Jak dobrać urządzenia GSM do aplikacji zdalnego dostępu? Scenariusze użycia w praktyce

Współpraca z klientami pozwoliła nam na zebranie dużej wiedzy na temat doboru i wyboru odpowiednich urządzeń komunikacji GSM w automatyce oraz informatyce. W tym artykule chciałbym podzielić się częścią zebranej wiedzy. Przedstawię różnice między różnymi rodzajami urządzeń GSM oraz czym kierować się przy wyborze tego typu urządzeń do konkretnej aplikacji.

Rodzaje urządzeń GSM

Rozróżniamy 3 podstawowe urządzenia GSM: modem, gateway oraz router. W przypadku gateway’a niekiedy można spotkać się z polskim określeniem ‘bramka sieciowa’; można tych pojęć używać zamiennie. Dla spójności w tym artykule będę posługiwał się tylko nazwą gateway.

Co to jest modem GSM?

Modem GSM to najprostsze z trzech rozwiązań. Nie posiada ono żadnej wbudowanej logiki ani funkcji. Jedyne zadanie, które spełnia, to przesyłanie danych z punktu A do punktu B. Można powiedzieć (z dużym przymrużeniem oka), że jest to połączenie szeregowe do sieci GSM. Modem zazwyczaj obsługuje jedynie jeden interfejs, który z reguły jest w postaci portu szeregowego (najczęściej jest to port USB).

Modemy występują jako urządzenia działające samoczynnie (np. urządzenie Teltonika TRM240 na zdjęciu poniżej), ale pamiętaj, że modemy stanowią integralną część każdego innego urządzenia GSM. Niezależnie, czy jest to router, gateway czy jeszcze inne urządzenie przystosowane do komunikacji GSM, zawsze podstawę łączności z operatorem wewnątrz urządzenia stanowi modem.

Co to jest router GSM?

Na przeciwnym końcu „skali” znajduje się router – urządzenie bardzo zaawansowane, które pełni wiele funkcji, takich jak: transmisja danych, zarządzanie połączeniami, trasowanie danych, pilnowanie reguł cyberbezpieczeństwa, VPN, SMS, itd.

Zazwyczaj dużą część z tych funkcji router obsługuje równocześnie, aby mogły one działać zależnie lub niezależnie od siebie. Dużym wyróżnikiem jest obsługa wielu interfejsów. Zależnie od budowy i możliwości danego urządzenia mogą to być: WAN (Ethernet, WiFi, GSM), LAN (Ethernet, WiFi), szeregowe (RS-232/485) i I/O. Najbardziej rozbudowane routery są w stanie obsłużyć każdy z wymienionych jednocześnie (np. Teltonika RUT955).

Co to jest gateway GSM?

Gateway jest pewnym kompromisem między modemem a routerem. Tak samo jak router, gateway pełni wiele funkcji jednocześnie (zazwyczaj analogiczne, lub nawet takie same jak router). Największą różnicą będzie obsługa interfejsów. „Klasyczny” gateway (zaraz wyjaśnię, jaki może być inny niż klasyczny) ma wbudowany jedynie jeden interfejs. Zazwyczaj będzie to jeden z portów: LAN, RS-232, RS-485. Czasami można się spotkać z urządzeniem wyposażonym tylko w złącze I/O.

Poza klasycznym gateway’em (jak wyżej np. Teltonika TRB142) istnieją urządzenia bardziej zaawansowane, które funkcjami są praktycznie identyczne, ale oferują więcej możliwości związanych z interfejsami. Na przykład w urządzenie Teltonika TRB245 wbudowane mogą być dwa porty szeregowe, złącze I/O oraz port LAN, a urządzenie dalej nazywane jest przez producenta gateway’em.

Takie urządzenia powodują, że granica między routerem, a gateway’em staje się rozmyta i powstaje pewna szara strefa w nazewnictwie. Urządzenie może pełnić praktycznie wszystkie funkcje przypisane do routera, pod pewnymi względami nawet wyprzedzać w stopniu zaawansowania routery, a wciąż nazywane być gateway’em. Dla przykładu, poniżej przedstawię dwa porównania.

Zagadka 1: gateway czy router?

