pravilno gašenje uređaja u slučaju nenadanog nestanka napajanja, kao i stabilizaciju ulaznog napajanja u slučaju kratkotrajnih promena – dakle ima ulogu UPS-a. Kao i sa svim superkondenzatorima potrebno je pažljivo rukovanje.

Ispod, odnosno između hedera pločice komunikacionog modula nalazi se ležište za Li-Ion CR1220 ili CR1216 baterija za RTC. HAT na sebi ima DS3231 kolo časovnika realnog vremena povezano I2C vezom, koji se napaja ovom baterijom u slučaju nestanka glavnog napajanja.

Plastični odstojnici drže HAT na odgovarajućem udaljenju od Raspberry Pi 4 Model B ploče, a zanimljiv je „nikada veći“ sendvič termalnih pedova koji se nalaze između HAT-a i gotovo svih čipova na SBC-u. Drugi sloj termalnih pedova se nalazi između Raspberry Pi-a i značajnog komada metala koji vidimo na prvoj slici ovog prikaza. On je dizajniran da dodiruje DIN šinu i prenosi toplotu sa njega na nju. Otuda je montaža na DIN šinu gotovo neophodnost.

Naši testovi su pokazali da GateBerry ulazi u trotl nakon tridesetak minuta ukoliko se ne ostvari kontakt između tog komada metala i DIN šine kako bi se višak toplote disipirao po njoj. Montiran na DIN šini SoC ostaje stabilno na oko 77 °C, što je veoma blisko temperaturi trotlovanja. Ovo je dizajnerski verovatno i najveći izazov. Napomena proizvođača je da GateBerry bude najmanje 25 cm udaljen od drugih uređaja u ormaru, čemu verujemo doprinosi i ovako realizovan način disipacije toplote. Sa druge strane postavlja se pitanje koliko je realno očekivati da će aplikativni zahtev pred SoC postaviti ovakvo opterećenje koje u našem testu čini stress test. No, to su situacije koje se moraju procenjivati u konkretnim uslovima. Možda treba razmišljati da se na neki način, pastom ili tankim pedom ipak ostvari neposredniji konatkt između metalnog komada i DIN šine.

GateBerry koristi sve standardne izlaze Raspberry Pi-a osim USB-C porta koji kod Raspberry Pi-a služi za napajanje. Napajanje dovedeno na ovaj port nije dovoljno da pokrene GateBerry, koji će, pokušate li to da učinite, ući u beskonačan loop reseta i podizanja sistema.

Sa bočne strane su dva mini HDMI izlaza na kojima dobijate sliku komandnog interfejsa. I na taj način možete pristupiti podešavanju i upravljanju GateBerry-ijem. Uz njih je audio 3.5 mm in/out džek. Gornji horizontalni otvor je za umetanje i izvlačenje RTC baterije. Koliko je izvlačenje baterije moguće na ovaj način bez otvaranja kućišta – ne možemo da tvrdimo. Umetanje je sasvim ok.

Sa donje strane nalaze se po dva USB-A 2.0 i USB-A 3.0 konektora, kao i Gb Ethernet port. Sve karakteristike ovih portova možete videti u našoj recenziji Raspberry Pi 4 Model B. Isto važi i za računarske performanse koje se oslanjaju na ovaj SBC.

U desnom ćošku je antena povezana za neki od mrežnih modula, u našem slučaju 4G LTE SARA R412M.

Sa gornje strane GateBerry-a imamo daleko zanimljiviju priču. Prva dva terminalna kontakta su nepovezana i ne koriste se. Nakon njih dolazi terminalni konektor za signale koji koristi „žabice“ za fiksiranje provodnika. Prva tri su za I2C, gde je signal 3.3 V. Dobro je što je ovde postavljen i 5 VDC, uz SDA (data) i SCL (clock), kako bi se lako realizovao pull-up otpornik.

Sledeća tri su za realizaciju RS485 interfejsa, kao što znamo pogodnog za serijski prenos informacija između udaljenih uređaja kroz dva uparena provodnika – često korišćen u industriji.

Napajanje se isključivo izvodi preko krajnje desnog terminala, na kome se provodnici fiksiraju zavrtnjima. Napon treba biti u opsegu 12 do 24 VDC. Na našim merenjima angaćove snage, u stress testu yređaj je povlačio oko 8.5 W, dok je u mirnom režimu rada ta vrednost bila oko 5 W.

Kroz donji desni otvor vide se dve signalne diode na Raspberry Pi ploči i to je jedina vizuelna identifikacija stanja sistema. Crvena dioda sija kada je doveden napon i SBC pokrenut, dok zelena koja se nalaze tik uz nju signalizira transfer podataka na i sa SD kartice.

