Mobile Datenkommunikation mit dem industriellen Raspberry Pi mit integriertem 4G (LTE)!
IoT kann im Freien und an Standorten ohne Wi-Fi genutzt werden

PiLinkTechnisch

Haben Sie sich jemals gewünscht, Sie könnten eine SIM-Karte direkt in Ihren Raspberry Pi (Raspberry Pi) stecken?
Auf handelsüblichen Raspberry Pi kann ein 4G (LTE)-Modul mit einem erweiterten HAT oder mit einem über USB angeschlossenen Kommunikationsmodem realisiert werden.

Wussten Sie hingegen, dass es Raspberry Pi-Produkte gibt, die auf industrielle Anwendungen spezialisiert sind und bei denen SIM-Karten ohne Modifikation eingesetzt werden können?

Ein industrieller Raspberry Pi, der in einem robusten Gehäuse untergebracht ist, kann sich an raue Umgebungen wie Fabriken anpassen. Wenn möglich, sollten Sie sowohl die SIM-Karte als auch das 4G (LTE)-Modul darin unterbringen.
PiLink bietet ein Modell an, das 4G (LTE)-Kommunikation unterstützt, also haben wir uns eines ausgeliehen, um es auszuprobieren.

Mobile Kommunikation mit dem industriellen Raspberry Pi

Dieser Artikel wird für diejenigen empfohlen, die die folgenden Probleme haben

  • Ich möchte den Raspberry Pi für industrielle Anwendungen einsetzen, aber muss ich dafür ein separates 4G (LTE)-Modul kaufen?
  • Sie möchten Daten von einem entfernten Standort aus senden, verfügen aber nicht über eine Netzwerkumgebung.
  • Ich möchte die laufenden Kosten mit einer kostengünstigen SIM-Karte senken, aber ist die SIM-Karte spezifiziert?
  • Sie wollen ihn draußen in der heißen Sonne aufstellen, aber der Raspberry Pi würde das gar nicht überleben, oder?

Es gibt Produkte, die keine Mobilfunkmodelle wie Tablets sind, sondern in einem Gehäuse betrieben werden können.
I kann sowohl das Kommunikationsmodul als auch die SIM-Karte sicherer betreiben, da das robuste Gehäuse auch rauen Installationsumgebungen standhält.

Die Umwelt dieser Zeit

Kommunikationsmodul im M.2-Steckplatz montiert (das Innere ist aufgrund des Vorführmodells sichtbar)

Die folgenden Geräte, Betriebssystemversionen und Umgebungen wurden für den Test der 4G (LTE) Kommunikation verwendet.

  • Industrieller Raspberry Pi „PL-R4
  • Kommunikationsmodul + Kommunikationsantenne im Gehäuse eingebaut
  • DoCoMo SIM-Karte (DoCoMo ist das Japanische Telekommunikationsunternehmen.)
  • OS-Boot mit eMMC
  • Raspberry Pi OS (Bullseye)
  • Anschluss an einen Monitor zur Überprüfung

Das Kommunikationsmodul auf dem Foto ist das EM7431 von Sierra Wireless.
Die unterstützten Bänder sind breit und die Geschwindigkeit ist perfekt.
Für die SIM-Karten stehen nicht nur die drei großen Netzbetreiber zur Verfügung, sondern auch MVNOs, so genannte „Low-Cost-SIMs“.

Unterstützte Bandbereiche:

4G(LTE)B1, B3, B5, B8, B18, B19, B39, B41, B42, B43
3GB1, B5, B6, B19
  • Spitzengeschwindigkeit beim Herunterladen: 300 Mbps
  • Upload-Spitzengeschwindigkeit: 150 Mbps

EM7431 Industrietaugliches IoT-Modul
https://www.sierrawireless.com/iot-modules/4g-modules/em7431/

SIM-Karte kann ohne Änderung eingelegt werden

Öffnen Sie die Abdeckung auf der Rückseite des Geräts, um auf den SIM-Steckplatz zuzugreifen.

