A Self-Configurable IoT Gateway Using Cellular Module Without Native Library Support: Web-Based Integration of SMS, GPS, and Cloud Data Acquisition

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Ihr Toaster, Ihr Gartenschlauch und sogar Ihre abgelegene Berghütte miteinander sprechen können. Dies ist das Internet der Dinge (IoT), ein massives Netzwerk aus Alltagsgegenständen, denen eine Stimme verliehen wurde. Normalerweise chatten diese Gadgets über WLAN, aber was passiert, wenn Sie mitten in einer Wüste, einem tiefen Wald oder auf einem Bauernhof sind, wo es kein WLAN gibt? Hier kommen Mobilfunknetze ins Spiel, die wie ein riesiger, unsichtbarer Telefondraht fungieren, der sich über den gesamten Planeten erstreckt. Aber hier liegt der Haken: Einem winzigen, billigen Computer beizubringen, ein Mobiltelefon zu benutzen, ist so, als würde man versuchen, einem Kleinkind das Autofahren eines Rennwagens beizubringen. Die Anweisungen (genannt „AT-Befehle“) sind komplex, und das Auto (das Mobilfunkmodul) spricht oft nicht dieselbe Sprache wie der Fahrer (der Computer). Ohne einen Übersetzer müssen Entwickler tausende Zeilen Code schreiben, nur um eine einfache Verbindung herzustellen, was langsam, schwierig und fehleranfällig ist.

Dies ist das Problem, das Lucas Lima Freitag in einer neuen Forschungsarbeit angegangen ist. Er baute ein intelligentes „Gateway“ – eine Brücke zwischen der physischen Welt und der Cloud –, das nicht auf vorgefertigten Übersetzern oder komplizierten Bibliotheken basiert. Stattdessen spricht es direkt mit dem Mobilfunkmodul unter Verwendung von Rohbefehlen, was ihm die totale Kontrolle gibt. Das Ergebnis ist ein System, das automatisch zwischen verschiedenen Generationen von Mobilfunknetzen wechseln kann (von altem 2G bis hin zu modernem 4G), Ihren Standort verfolgt, Textbenachrichtigungen sendet und Daten in die Cloud hochlädt, während es gleichzeitig über eine einfache Webseite gesteuert wird, die Sie auf Ihrem Handy öffnen können. Es ist ein selbstkonfigurierender Roboter, der weiß, wie er ein Signal findet, selbst wenn das Netzwerk schwierig ist, was es möglich macht, entlegene Orte zu überwachen, ohne ein Team von Ingenieuren für die Einrichtung zu benötigen.

Das selbstfahrende Mobilfunk-Gateway

Betrachten Sie das in dieser Arbeit beschriebene Gerät als einen winzigen, superintelligenten Roboter, der in einer Box lebt. Seine Aufgabe ist es, Informationen (wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit) zu sammeln und sie in ein riesiges digitales Notizbuch im Himmel (die Cloud) zu senden. Aber dieser Roboter hat eine besondere Superkraft: Er braucht kein Handbuch oder eine vorinstallierte App, um herauszufinden, wie er mit dem Mobilfunkmast spricht.

Die meisten Menschen, die diese Geräte bauen, verwenden „Bibliotheken“, die wie vorgefertigte Anweisungbücher funktionieren, die dem Computer sagen, wie er mit dem Mobilfunkmodul kommuniziert. Aber für die in diesem Projekt verwendeten spezifischen Module (SIM7600 und A7670SA) existierten diese Anweisungbücher nicht. Daher musste der Autor die Anweisungen von Grund auf neu schreiben und sprach direkt mit dem Modul unter Verwendung von „AT-Befehlen“. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine Pizza zu bestellen, indem Sie direkt mit dem Koch in einer Sprache sprechen, die Sie noch nie gehört haben, anstatt eine Speisekarte zu benutzen. Genau das macht dieses System. Es sendet Rohbefehle wie „Hallo, verbinde dich mit dem Netzwerk“ oder „Sende diese Daten“ und hört aufmerksam auf die Antworten.

