基于Air724UG的4G CAT1路由器 & DTU

1. 产品简介

   HN405是一款高性价比的4G CAT1路由器&DTU,为用户提供快速稳定的联网传输解决方案。其方案硬件采用全工业级IC设计,RTOS基于国产操作系统RT-Thread实现,通过有线LAN口连接,进行4G接入;同时提供一个RS232接口,对用户开放基于MicroPython的二次开发功能。DTU功能就是基于MicroPython实现的,对用户开源,用户可以是随意修改,增加功能。

   HN405是一个高性价比的真工业级4G路由器,不仅仅所有元器件都是工业级,而且电路设计、电路保护措施都完全符合工业级规范。和市面上常见的采用消费类的路由器专用芯片来设计的4G路由器有很大不同。它非常适用于要求在7x24小时不间断供电工作的环境。

   HN405支持35mm导轨安装,具有高性价比、体积小巧、功能强大、联网快等优势,主要为智能电网、个人医疗、智能自助终端、环境监控、充电桩、工业自动化等领域提供稳定可靠的互联网接入能力。

1.1 产品特点

支持一个有线LAN口,10/100Mbps自适应;

抽屉式SIM卡插座,支持公网卡、APN专网卡等;

支持LED显示基本工作状态;

内置WEB服务器,支持通过浏览器配置参数及查看工作状态;

支持通过WEB更新固件;

支持4G功能的打开或关闭;

支持4G路由器功能的打开或关闭;

支持MicroPython的二次开发功能,开源透传串口服务器、DTU等程序;

支持NTP从服务器获取时间;

支持一键恢复出厂配置功能;

远程局域网功能(正在开发中);

外部硬件看门狗设计,保证系统的稳定性。

1.2 产品外观

1.1 产品外观正面


1.2 产品外观背面

   4G CAT1路由器&DTU HN405的产品外观如 1.1 1.1所示。产品外观正面的贴膜完美演示了接口端子引脚的对应,为现场工程人员接线连接提供指导;产品外观背面有2个耳朵,为螺丝固定安装提供定位,同时用户可选配235mm导轨安装的DIN卡扣,为工业现场的安装提供方便。下面简要介绍一下接口。

电源接口采用5.08间距的3Pin端子,一个PE,用于连接大地;一个GNDVCC,用于连接24V的开关电源。

复位按键,为了避免误触碰,该按键并未引出到外壳外,需要用针伸入才能按住。用于恢复一些配置。长按按键5秒以上,则恢复网络相关配置、网页配置登录用户名密码以及设备运行信息。其它数据,如Python脚本文件都不会被删除。

RJ45接口提供1路,工业级设计,内部带28KV ESD保护。

SIM卡插座,采用抽屉式插座,保障接触牢固安全。

4G天线,提供母口是SMA天线接口,可以外置吸盘天线或者直接SMA公头的天线。

1路隔离RS232接口,提供DB9接口,内置ESD 8KV保护。该接口主要提供给用户二次开发,如实现DTU或串口服务器功能。

若干LED指示灯,用于指示设备运行的一些信息。下面简要描述下每个LED的功能:

电源指示灯:上电后常亮。

运行指示灯:快闪闪烁3次表示设备重启,启动后每秒闪烁一次。

联网指示灯:4G Cat1 Modem Air724UG拨号成功,点亮;反之熄灭。

COM指示灯:当RS232接口有数据收发时闪烁一次。

ACT指示灯:当使能了移动网络时,移动网络有数据交换时,闪烁。

4G指示灯:当使能了移动网络时,成功接入到4G网络时,点亮;反之,熄灭。

1.3 规格参数

    HN405的规格参数如 1.1 1.2所示。

1.1 基本参数

项目

描述

产品型号

HN405

工业级4G CAT1路由器&DTU

以太网

LAN

一个10/100Mbps自适应以太网接口

串口

RS232

一个DB9 RS232接口,内置8KV ESD保护

二次开发

MicroPython

基于MicroPython语言二次开发,最大py程序大小200K

固件更新

固件更新

通过本地WEB进行固件更新

SIM卡和天线

SIM/USIM

标准6SIM卡接口,3.3V/1.8V SIM

天线

4G全网通吸盘天线

按键

Reset

恢复出厂配置,进入BootLoader模式

指示灯

状态指示灯

电源指示灯、状态灯、联网灯、COM灯、ACT灯、4G

温度

工作温度

-40~85

存储温度

-40~125

湿度

工作湿度

5%~95%RH(无凝露)

存储湿度

1%~95%RH(无凝露)

供电

供电电压

DC9-26V

工作电流

DC12V供电下,平均120mA,最大150mA

1.2 4G CAT1频段信息

产品名称

频段信息

描述

HN405

FDD-LTE

B1/B3/B5/B8, Class3(23dBm+-2dB),最大上行速率5Mbps,最大下行速率10Mbps

TDD-LTE

B34/B38/B39/B40/B41Class3(23dBm+1/-3dB);配置2支持最大上行速率2Mbps,最大下行速率8Mbps;配置1支持最大上行速率4Mbps,最大下行速度6Mbps