W pierwszym porównaniu wykorzystuję dwa urządzenia, które znacznie różnią się stopniem zaawansowania. RUT955 ma wbudowany switch 4xEthernet, WiFi, RS-232, RS-485 oraz złącze I/O. Dodatkowo obsługuje dual SIM oraz lokalizację GPS. Po drugiej stronie TRB142 – port RS-232, brak dual SIM, brak WiFi, brak GPS. Pomimo małych różnic w oprogramowaniu (oba urządzenia obsługują VPN, protokoły przemysłowe, konwersję protokołów, itp.) myślę, że niezaprzeczalne będzie stwierdzenie, że RUT955 to router, a TRB142 to gateway.

Zagadka 2: gateway czy router?

Drugie zestawienie jest znacznie ciekawsze. RUT240 ma wbudowane dwa porty Ethernet (1xLAN, 1xWAN), WiFi oraz obsługuje tylko jedną kartę SIM. Po drugiej stronie, TRB245 ma wbudowany tylko jeden port Ethernet, nie obsługuje WiFi, ale ma wbudowany port RS-232, RS-485, I/O, dual SIM oraz obsługuje lokalizację GPS. Pod wieloma względami TRB245 jest bardziej zaawansowany, ale mimo wszystko RUT240 to router, a TRB245 to gateway.

Z obu porównań można wyciągnąć jeden wniosek: nazewnictwo router/gateway nie zawsze będzie tak oczywiste, jak mogłoby się wydawać. W związku z tym nie powinno się porównywać urządzeń pod kątem ich nazwy (nie oceniać książki po okładce!) lub szukać urządzeń wyłącznie w jednej z grup urządzeń GSM.

Zawsze patrz na funkcje, które są niezbędne w danym systemie i szukaj urządzenia, które będzie jak najlepiej „uszyte na miarę”. W dalszej części artykułu pokażę na przykładzie produktów z oferty firmy Teltonika, jak to robić oraz na koniec przedstawię narzędzie, które znacznie ułatwi dobranie najlepszego urządzenia z oferty tej firmy.

Jakie Twoim zdaniem są różnice między routerem a gateway’em? Podziel się swoją opinią w komentarzu pod artykułem!

Poznaj 9 scenariuszy użycia w praktyce

Scenariusz 1.  Zdalny dostęp do komputera stacji ładującej wyświetlającego reklamy na ekranie stacji

W tak podstawowym zastosowaniu sporadycznego wgrywania materiałów na komputer wystarczające będzie wykorzystanie modemu Teltonika TRM240. Modem za pomocą portu USB będzie komunikował się z PC, co umożliwi dostęp do Internetu i możliwość wgrania odpowiednich materiałów po autoryzacji użytkownika.

Ważne: Gdyby celem był zdalny dostęp do bardziej odpowiedzialnych komponentów stacji, jak np. sterownik, to lepszym rozwiązaniem byłby gateway z serii TRBxxx ze względu na wyższy stopień cyberbezpieczeństwa oraz więcej wbudowanych funkcji.

Scenariusz 2. Monitoring farm fotowoltaicznych przez scentralizowany system ERP

Gateway TRB140 daje możliwość połączenia przez sieć GSM do lokalnych urządzeń. Połączenie jest realizowane za pomocą sieci VPN, aby zapewnić wymagane w tego typu rozwiązaniach cyberbezpieczeństwo.

W przypadku większych sieci, bardzo przydatny lub nawet niezbędny może okazać się chmurowy system zarządzania flotą urządzeń GSM – Teltonika RMS (jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na temat systemu RMS, skontaktuj się z nami!).

Scenariusz 3. Obsługa kontrolerów podstacji używanych w energetyce

Kolejny scenariusz będzie oparty o urządzenia wyposażone tylko w port szeregowy, np. kontrolery podstacji używane w energetyce. Kontroler podłączony do gateway’a TRB145 komunikuje się za pomocą interfejsu RS-485 oraz protokołu Modbus RTU. Następnie gateway jest odpowiedzialny za konwersję zapytania Modbus TCP na ramkę Modbus RTU oraz odwrotnie. Komunikacja z systemem SCADA realizowana jest za pomocą sieci VPN, aby zapewnić wymagane w tego typu rozwiązaniach cyberbezpieczeństwo.

