Dostęp do portów szeregowych przez sieć komórkową

Ze względu na obszar pokrycia terenu, sieci komórkowe są najczęściej wybieranym rozwiązaniem przy bezprzewodowym dostępie do sieci WAN. Dzięki dużej prędkości transmisji i niezawodności stały się one podstawowym łączem komunikacyjnym dla wielu aplikacji przemysłowych, szczególnie w lokalizacjach trudno dostępnych.

MODUŁY I MODEMY KOMÓRKOWE

Ponieważ wiele urządzeń nie ma wbudowanego modułu do komunikacji komórkowej, ważną rolę w adaptacji technologii GSM/GPRS odgrywają moduły oraz modemy komórkowe umożliwiające włączenie do sieci komórkowej urządzeń z interfejsem RS- -232/422/485. Obecnie w użyciu jest wiele milionów urządzeń z interfejsem szeregowym, dla których podłączenie do sieci komórkowej oznacza nowe możliwości, np. zdalny dostęp oraz współdzielenie urządzenia przez kilka hostów.

Jednym z czołowych dostawców tej technologii jest Moxa Technologies. W ofercie tej firmy znajdują się modemy GPRS/EDGE/HSDPA oraz moduły GPRS, pozwalające na wyposażenie w interfejs GPRS serwera portów szeregowych 4-, 8-, 16- lub 32-portowego.

Modemy komórkowe są przeznaczone do współpracy z inteligentnymi urządzeniami, np. bankomatami, maszynami do sprzedaży napojów itp. Dzięki podłączonemu modemowi urządzenie może raportować swój status oraz przyjmować zdalne polecenia od operatora. Niektóre modemy komórkowe obsługują również krótkie wiadomości tekstowe (SMS) do akwizycji danych lub prostego sterowania. Przykładowo, za pomocą SMSa można zmieniać komunikaty wyświetlane na tablicach LED przy autostradach.

Niestety nie wszystkie urządzenia mają wbudowaną obsługę modemu. Czasem zachodzi potrzeba włączenia do sieci komórkowej prostego urządzenia, np. miernika lub tablicy LED. Urządzenia te nie mają możliwości zaprogramowania tak, aby automatycznie wysyłały i odbierały dane.

Nie obsługują również stosu TCP/IP. Istnieje jednak sposób na włączenie ich do sieci komórkowej za pomocą komórkowych modemów IP. Urządzenia takie zawierają wbudowany system operacyjny, który pozwala na zaprogramowanie określonych zadań. Umożliwia to systemom nawiązywanie połączeń z siecią komórkową, a tym samym aktywne przesyłanie danych do innych urządzeń.

Zaawansowane modemy IP mają kilka trybów pracy, dzięki czemu nie trzeba za każdym razem modyfikować ich wewnętrznego oprogramowania. Aby dopasować modem do konkretnej aplikacji, wystarczy zmiana konfiguracji oraz jej odpowiednie sparametryzowanie. To samo urządzenie może pracować jako wirtualny port COM lub jako klient/serwer TCP.

Aby urządzenia w sieci komórkowej mogły się pomiędzy sobą komunikować, muszą mieć unikalne adresy IP. Aplikacje, które wymagają dostępu do sieci komórkowej, często polegają na tym, że centralne biuro komunikuje się ze zdalnymi lokalizacjami.

Pod tym względem można je podzielić na dwie kategorie zależnie od tego, która strona inicjuje połączenie, ponieważ połączenia mogą być inicjowane zarówno z centralnego biura, jak i ze zdalnych lokalizacji. Ponieważ pula publicznych adresów IP jest ograniczona, operatorzy sieci komórkowych nie przydzielają publicznego adresu dla poszczególnych kart SIM. Jaki ma to wpływ na naszą aplikację? To zależy, która strona będzie inicjowała połączenie. Jeśli połączenie będzie inicjowane ze zdalnych lokalizacji, publiczny adres IP nie jest nam potrzebny.

Analogicznie jak w sytuacji, gdy łączymy się z internetem z lokalnej sieci LAN w swoim biurze. Bez problemu możemy nawiązać połączenie z hostem, który ma publiczny adres IP, natomiast ten sam host nie może nawiązać bezpośredniego połączenia z naszym biurowym komputerem.