WCDMA

不支持

TD-SCDMA

不支持

CDMA

不支持

GSM/GPRS/EDGE

不支持

注意:HN405支持中国移动、中国联通及中国电信的4G网络,不向下支持3G2G网络。

2. 产品操作测试

2.1 产品框图

   本公司的4G CAT1路由器&DTU HN405的产品设计框图如 2.1所示。本产品基于480M主频的Cortex-M7处理器STM32H7系列设计,国产操作系统RT-Thread为灵魂,加上高效的路由算法设计而成。图中,左边黄色框部分为产品的硬件模块;右边红色框部分表示的是基本软件功能模块。


2.1 HN405产品设计框图

2.2 快速测试


2.2 测试环境示意图

测试环境示意图如 2.2所示。

测试条件:PC机一台、HN405路由器一台(含天线)、网线一根、DC12V 2A电源一个、4G SIM卡一张。

测试步骤:

SIM卡插入路由器的卡槽内,注意:方向是芯片面朝上,SIM卡不支持热插拔,务必断电操作;

4G天线 接在路由器的4G天线接口上;

PC机网口通过网线连接到4G路由器的RJ45接口上;

配置PC机网卡,选择自动获取IP地址,如 2.3所示;

使用配送的12V DC电源,给路由器供电;

此时,可以打开PC机的浏览器,输入192.168.1.1,然后按照提示输入用户名和密码(默认都是admin), 进入 2.4的路由器运行状态界面。查看移动网络状态,当看到网络连接状态为已连接,同时看到了移动网络的IP地址后,表示4G Modem Air724UG已经联网成功,可以上网了。

使用测速工具测速结果(本测试使用移动4G物联网卡,根据当地网络不同,速度可能有差别,理论最高值应当满足 1.2的描述),测速效果如 2.5所示。

此外,还可以采用浏览器浏览网页等,进一步测速联网效果。


2.3 PCIP地址配置


2.4 4G路由器运行状态


2.5 4G路由器测速效果

3. 基本参数配置

本路由器的所有配置均可通过网页的形式,用户通过浏览器登录路由器,即可对路由器进行配置。这里既支持用户通过普通PC电脑进行配置,也支持通过平板电脑、智能手机登录网页进行配置。路由器支持NetBIOS协议,如果用户使用的是PC电脑,在不知道路由器IP地址的情况下可以通过主机名登录访问。配置前,需要将路由器的以太网接口和PC机直接连接或者两者连接到同一个交换机(或宽带路由器的LAN)。本章将详细介绍路由器中断网页,并对一些配置选项进行基本的讲解。使用本路由器的工程技术人员,请详细阅读本手册,严格按照本手册的说明进行操作。

3.1 设备默认配置

本节只描述以太网接口的默认配置,其它配置用户可以通过浏览器登录路由器中的WEB服务器,可以查看当前配置。

本路由器提供1路以太网接口,以太网接口默认配置如下:

以太网口默认配置:

IP地址:    192.168.1.1

子网掩码: 255.255.255.0

默认网关: 0.0.0.0

用户名:     admin

密码:   admin

设备网络名字默认为huaning。设备网络名字不区分字母大小写,最大16个字符。在Windows PC上,用户可以通过设备网络名字访问路由器里的WEB页面,进而对路由器进行配置。后文将详细描述各个配置网页页面。

3.2 网页配置详述

3.2.1 配置界面登陆

初次给设备上电后,插上网线,将本路由器以太网接口与电脑直接连接。电脑IP地址如果是静态IP则电脑必须和以太网接口处于同一个网段;建议电脑IP采用DHCP方式获取。满足这个条件后,打开浏览器,输入192.168.1.1或者huaning,进入配置界面登陆窗口,如 3.1所示。初始用户名和密码都是admin,注意区分大小写。输入用户名和密码即可进入配置界面。


3.1 用户登陆界面

3.2.2 运行状态

登陆配置界面后,进入设备运行状态界面,如 3.2 3.3所示。该界面显示了设备


3.2 设备工作状态界面1


3.3 设备工作状态界面2

当前的工作状态,该界面每隔5秒钟自动刷新1。下面逐个介绍:

版本信息:用于显示当前的硬件版本和软件版本。如果用户进行了固件升级,这里可以查看最新的软件版本。

以太网接口状态:以太网接口对外提供1RJ45接口,它是本地设备配置的核心接口。本产品的所有配置、包括DTU Python脚本的下载都是通过以太网接口进行的。设备出厂时,本公司会为以太网接口配置一个唯一的MAC地址。但是允许用户克隆或者恢复该MAC地址以便满足自己的应用。

移动网络状态:这里显示移动网络,即4G网络的配置和运行状态信息。SIM卡信息、网络连接信息都会显示在本页面。通过本页面,用户可以诊断4G网络,调试SIM卡状态、4G网络的连通情况等。