Analogicznie do poprzedniego scenariusza, w przypadku większych sieci, bardzo przydatny lub nawet niezbędny może okazać się chmurowy system zarządzania flotą urządzeń GSM – Teltonika RMS.

Scenariusz 4. Gateway jako metoda na ujednolicenie i usprawnienie systemu komunikacji bezprzewodowej

Przejdźmy teraz do bardzo zaawansowanego scenariusza użycia gateway’a GSM. Pierwsza funkcja, którą pełni gateway, to ujednolicenie systemu. Urządzenia w lokomotywie obsługują dwa standardy: szeregowy i Ethernet (dla przykładu, niech będzie to Modbus). TRB245 po pierwsze jest odpowiedzialny za konwersję Modbusa RTU na Modbusa TCP, aby system SCADA miał zdalny dostęp do urządzeń szeregowych.

Następnie służy do bardziej klasycznego zdalnego dostępu dla pozostałych urządzeń Ethernet za pomocą Modbusa TCP. Dodatkowo, dane mogą być wysyłane za pomocą MQTT lub HTTPS do prywatnej usługi chmurowej w celu agregacji danych.

Wbudowane złącze I/O umożliwia wysyłanie alarmów na podstawie ich stanów, np. w momencie, gdy drzwi nie są zabezpieczone, a lokomotywa jest włączona.

Dzięki lokalizacji GPS można w prosty sposób zlokalizować daną maszynę – w tym przypadku pociąg. Pozwala to na kontrolę, czy maszyna jest wykorzystywana zgodnie z warunkami umowy, gdy np. zastrzeżony jest obszar pracy danej maszyny.

Ponownie występuje system RMS, który pozwala na zarządzanie urządzeniami GSM. System występuje w kilku odsłonach, np. wersja mobilna ułatwia podstawową diagnostykę w terenie, a wersja API może zostać zintegrowana z systemem SCADA.

Scenariusz 5. Zdalny inżynier

Podstawowe zastosowanie routerów, które jest stosowane na rynku automatyki, to nazywany przez nas „Zdalny inżynier” – czyli hardware’owy VPN między miejscem pracy, a n zakładów produkcyjnych. Oczywiście podobne zadanie może zrealizować aplikacja VPN zainstalowana na systemie Windows, ale ze względu na wysoką dostępność podstawowych modeli Teltonika, zaleca się połączenie hardware’owe router-router. Takie rozwiązanie będzie bardziej stabilne i niezawodne (dodatkowo więcej stacji roboczych może podpiąć się po stronie biura i wiecej inżynierów może pracować równocześnie nad zdalnymi obiektami).

Przy każdej aplikacji zdalnego dostępu, jedną z pierwszych i ważniejszych kwestii jest posiadanie publicznego adresu IP (w skrócie – bez publicznego adresu IP, server VPN nie będzie osiągalny przez łączących się do niego client’ów).

Korzystanie z usługi Zero Tier

Na szczęście każdy z modeli Teltonika wspiera usługę ZeroTier. Jest to usługa, która pozwala na zdalne połączenie urządzeń. Zasada działania całego systemu jest zbliżona do usług dynamicznego DNS (nie będę się zagłębiał w szczegóły ).

Zainteresowanych odsyłam do manuala ZeroTier

Korzystanie z tej usługi ma dwie duże zalety, ale niestety również jedną wadę. Zaletą jest brak konieczności publicznego IP – to znaczy, że możemy korzystać z najbardziej podstawowych kart (nawet startery z kiosków), co oznacza redukcję kosztów oraz brak specjalnej umowy i dodatkowej usługi u operatora.

Druga zaleta to „bezkonfiguracyjna” łączność – nie ma potrzeby ustawiania adresów IP, certyfikatów czy innych ustawień. Cały system operuje na tokenach, tzw. ID, które są generowane dla każdej sieci oraz dla każdego urządzenia przy pierwszym uruchomieniu usługi.