Na dnu se nalazi otvor ka utoru za SD karticu. Kod Raspberry Pi-a ležište je push-pull tipa, tako da vam za izvlačenje SD kartice treba pinceta, dok se ubacivanje vrši lako vrhovima prstiju. Ovo rešenje je u zajednici ponekad osporavano, budući da je push-push ležište lakše za manipulaciju, ali i manje sigurno, jer se nehotičnim pritiskom na ubačenu karticu ona može izbaciti. To je problem i zbog prekida funkcionalnosti SBC-a, a vrlo lako na taj način dolazi do oštećenja SD medija i/ili gubitka programa i podataka.

Industrial Shields GateBerry dolazi sa Transcend SDC240I SD karticom na kojoj je insaliran Debian 12 OS. U pitanju je kartica namenjena za industrijsku upotrebu operativna u proširenom temperaturnom opsegu: -40 do +85°C. Bez obzira na specifikacije proizvođača, hdparm je pokazao nekeširanu brzinu čitanja od 44.98 MB/s što je rezultat koji je određen karakteristikama SBC-a, a ne kartice.

Softver

Bazirati proizvod na bilo kom Raspberry Pi-u znači obezbediti ogromnu količinu softvera, primera, uputstava, gotovih rešenja i nadasve agilnu i veliku zajednicu. Ceo jedan set problema sa kojima se bore, neretko i tehnološki razvijenije platforme rešava se ovim izborom. Nešto slično kao kada se odlučuje za Windows računar u PC svetu.

Na SD kartici nalazi se Debian 12 (Bookworm) za Raspberry Pi 4b. Pristupni podaci su user: pi, password: raspberry. Sistem je podešen da rečunar povezan preko ethernet porta ima fiksnu adresu 10.10.10.20 i možete tako ssh-om sa drugog računara pristupiti CLI-u GateBerry-a. Drugi način smo već pomenuli ranije, korišćenjem HDMI izlaza i tastature u lokalu.

Verovatno prva stvar koju ćete poželeti da uradite, nakon ažuriranja sistema, je podešavanje Wi-Fi mreže i za to koristite standardne postupke kao kod rada sa Raspberry Pi SBC-om, a svode se na definisanje regiona i podataka za konekciju za lokalnu Wi-Fi mrežu.

Programiranje se po pravilu u ovakvim SBC baziranim PLC-ovima radi pisanjem koda u vidu bash skripti, kao i pisanjem programa u Python-u ili C++-u. Linux kernel ovog imidža OS-a je 6.12, a u njemu su GNU bash 5.2, Python 3.11 i C++ 12.2. Ovo će se naravno menjati svakim ažurirnjem sistema, ali već sada vidimo da su to najnovije i najažurnije verzije.

Fokus realizacije automatizacije korišćenjem SBC-baziranih PLC-ova je Node-red. Za one koji se nisu sa njim susretali, to je vizuelni alat za programiranje uz dodatno korišćenje minimalne količine koda baziran na Node.js-u. Danas je postao jedan od standarda ne samo u industrijskoj primeni, već i u projektima automatizacije doma (Smart home) i namenski kreiranim mehatroničkim rešenjima.

Industrial Shields je dao svoj node-red-librpiplc Node-RED vreper za C biblioteku librpiplc, omogućavajući aplikacijama da koriste GPIO. Razlikuje analogne i digitalne IO-e i upise i čitanja preko njih. Ono što moramo istaći i posebno pohvaliti su odlično napisana uputstva za rad sa svim Industrial Shields uređajima, tako da ćete lako ući u problematiku. Pregled primera koda i objašnjenja se nalaze na sajtu, a vas treba da interesuju ona koja se odnose na Raspberry Pi.

Distribuirana verzija Debiana nije RTOS (Real Time OS), što vidimo u odgovoru na uname -a – „SMP PREEMPT Debian“, već OS opšte namene. Govorimo ovo zbog načina kako svi računari sa OS-om opšte namene funkcionišu, pošto se on bitno razlikuje od RTOS-a. RTOS između ostalog ima fokus na minimalnoj responzivnosti sistema reda μs i potpunoj determinisanosti redosleda i trajanja procesa. Kod standardnih OS-ova sa minimalnim i optimizovanim instalacijama vreme odziva se meri u ms, a redosledi izvršavanja operacija su podložni izmenama u veoma složenim postupcima upravljanja koji se izvode kako bi se postigla zahtevana stabilnost i sigurnost sistema. Sa „PREEMPT_RT“ ekstenzijom ovaj odziv se smanjuje za oko deset puta. U tom smislu serverski i složeni aplikativni zahtevi su adekvatniji za OS-ove generalnog tipa. Robotika, industrijska automatizacija i kritični procesi su ipak zadatak za RTOS. Sve ovo govorimo da bi stekli ideju šta se od GateBerry-a i sličnih PLC-ova baziranih na SBC-ovima može i treba očekivati.