TRYB REVERSE REAL COM

W przypadku, gdy zdalne urządzenia są odpytywane z centralnego biura, stroną inicjującą połączenie jest centralny serwer. W takim przypadku wszystkie zdalne lokalizacje powinny mieć publiczne adresy IP. Wydaje się to niemożliwe do zrealizowania, ponieważ przydzielenie publicznego IP dla każdego miernika czy detektora jest zbyt kosztowne.

Producenci modemów komórkowych przewidzieli taką sytuację i na rynku są już dostępne rozwiązania, które pozwalają na tego typu połączenia bez konieczności przydzielania publicznych adresów IP dla zdalnych lokalizacji. Przykładem takiego rozwiązania są modemy firmy Moxa z serii G3100, które między innymi udostępniają tryb pracy Reverse Real COM. Rozwiązanie jest analogiczne do trybu Real COM znanego z serwerów portów szeregowych, ale w tym wypadku stroną inicjującą połączenie jest modem IP.

Rys. 1. Przykłady zastosowań modemu OnCell G3100 w aplikacji sterowania tablicami na autostradzie w systemie ochrony zakładu przemysłowego

Na komputerze w centralnej lokalizacji instaluje się sterownik Moxa, który tworzy wirtualny port COM, natomiast w konfiguracji modemu podajemy adres IP komputera, na którym utworzyliśmy wirtualny port. Ponadto modemy IP firmy Moxa mogą pracować jako Real COM, TCP Server, TCP Client, UDP, Ethernet Modem oraz SMS Tunel. Pozwala to na dostosowanie się praktycznie do każdej aplikacji związanej z przesyłaniem informacji z portów szeregowych poprzez sieci komórkowe.

Modemy OnCell G3100 mogą również tworzyć redundantne połączenie dla sieci Ethernet. W takim przypadku dostęp do portu szeregowego jest realizowany poprzez sieć Ethernet, natomiast w przypadku utraty połączenia z siecią modem automatycznie przełącza się na połączenie GPRS. Przełączenie następuje po 5 nieudanych poleceniach ping. Jednocześnie modem cały czas cyklicznie sprawdza stan połączenia z siecią Ethernet. Jeśli połączenie kablowe zostanie przywrócone, wówczas modem automatycznie po 5 udanych poleceniach ping przełącza się z GPRS na sieć Ethernet.

W przypadku modułu NM-GPRS przeznaczonego do współpracy z serwerami portów NPort 6000 możliwy jest jednoczesny dostęp do portów szeregowych lokalnie przez sieć LAN oraz zdalnie poprzez GPRS. Moduł komórkowy może zatem służyć zarówno jako łącze podstawowe, jak i rezerwowe. Wkładka NM-GPRS może służyć do alarmowania operatora systemu za pomocą wiadomości SMS w określonych sytuacjach, np. przy odłączeniu kabla sieciowego, zmianie hasła, adresu IP lub sygnału DCD/DSR.

DDNS

Kolejną zaletą modemów firmy Moxa jest funkcja DDNS (Dynamic Domain Name Service). Jak wiadomo, pula dostępnych adresów IP jest ograniczona, dlatego operatorzy zwykle przydzielają adresy dynamicznie. Może to stanowić poważny problem dla naszej aplikacji, ponieważ dynamiczne adresy zmieniają się często i zazwyczaj w sposób nieprzewidywalny. W przypadku modemów Moxa wystarczy zarejestrować urządzenie na serwerze DDNS, a serwer przydzieli urządzeniu statyczną nazwę.

Dzięki temu bez względu na to, jak często będzie zmieniał się adres IP urządzenia, będzie ono przez cały czas widoczne w sieci pod nazwą przypisaną na serwerze DDNS.

PODSUMOWANIE

Połączenie interfejsu szeregowego i GPRS niesie nowe możliwości dla urządzeń z interfejsem szeregowym. Dwie największe zalety takiego połączenia to zdalny dostęp do urządzeń znajdujących się praktycznie w dowolnej lokalizacji i centralizacja. W razie potrzeby w jednej centralnej lokalizacji można zbierać i analizować informacje z punktów rozrzuconych po całym świecie.

Zważywszy na liczbę i różnorodność urządzeń z interfejsem szeregowym, jakie można obecnie spotkać na rynku, potencjalne aplikacje dla modemów komórkowych można znaleźć wszędzie.