Das Zwei-Gehirne-System

Einer der coolsten Tricks, die dieses Gerät verwendet, ist ein „Dual-Core“-Design. Stellen Sie sich einen Menschen mit zwei Gehirnen vor. Ein Gehirn (Kern 0) ist besessen vom Telefonat. Es kümmert sich um das gesamte Sprechen mit dem Mobilfunkmast, wartet auf Signale und sendet Daten. Das andere Gehirn (Kern 1) ist der soziale Schmetterling. Es betreibt einen Webserver, was wie eine Mini-Website ist, die direkt auf dem Gerät gehostet wird.

Warum ist das wichtig? Normalerweise, wenn ein Computer damit beschäftigt ist, mit einem Mobilfunkmast zu sprechen, friert er ein und kann nicht auf Ihre Mausklicks oder die Touchscreen-Eingaben reagieren. Aber weil dieses Gerät zwei Gehirne hat, können Sie einen Webbrowser auf Ihrem Handy öffnen, ein Passwort eingeben oder Einstellungen ändern, und das „soziale Gehirn“ wird dies sofort erledigen, selbst während das „Telefon-Gehirn“ mitten in einem langen, komplizierten Verbindungsprozess steckt. Sie kommunizieren miteinander durch eine synchronisierte Warteschlange, wie das Austauschen von Zetteln im Klassenzimmer, um sicherzustellen, dass nichts verloren geht.

Das formverändernde Netzwerk

Die beeindruckendste Funktion ist die Art und Weise, wie das Gerät ein Signal findet. In der realen Welt ist die Mobilfunkabdeckung chaotisch. Manchmal ist 4G schnell, aber schwer zu verbinden; manchmal ist 2G langsam, aber überall verfügbar. Dieses Gerät verfügt über eine „Fallback“-Strategie, die wie ein Reisender ist, der zuerst versucht, den schnellsten Zug zu nehmen, aber wenn dieser voll ist, sofort den Bus, dann ein Taxi und schließlich ein Fahrrad nimmt.

Das System testet automatisch 5G, 4G, 3G und 2G Netzwerke in der richtigen Reihenfolge. Es rät nicht einfach; es versucht tatsächlich, sich in jedes einzelne zu registrieren. Die Forschung ergab etwas Überraschendes: Während 4G großartig ist, um viele Daten schnell zu senden, dauert es sehr lange, die Verbindung aufzubauen (etwa 11,8 Sekunden). Im Gegensatz dazu ist das ältere 2G-Netzwerk viel schneller beim Verbindungsaufbau (nur 3,4 Sekunden), obwohl es Daten langsamer überträgt. Das bedeutet, dass für Geräte, die nur gelegentlich eine kleine Nachricht senden müssen, das „langsame“ 2G-Netzwerk tatsächlich die effizienteste Wahl ist, da es fast augenblicklich aufwacht und eine Verbindung herstellt. Das Gerät findet dies selbst heraus und wählt die beste Option für die jeweilige Aufgabe.

Das „Batch“-Liefersystem

Das Senden von Daten über ein Mobilfunknetz ist teuer und langsam, weil man jedes Mal, wenn man eine Nachricht sendet, eine „Verbindungsgebühr“ in Form von Zeit und Energie zahlt. Stellen Sie sich vor, Sie müssten zur Post gehen, eine Briefmarke kaufen, einen Brief abschicken, zurücklaufen und das Ganze 30 Mal wiederholen, nur um 30 Fotos zu versenden. So arbeiten die meisten IoT-Geräte.

Dieses neue System verwendet einen „gepufferten“ Ansatz. Anstatt eine Nachricht nach der anderen zu senden, wartet es und sammelt 10 Messwerte (wie 10 Temperaturprüfungen) und packt sie alle in eine einzige JSON-Datei. Dann sendet es sie alle zusammen in einem einzigen großen HTTP-Request. Die Arbeit zeigt, dass dies den Netzwerk-Overhead um etwa 95 % reduziert. Es ist, als würde man einen einzelnen großen LKW mit 30 Paketen beladen, anstatt 30 separate Fahrräder zu schicken. Das spart eine enorme Menge an Batteriestrom und Daten.