Das von uns getestete Gerät kann ein 4G (LTE)-Kommunikationsmodul hinter der internen Trägerkarte aufnehmen. (Ausschließliche Verwendung mit NVMe-verbundenem SSD-Laufwerk)
Die SIM-Karte verfügt über einen Einschub unterhalb der microSD-Karte.
Beide sind in das Gehäuse integriert, wodurch der Anschluss eines separaten Geräts (Erweiterungs-HAT oder USB) überflüssig wird.

Rückseite der Tragetafel
Tragetafel Vorderseite

Einfache Einrichtung mit NetworkManager

Wie viele von Ihnen vielleicht wissen, hat das Raspberry Pi OS (im Folgenden als RPi OS bezeichnet) seit der Bookworm-Version den NetWorkManager als Tool-Software für die Netzwerkmanagement-Konfiguration abgelöst.

Einige Leute könnten durch die Änderung der Art und Weise, wie die Wi-Fi-Verbindungseinstellungen, einschließlich der festen IP-Adresse, eingerichtet werden, verwirrt sein.
Obwohl sich die Konfigurationsmethode geändert hat, hat man den Eindruck, dass sie einfacher geworden ist, da sie durch die Ausführung einer einzigen Befehlszeile eingestellt werden kann.

Nachdem ich es dieses Mal ausprobiert hatte, stellte ich fest, dass es sehr einfach war, 4G (LTE) mit NetworkManager einzurichten, sogar mit Bullseye.
Zunächst einmal wird das 4G (LTE) Kommunikationsmodul von Anfang an als Gerät erkannt.

Nachdem Sie die SIM-Karte eingelegt und die Verbindungseinstellungen abgeschlossen haben, erhalten Sie eine globale IP-Adresse und sind mit dem Internet verbunden.
Wenn Sie gleichzeitig eine Firewall (mit UFW) als Sicherheitsmaßnahme eingerichtet haben, können Sie diese sofort nutzen und vor Ort testen.

Bullseye ist dhcpcd

Das Betriebssystem des Raspberry Pi ist immer noch standardmäßig mit dhcpcd in der Bullseye-Version eingestellt. Ich versuche, Verbindungsinformationen zu erhalten, aber nmcli wird nicht ausgeführt. 

nmcli con show 
Error: NetworkManager is not running.

Ich habe noch nicht zu NetworkManager gewechselt, aber wenn Sie mit dem Befehl ip nachsehen, sehen Sie wwan0 in der 5. Dies ist das angeschlossene 4G (LTE) Kommunikationsmodul. Es wird bereits als Gerät erkannt. 

ip a

5: wwan0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state UNKNOWN group default qlen 1000
 [The rest is omitted]

Wechseln Sie zu NetworkManager, da dieser noch dhcpcd ist.

Der Grund für den Wechsel ist, dass NetworkManager in der neuesten Version des Raspberry Pi OS standardmäßig enthalten ist und es sehr einfach ist, die 4G (LTE) Kommunikation mit NetworkManager einzurichten. Mit NetworkManager ist es eine einzige Befehlszeile, es ist also sehr einfach.

Die Änderungen werden einfach mit dem Befehl raspi-config ausgewählt.

sudo raspi-config

Hinweis: Die Einstellungen für Wi-Fi und Netzwerkkommunikation müssen neu vorgenommen werden.

Folgen Sie im Menü raspi-config den Anweisungen unter „6 Erweiterte Option -> AA Netzwerkkonfiguration“, um die Einstellungen zu konfigurieren.

Wenn Sie NetworkManager auswählen und akzeptieren, werden Sie zu einem Neustart aufgefordert, und die Änderung wird nach dem Neustart wirksam.

nmcli-Befehl für Verbindungseinstellungen

Die NetworkManager-Verbindungseinstellungen können mit dem Befehl nmcli konfiguriert werden. Wenn Sie mit einem Monitor verbunden sind, können Sie die Einstellungen auch auf dem Desktop-Bildschirm konfigurieren.
Da Befehle einfacher sind als die grafische Benutzeroberfläche, zeigen wir Ihnen in diesem Artikel, wie Sie die Einstellungen mit Befehlen konfigurieren können.