Wada zawsze będzie przypisana do systemów „bezkonfiguracyjnych” – w tego typu rozwiązaniach tracisz kontrolę nad pełnym zarządzaniem (jest to transakcja „coś za coś”). Nie masz wpływu na to, czy wykorzystany będzie protokół UDP/TCP, czy na jakim porcie zestawione będzie połączenie VPN.

Pamiętaj, że ZeroTier to jedna z opcji połączenia VPN. Poza nią obsługiwane są standardowe protokoły VPN jak OpenVPN, L2TP/IPsec, DMVPN, itp.

Scenariusz 6. System liczenia pasażerów w fińskich autobusach miejskich.

Ten scenariusz użycia przedstawia ogrom możliwości, które niesie wykorzystanie routera RUT955. Każdy ze scenariuszy jest oparty na rzeczywistych sytuacjach, ale ten przypadek jest jednym z nowszych w portfolio Teltonika i dotyczy systemu liczenia pasażerów w fińskich autobusach miejskich.

W pierwszej kolejności do routera za pomocą portu szeregowego połączony jest licznik wejść/wyjść, aby otrzymywać aktualny stan pasażerów w autobusie.

Następnie RUT955 zapewnia łączność do wszystkich urządzeń IP na pokładzie autobusu: kamera, terminal sprzedaży biletów oraz system informacji pasażerskiej. Mamy tu do czynienia z obiektem ruchomym, dlatego bardzo często w takich zastosowaniach wykorzystane są chmurowe systemy zarządzania, planowania, itp., z którymi łączą się urządzenia w pojeździe.

Wbudowany w router odbiornik GPS zapewnia informacje o lokalizacji oraz również udostępnia te informacje do odpowiednich systemów. Na koniec RUT955 niezależnie od pozostałych funkcji służy jako publiczny punkt dostępowy WiFi, aby zapewnić pasażerom łączność z Internetem w trakcie podróży.

Diagnostyka sieci routerów GSM, zarządzanie, zdalne aktualizowanie oprogramowania, odbywa się za pomocą systemu RMS, który również posiada wizualizację aktualnej lokalizacji urządzeń w terenie.

Scenariusz 7. System CCTV na placu budowy z podglądem zdalnym

Ten scenariusz prezentuje sytuację, w której potrzebna jest większa przepustowość łącza. Przykładem może być plac budowy – nie ma dostępu do lokalnego Internetu, więc konieczne jest zastosowanie rozwiązania GSM.

System bezpieczeństwa agreguje dane z wielu kamer w wysokiej jakości, dlatego potrzebna jest większa przepustowość niż w podstawowych modelach Teltonika. W takim przypadku idealnie zadziała Teltonika RUTX11, który dodatkowo wyposażony w WiFi, zapewni podgląd kamer na żywo dla urządzeń mobilnych w terenie.

Scenariusz 8. Stanowisko zrobotyzowane ze zdalnym systemem dostępu

Kolejny przykład pokazuje zaawansowane możliwości łączności z operatorami GSM. Niektóre z wcześniej prezentowanych modeli Teltonika były wyposażone w dual SIM. Dzięki temu modem może dynamicznie zmieniać kartę, za pomocą której połączy się z operatorem na podstawie ustalonych reguł. RUTX12 jeszcze bardziej poszerza te możliwości.

Dzięki dwóm wbudowanym modemom, urządzenie może korzystać z obu kart jednocześnie. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie przepustowości nawet dwukrotnie. Innym przykładem wykorzystania jest połączenie do dwóch różnych operatorów jednocześnie.

W innych modelach również jest to możliwe, ale przez równoległą pracę modemów w RUTX12 urządzenie może np. w tym samym momencie zapewniać łączność wewnątrz prywatnego APN oraz łączność z internetem. Odpowiednie reguły będą zarządzać ruchem w taki sposób, aby niepożądany ruch nie „wydostał się” poza APN.

Scenariusz 9. Uzyskanie możliwie największej dostępności sieci w oparciu o redundancję

Ten scenariusz opiera się o najnowszy model Teltonika – RUTXR1. Urządzenie jest przystosowane i stworzone z myślą o montażu typu rack. Celem jest uzyskanie możliwie największej dostępności sieci niezależnie od warunków, zazwyczaj w krytycznych punktach, w pobliżu systemów SCADA, systemów zarządzania, itp.