域名服务器状态:这里显示设备网络名称和域名服务器的配置。4G路由器的域名服务器支持向下迭代功能,该域名可以通过DHCP方式分配给连接的以太网设备。本路由器的内部应用,无论用户选择以太网方式连接服务器或者移动网络连接服务器,都采用这里配置的域名服务器解析域名。

应用配置状态:这里显示当前的应用配置状态,包括时间相关配置、NTP服务器配置。

路由器工作状态:当使能4G路由器功能时,这里将显示4G路由器的一些信息。

运行时间和系统时间提示:设备固件中运行了一个定时器。它标志从设备启动到现在经过的时间,显示格式为:xxxx()xx()xx()。每当设备重启后,该参数就会被清零。系统时间显示了路由器的当前本地时间,显示格式为:xxxxxxxxxx()xx()xx() 星期x

3.2.3 网络配置

点击左边配置界面的超链接网络配置,右边打开网络配置界面。每次打开该界面时,界面显示的是当前配置。

网络配置主要指以太网接口及4G接口的相关配置,如 3.4所示,它包括3个界面,一个负责IP地址相关配置,一个用于重新配置网卡的MAC地址,最后一个用于移动网络(4G网络)配置。

IP地址相关配置,当选择DHCP方式获取IP地址时,这里配置的IP地址将无效。当4G路由器功能使能时,路由器本身可以运行DHCP服务器功能,因此,路由器本身的以太网接口IP地址建议使用静态IP

当路由器功能关闭时,本路由器就是一个普通的网络设备,它的以太网接口可以使用DHCP方式获取IP地址。当它需要访问互联网时,在一些网络中,网络管理员只允许一些特定的MAC地址连接互联网,而不允许本公司出厂的MAC地址连接互联网。于是,重新修改MAC地址的功能就用上了。这里可以为以太网接口配置一个允许连接互联网的MAC地址,进而可以连接互联网的服务器。当然,一般情况下,不需要重新配置以太网接口的MAC地址。无论如何配置MAC地址,路由器出厂时本公司配置的唯一MAC地址都不可修改。

移动网络配置用于打开或关闭4G网络;如果是移动专用网络,可以根据运营商提供的APN信息配置APN名称、APN用户名和APN用户密码;4G网络支持4G CAT1,不向下兼容3G2G网络。当打开4G网络时,路由器将采用4G网络连接互联网。配置后,重启生效,在运行状态界面的移动网络状态栏可以看到移动网络信息;如果移动网络状态显示不正常,请检查SIM卡连接或咨询移动网络运营商。


3.4 网络配置界面

注意:MAC地址的第一个字节必须为偶数,否则将影响正常的数据通信。一旦配置错误,请长按设备的按键恢复出厂后,在登录网络重新配置。

3.2.4 域名服务器配置


3.5 域名服务器配置界面

点击左边配置界面上的超链接域名服务器配置,右边打开域名服务器配置界面,如 3.5所示。每次打开该界面时,界面显示的是当前配置。点击获取当前配置,也可以得到当前的域名服务器配置参数。

设备网络名称就是登陆WEB配置页面时,浏览器地址栏输入的主机名。设备网络名称只能为英文字母或数字,不区分字母大小写,最大长度为16个字符长度,请务必正确配置。

本路由器,以太网接口和4G网卡接口都使用这里配置的域名服务器地址进行域名解析。为了达到此功能,当配置以太网接口以DHCP方式获取IP地址的时候,只是通过DHCP方式获取IP地址、子网掩码和网关地址,并不获取域名服务器地址;4G网卡通过拨号方式上网时,也不会和拨号服务器协商分配域名服务器地址。

3.2.5 路由功能配置

点击左边配置界面上的超链接路由功能配置,右边打开路由功能配置界面,如 3.6所示。本产品实现的的4G路由器功能是一种非常高效的实现,是本公司独创的一种实现方式。这主要体现在NAT表查询采用双hash算法,一次找到表中的记录;路由数据转发零拷贝。这2点是任何Linux的商用路由器都无法比拟的。使用4G路由器功能的前提是必须使能了移动网络(4G),且以太网接口必须使用静态IP地址,它可以启用DHCP服务器功能。使用中,需要注意一个局域网千万不要使能2DHCP服务器,否则可能引起无法预知的问题。


3.6 路由功能配置界面

3.2.6 串口配置

点击左边配置界面上的超链接串口配置,右边打开串口配置界面,如 3.7所示。本产品中串口是留给用户采用MicroPython二次开发使用的,如实现DTU功能、Modbus RTU功能等。为了简化MicroPython中串口的开发,本产品尽量隐藏串口帧封装的细节,提供给用户的接口是将串口开发映射都了本地回环网卡的UDP端口上,用户二次开发时,只需要按照 3.7配置下串口参数、分帧间隔、映射的本地回环网卡的UDP端口, 就可以采用socket编程UDP间接地对串口实现操作了。程序清单 3.1是串口回环测试的一个Python例子。在应用配置界面,将该Python程序源码下载到本路由器,重启即可运行。此时,采用USBRS232的线和PC连接,进行收发数据,即可看到串口回环收发数据的功能。