Rufen Sie nun wie zuvor den Befehl nmcli auf.

Wenn der modifizierte NewworkMnager läuft, kann cdc-wdm0 bestätigt werden.

nmcli device status

DEVICE         TYPE      STATE           CONNECTION 
eth0           ethernet  connected       Wired connection 1 
wlan0          wifi      disconnected    --         
p2p-dev-wlan0  wifi-p2p  disconnected    --         
eth1           ethernet  unavailable     --         
cdc-wdm0       gsm       unavailable     --         
lo             loopback  unmanaged       --

In diesem Status ist es über die kabelgebundene Verbindung 1 (eth0) mit dem Netz verbunden.
Das 4G (LTE) Kommunikationsmodul ist cdc-wdm0, Typ gsm und hat den Status nicht verfügbar. Das liegt daran, dass ich die SIM-Karte noch nicht eingelegt habe.

Die SIM-Karte wird später eingelegt, aber verwenden Sie weiterhin den Befehl nmcli con show, um den Namen des derzeit verbundenen Geräts zu überprüfen.

Wi-Fi und 4G (LTE) werden nicht angezeigt, da die Verbindung noch nicht hergestellt wurde.
Sobald die Verbindung eingerichtet ist, wird sie auch hier angezeigt. Bitte überprüfen Sie dies nach dem Einrichten. 

nmcli con show

NAME        UUID                                  TYPE      DEVICE 
Wired connection 1  b27d80c1-XXXX-XXXX-XXXX-XXXXXXXXXXXX  ethernet  eth0   
Wired connection 2  3XXXXXXX-XXXX-XXXX-XXXX-XXXXXXXXXXXX  ethernet  --

Der Desktop-Bildschirm wird wie folgt angezeigt und kann von hier aus konfiguriert werden.
Wir empfehlen jedoch die Ausführung von Befehlen, da ein Befehl in der CUI nur eine Befehlsausführung erfordert.

Ethernet: Kabelgebundene Verbindung 1 und 2. Mobiles Breitband: ocn-net.

UFW – Firewall

Wir möchten so schnell wie möglich die SIM-Karte einlegen und die Verbindungsinformationen mit nmcli einrichten, aber lassen Sie uns zuerst die UFW, die Firewall, einrichten.
Dies sind gefährliche Zeiten. Wir sollten die UFW im Voraus einrichten, um ein Eindringen auch nur für kurze Zeit zu verhindern.

UFW steht für „Uncomplicated Firewall“ und ist eine sehr einfache Firewall.

Installationsmethode:

sudo apt update
sudo apt install -y ufw

Lassen Sie uns zunächst den Status von UFW überprüfen.
Zunächst ist sie als inaktiv markiert und bewegt sich nicht.

sudo ufw status
Status: inactive

Als nächstes werden wir Ports zulassen.

Setzen Sie zunächst die Standardeinstellung auf Verweigern, bevor Sie fortfahren.

sudo ufw default deny

Wenn Sie den „PL-R4“ verwenden, den Sie ausprobieren, sollten Sie auch nodered Ports zulassen.
Ports sollten je nach Umgebung geändert oder hinzugefügt werden.

  • Web Port 80
  • nodered Hafen 1880
  • ssh port 22
  • vnc-Anschluss 5900
sudo ufw allow 80
sudo ufw allow 1880

ssh und vnc waren nur von lokalen Adressen aus erlaubt.

sudo ufw allow from 192.168.0.0/24 to any port 22
sudo ufw allow from 192.168.0.0/24 to any port 5900
sudo ufw allow from 192.168.1.0/24 to any port 22
sudo ufw allow from 192.168.1.0/24 to any port 5900

Aktivieren Sie am Ende.
Dies bleibt auch nach einem Neustart erhalten.

sudo ufw enable

Umgekehrt, wenn Sie UFW stoppen möchten, den Befehl deaktivieren. Lassen Sie ihn vorerst aktiviert. 