RUTXR1 jest wyposażone w redundancję na wielu płaszczyznach. Po pierwsze, dostęp do Internetu można pozyskać na 4 sposoby: światłowód przez złącze SFP, Ethernet przez złącze WAN, operator GSM (lub 2 operatorów w redundancji SIM) lub WiFi. Każdy ze sposobów może działać w redundancji, ustalając odpowiednie priorytety. Dodatkowo urządzenie obsługuje redundancję zasilania, aby również w przypadku braku prądu przejść na zasilanie z UPS.

Jak dobrać urządzenie GSM w zależności od wymagań użytkownika?

Oferta urządzeń GSM Teltonika jest mocno rozbudowana. Stworzyliśmy w Mission Critical narzędzie, które znacznie ułatwi proces doboru odpowiedniego urządzenia do aplikacji. W tabeli zawarte są wszystkie najważniejsze parametry urządzeń, typ anten w standardowym zestawie producenta oraz obsługiwane funkcje.

Skupiliśmy się na wybraniu kategorii, które będą się różniły między modelami (np. nie zamieściliśmy kolumny OpenVPN, czy ZeroTier, ponieważ każdy z modeli obsługuje tę funkcję). Tabela daje możliwość weryfikacji praktycznie na pierwszy rzut oka, które z urządzeń ma wszystkie oczekiwane przez Ciebie funkcje oraz jakie parametry/funkcje dostajesz „w pakiecie” wybranego modelu.

Pomimo chęci uproszczenia tabeli w jak największym stopniu, dalej jest ona stosunkowo duża (w wersji mobilnej może być nieczytelna). W związku z tym, zainteresowane osoby proszę o kontakt na amc@astor.com.pl lub bezpośrednio ze mną lukasz.zabski@astor.com.pl – dostarczamy to narzędzie w formie PDF lub jako plik Excel.

Dodatek 1: kiedy stosować serię RUTX?

• tam, gdzie potrzebna jest duża przepustowość, np. systemy monitoringu obsługujące kamery,
• systemy o dużej liczbie urządzeń w sieci (lokalnej),
• systemy o dużej odpowiedzialności lub systemy w sektorach krytycznych – większa moc obliczeniowa daje jeszcze większą stabilność i szybkość połączenia oraz lepszą kulturę pracy urządzenia,
• systemy o rozbudowanej sieci (VPN/GSM) – większa przepustowość i moc obliczeniowa pozwalają na szybsze połączenie między urządzeniami i między sieciami. Dla średnich sieci zaleca się zastosowanie urządzenia serii RUTX przynajmniej w punkcie newralgicznym (np. server VPN).

Ciężko jednoznacznie określić, ile urządzeń oznacza duży, ile średni, a ile mały system. Przy projektowaniu sieci trzeba kierować się intuicją i doświadczeniem. Dodatkowo stopień obciążenia sieci będzie wpływał na niezawodność i stabilność połączenia (czyli można powiedzieć, że system mały o dużym obciążeniu można traktować jako system średni lub duży).

Nie oznacza to, że prostsze urządzenia (np. RUT240, RUT950) nie są w stanie obsłużyć dużych sieci! Server OpenVPN na RUT240 zezwoli na połączenie równoległe nawet do 200 Clientów OpenVPN – jednak dla większej niezawodności nie zalecamy zbliżania się do teoretycznego limitu. Analogiczna sytuacja występuje w przypadku samochodów – budowa i napęd w teorii pozwalają na osiągnięcie znacznie większych prędkości niż jest to zalecane. W samochodach w grę wchodzi ludzkie życie, dlatego producenci stosują limity wprowadzane w oprogramowaniu pojazdu. W routerach sztuczne limity nie są stosowane, ale dalej nie zaleca się pracy na „pełnych obrotach”.

Dodatek 2: Chcesz wiedzieć więcej o technologiach bezprzewodowych?

1.Sprawdź informatory techniczne Mission Critical dostępne w zakładce każdego produktu na stronie

2. Czytaj artykuły i oglądaj nagrania z webinarów na Poradniku Automatyka