Das webbasierte Kontrollzentrum

Der vielleicht benutzerfreundlichste Teil dieses Projekts ist die Benutzeroberfläche. Sie müssen das Gerät nicht an einen Computer anschließen oder Code schreiben, um es einzurichten. Das Gerät erstellt seinen eigenen WLAN-Hotspot. Sie gehen mit Ihrem Handy heran, verbinden sich mit ihm und öffnen eine Webseite. Diese Seite hat Tabs für alles:

• WLAN: Um dem Gerät mitzuteilen, welches lokale Netzwerk es beitreten soll.
• Cloud: Um Ihre geheimen Schlüssel für die TagoIO Cloud-Plattform einzugeben.
• Netzwerk: Um Ihren Mobilfunkanbieter und APN-Einstellungen zu wählen.
• GPS: Um einen Live-Standort auf einer Karte zu sehen.
• SMS: Um Textnachrichten zu senden oder Alarme einzurichten, falls etwas schiefgeht.

Dies verwandelt ein komplexes Ingenieursprojekt in etwas, das jeder über einen Browser konfigurieren kann, was es für Landwirte, Forscher oder Hobbyisten zugänglich macht, die entlegene Gebiete überwachen wollen, ohne Experten für die Programmierung zu sein.

Was die Zahlen sagen

Der Autor hat dieses System streng in einem städtischen Gebiet in Natal, Brasilien, getestet. Die Ergebnisse waren eindeutig:

• Verbindungsgeschwindigkeit: 2G verband in durchschnittlich 3,4 Sekunden, während 4G 11,8 Sekunden dauerte.
• Datengeschwindigkeit: Sobald die Verbindung stand, war 4G viel schneller beim Bewegen von Daten, aber die Gesamtzeit zum Senden einer Nachricht war oft bei 2G besser, da die Verbindung so schnell startete.
• GPS: Das Gerät konnte seinen Standort mithilfe von Satelliten in etwa 35 bis 42 Sekunden bei einem Kaltstart finden, und falls Satelliten blockiert waren, konnte es seinen Standort mittels Funkzellen-Triangulation schätzen.
• Leistung: Das Gerät zieht etwa 80 mA im Leerlauf, steigt aber auf 1,2 A (1200 mA) an, wenn es Daten über 4G sendet. Deshalb verwendet das Design eine separate, leistungsstarke Stromversorgung; der winzige Computerchip im Inneren könnte die Stromspitzen allein nicht bewältigen.

Das Faz-it

Diese Arbeit beweist, dass man keine schicken, vorgefertigten Software-Bibliotheken benötigt, um ein leistungsstarkes IoT-Gateway zu bauen. Indem man direkt mit der Hardware spricht und eine intelligente Zwei-Gehirne-Architektur verwendet, kann man ein Gerät schaffen, das flexibel, effizient und einfach einzurichten ist. Es legt nahe, dass für die Fernüberwachung, insbesondere in Gebieten mit schwachem Signal oder wenn Daten nur unregelmäßig gesendet werden, das „alte“ 2G-Netzwerk tatsächlich der Held sein kann, da es die schnellsten Verbindungszeiten bietet. Während das System derzeit unverschlüsseltes HTTP verwendet (was weniger sicher ist) und auf simulierten Daten für Tests basiert, steht der Open-Source-Code zum Download bereit, damit jeder ihn herunterladen, verbessern und für den realen Einsatz anpassen kann. Es ist eine Erinnerung daran, dass der einfachste Weg, ein komplexes Problem zu lösen, manchmal darin besteht, nicht auf Abkürzungen zu vertrauen, sondern einfach direkt mit der Maschine zu sprechen.