sudo ufw disable

Der Befehl ufw numbered wird verwendet, um die Liste der Einstellungen zu überprüfen.
Der Status ist nun aktiv und jeder konfigurierte Port wird angezeigt.

sudo ufw numbered
Status: active

To                         Action      From
--                         ------      ----
80                         ALLOW       Anywhere                  
1880                       ALLOW       Anywhere                  
22                         ALLOW       192.168.0.0/24            
5900                       ALLOW       192.168.0.0/24            
80 (v6)                    ALLOW       Anywhere (v6)             
1880 (v6)                  ALLOW       Anywhere (v6)

Die Firewall-Einstellungen sollten entsprechend der Umgebung, in der sie verwendet werden, rechtzeitig angepasst werden.
In diesem Fall lassen wir die oben verwendeten Ports zu.

Verbindungsaufbau mit 4G (LTE) Kommunikationsmodul

Bevor Sie die Verbindung herstellen, legen Sie die SIM-Karte ein und schließen Sie auch die Antenne an.

Sie haben mehrere Arten von Antennen für LTE zur Auswahl. Diesmal ist es eine Flachantenne.
Dieser Typ ist auf der Rückseite mit 3M-Klebeband versehen und kann auf eine Kunststoff- oder Glasoberfläche geklebt werden.

Nach dem Herunterfahren wurde jedes System installiert und gebootet.

Flachantenne [cable 1m].
Verbinden Sie die LTE-Antenne mit dem Hauptgerät

Konfigurieren Sie die Verbindungseinstellungen

Das Format des Befehls zum Einstellen der Verbindung lautet wie folgt

sudo nmcli con add type gsm ifname "*" \
con-name Connection name apn Access point name user User name password Password

In Ihren SIM-Karten-Vertragsunterlagen sollten der APN, die ID und die PWD aufgeführt sein. Wir werden sie anwenden.
Der Name der Verbindung ist willkürlich und wird nach dem Unternehmen benannt, mit dem Sie einen Vertrag haben (z.B. ocn-net für OCN). (Bei OCN wäre es ocn-net usw.)

nmcli add, um ein Verbindungsziel hinzuzufügen, Verbindungstyp ist gsm, das im Status war.

*Wi-Fi-Einstellungen und detaillierte nmcli-Befehle finden Sie auch auf der Raspida-Seite. Bitte beziehen Sie sich auch auf diese.

Wenn „Erfolgreich hinzugefügt.“ angezeigt wird, sind Sie startklar.
Sehen Sie sich den Status wie zuvor an.

nmcli device status

DEVICE         TYPE      STATE           CONNECTION 
eth0           ethernet  connected       Wired connection 1  
cdc-wdm0       gsm       connecting      ocn-net    
wlan0          wifi      disconnected    --         
p2p-dev-wlan0  wifi-p2p  disconnected    --         
eth1           ethernet  unavailable     --         
lo             loopback  unmanaged       --

Ich sehe, dass cdc-wdm0, TYPE jetzt eine Verbindung mit gsm herstellt, und die CONNECTION ist jetzt ocn-net, die ich willkürlich auf CONNECTION gesetzt habe.

Wenn Sie von hier aus neu starten, erhält das 4G (LTE) Kommunikationsmodul eine globale IP-Adresse und stellt eine Verbindung zum Internet her.

Ich wollte nur die mobile Kommunikation überprüfen, nicht die über meinen Heimrouter, also habe ich das LAN-Kabel für die kabelgebundene Verbindung 1 abgezogen und auch die Wi-Fi-Verbindung getrennt, um es zu versuchen.
Sie können sehen, dass nur cdc-wdm0 jetzt verbunden ist.

nmcli device status
DEVICE         TYPE      STATE           CONNECTION 
cdc-wdm0       gsm       connected       ocn-net    
wlan0          wifi      disconnected    --         
p2p-dev-wlan0  wifi-p2p  disconnected    --         
eth0           ethernet  unavailable     --  
eth1           ethernet  unavailable     --         
lo             loopback  unmanaged       --