Uzastopna, periodična skeniranja ulaza i odgovor promenama parametara je način na koji svi mehatronički sistemi komuniciraju sa okolinom. Budući da ovde imamo višejezgarni procesor bez integrisanog MCU-a koji bi nezavisno opsluživao interfejs, OS opšte namene je prilagođeniji hardveru, pa bi i aplikacije koje rade bez problema bile one koje se oslanjaju na serverske zadatke. Skeniranje ulaznih signala na IO linijama se naravno izvršava veoma brzo, kao što je i promena parametara zahvaljujući snazi i taktu procesora odlična, ali nikako ne možemo postići onaj nivo nepromenjivosti i nezavisnosti trajanja ciklusa skeniranja ulaza, niti biti sigurni za koliko tačno će se neki od parametar promeniti – dakle nemamo apsolutnu predvidivost u vremenskom smislu.

Od Linux kernela 6.12, a to je upravo kernel zvaničnog imidža OS-a, Debian je „postao“ RTOS. Za AMD64 procesore dovoljna je instalacija par programa, ali u ARM verziji za Raspberry Pi je neophodno krenuti od nule i pri kompajliranju imidža uključiti odgovarajuće pakete (linux-image--rt- packages). Naime, kernel od ove verzije podržava „PREEMPT_RT“ funkcije koje omogućavaju „hard & soft real-time computing“. Ipak Linux nije građen iz osnove kao RTOS poput FreeRTOS, ThreadX ili Zephyr OS-a, pa ovo RT proširenje garantuje soft i neke, ali ne sve, hard RT primene. Da li je to dovoljno ili ne, zavisiće od vaše aplikacije.

Zaključak

Tamo gde bez razmišljanja možete koristiti GateBerry sa standardnim Debian-om je da bude veza između lokalne opreme (najčešće senzora i aktuatora) i oblaka, te da očitane podatke inicijalno obrađuje, po potrebi elementarno analizira u polju i rezultate šalje na oblak. U tom smislu se on može posmatrati kao gateway za podatke i upravljačke signale između opreme i oblaka u nekritičnim aplikacijama. Merenje potrošnje komunalnih dobara, projekti u okviru pametnog grada, građevina i doma, automatizacija u domenu KGH-a, kontrolni sistemi za bezbednost, protivpožarni sistemi, kao i oprema za nadzor i nadgledanje su neka od mesta gde se ovaj uređaj može iskoristiti kao edge uređaj koji prikuplja, obrađuje i šalje podatke i izvršava osnovne zadatke automatizacije na lokaciji.

Mogućnost ugradnje na DIN šinu unutar industrijskog ormara, dovoljna procesorska snaga za obradu prikupljenih podataka, dva česta mehatronička interfejsa: I2C i RS485, kao i proširivost komunikacionim modulima 4G LTE, 4G LTE-E, GPS, CANBus ili LoRaWAN otvaraju mogućnosti i profesionalne i mejkerske upotrebe ovog gateway-a.

Cena Industrial Shields GateBerry sa Raspberry Pi 4 Model B se kreće od 66 do 116 € u zavisnosti od količine memorije, a modela sa Raspberry Pi 5 od 140 do 205 €. Komunikacioni moduli se mogu naručiti samo uz Raspberry Pi 4 Model B i cene se kreću od oko 60 € za CAN i LoRa module, dok 4G M1 košta $80, a 4G CAT4 $170.

Među recenzijama koje smo uradili možemo naći slične uređaje. Recimo višestruko skuplji Sixfab ALPON X4 koji je na gotovo identičnom SBC-u, ali je potpuno industrijski rejtovan i ima sopstveni oblak – koji se ipak plaća. Edatec nudi dosta referentnih rešenja poput Edatec CM4 Industrial ili Edatec IPC3120 koji su industrijski rejtovani, sa montažom na DIN šinu i imaju Raspberry Pi CM4 modul u sebi.

Cena Raspberry Pi 4 Model B sa 4 GB RAM-a je 56 €, pa dolazimo da je sve stalo u GateBerry-u oko 40 € što je razumna cena. Uz GateBerry za malo ulaganje dobijate gotov proizvod namenjen industrijskoj (i bilo kojoj drugoj) automatizaciji. Nije namenjen teškim uslovima rada, EX zonama i radu sa kritičnim aplikacijama gde bi pravi RTOS bio nezamenjiv. Za sve one kojima je mejkerski svet blizak, da li kroz klasično obrazovanje koje ga promoviše ili kroz hobi pristup, ovaj uređaj bi moga biti i praktičan korak u industrijsku automatizaciju.