Bestätigung der globalen IP-Adresse

Überprüfen Sie die globale IP-Adresse während der mobilen Kommunikation.
Sie können sie mit dem Befehl curl überprüfen.

curl inet-ip.info

Ping-Befehl zum Testen der Kommunikation mit dem Internet

Wenn Sie nur die Kommunikation testen möchten, verwenden Sie den Ping-Befehl, um eine URL oder eine IP-Adresse anzugeben.
Wenn Sie das LAN-Kabel und Wi-Fi ausschalten, ist nur das 4G (LTE)-Modul bereits verbunden. Wenn also keine Ausführungsfehler auftreten, haben Sie die mobile Kommunikation bestätigt.

ping www.yahoo.co.jp
ping www.google.co.jp

Kommunikation Modem Details

Mit dem folgenden Befehl erhalten Sie die Details des Modems und des 4G (LTE)-Kommunikationsmoduls, das in diesem Versuch verwendet wurde.
Es handelt sich um den Befehl mmcli (MMCLI), nicht um den zuvor verwendeten Befehl nmcli.

mmcli -m 0

（omission）
  --------------------------------
  Status   |       unlock retries: sim-pin (3), sim-puk (10), sim-pin2 (3), sim-puk2 (10)
           |                state: connected
           |          power state: on
           |          access tech: lte
           |       signal quality: 89% (recent)
（omission）

Das Element Status bestätigt auch hier die Verbindung (VERBINDET).

Damit ist die mobile Kommunikation jetzt auch auf dem industriellen Raspberry Pi möglich.

*Das aktuelle Raspberry Pi-Betriebssystem wurde auf NetworkManager umgestellt; Sie müssen nicht zu NetworkManager wechseln, es sei denn, Sie sind Bullseye.

Größere Flexibilität im Systembetrieb

Das 4G (LTE)-Kommunikationsmodul ermöglicht eine eigenständige mobile Kommunikation und erleichtert dem Installationsort das Senden und Empfangen von Daten.
Im Freien ist es besonders schwierig, eine Verbindung zu Wi-Fi- oder LAN-Kabeln herzustellen.
Darüber hinaus trägt die robuste Konstruktion des Gehäuses dazu bei, die Bedingungen an Orten zu erleichtern, an denen die Temperaturkontrolle schwierig ist.

Das Produkt, das wir ausprobiert haben, wäre ein relativ kleines Gehäuse und könnte als Ergänzung zu einem bestehenden System gehandhabt werden.
Wenn Sie die Einführung von IoT-Terminals aufgegeben haben, weil Sie nicht wissen, wo sie installiert werden sollen, wäre die Unterstützung der mobilen Kommunikation ein Faktor, den Sie in Betracht ziehen könnten.

Sowohl die Kommunikationsgeschwindigkeit als auch die Signalstärke erfordern nur geringe Datenmengen, wenn man sich auf die Übertragung der erfassten numerischen Daten beschränkt.
Mit dem Raspberry Pi, einem kleinen Computer, ist es möglich, die Daten vor dem Senden zu verarbeiten.

Es gibt also Produkte, die der Nachfrage nach Raspberry Pi gerecht werden, insbesondere für industrielle Anwendungen, sowie die Realisierung von mobiler Kommunikation wie 4G (LTE) Kommunikation.
Insbesondere das von uns getestete „PL-R4“ ist in die Trägerplatte integriert und verfügt über einen Steckplatz für die SIM-Karte. Der integrierte Typ, der keine Verbindung zu einem anderen Gerät erfordert, war einfach zu verstehen, was die Einrichtung der Verbindung angeht.

Artikel beigetragen von Raspida

Raspberry Pi-Informationsseite, die auch von Nicht-Ingenieuren genutzt werden kann raspida.com eine Raspberry Pi-Informationsseite, die auch für Nicht-Ingenieure interessant ist und mit der sie umgehen können. Er schreibt auch technische Blogartikel auf der PiLink-Website über den Raspberry Pi für den industriellen Einsatz.