工控大廠也擁抱樹莓派!研華RPi 4版物聯網閘道器觀察

作者:陸向陽

先說在前,這不是一篇業配文,筆者純就自己的觀察觀感寫這一篇,也尚未實際使用該套件。

研華針對RPi 4推出的物聯網閘道器套件Ei-U220。(圖片來源:研華官網

近期我國工控電腦業者研華電腦(Advantech)針對樹莓派4推出物聯網閘道器套件,使RPi 4更適合用於工業(industry,或稱產業)控制領域,筆者認為此舉有兩個面向可討論。

RPi的產業化運用

首先是RPi的產業化運用,樹莓派基金會在2012年發創RPi時只想用於電腦科學教育上,而後發現創客、產業也愛用,因而將推廣策略轉變成三者並重,並在2014年針對產業推出特有版本,即模組子卡型態的RPi,稱為Compute Module,之後Compute Module持續推出新款,2017年起更衍生出陽春版(Lite)版。

產業運用版的樹莓派是以模組子卡的型態插入應用週邊電路板上。(圖片來源:樹莓派基金會)

既然RPi官方已有產業化運用需求的版本,是否還需要他廠、副廠的產業版本?實際上RPi官方的產業版RPi仍保有一定的應用彈性,尚未加入特定的介面、匯流排,也未有機構外殼等,此成為他廠可發揮的空間。

研華推出的物聯網閘道器套件(Ei-U220)已加入許多硬體週邊設計,如工控領域常用的匯流排RS-232/485、自備電池的即時鐘(Real-Time Clock, RTC)以及具散熱效果的鋁製機殼。另可選購可信任平台模組(Trust Platform Module, TPM)以及適合條軌方式裝設的DIN配件。

Ei-U220套件的兩種裝設方式,DIN方式需選購配件方能裝設。(圖片來源:研華電腦官網

由於加入外部週邊,因此也配套提供驅動程式,直接以一個新的RPi作業系統映像檔(image file)方式提供,稱為UNO-220 AdvRaspbian。AdvRaspbian(需要8GB或更大容量的SD記憶卡)除了支援即時鐘、RS-232/485外也支援德州儀器(TI)的I/O延伸晶片TCA9554,估計這顆晶片也已配置於套件中。

研華很明顯的比RPi基金會更有工控領域的實務,因此提出更切合產業需求的實務設計,產業幾乎必備的週邊(如RS-232/485、RTC)即配置於套件內,需求可能性很高的則為選配(如TPM、DIN)。

RPi的廣泛地位

再從另一面看,套件的推出也形同承認RPi的廣泛地位,筆者自身接觸的經驗,我國非常多製造業者愛在廠區使用RPi收集感測資訊,而非購買重量級品牌業者推出的邊緣伺服器(Edge Server)或工控電腦(IPC)。選擇RPi的很大著眼是成本,即便RPi非產業型設計(多數製造商購買Model B,事實上絕大多數RPi的銷售也是Model B),以及效能與硬體資源有限,但35美元價格實在太誘人,也切中我國企業高度(慣性?)成本取向的考量。

或者IPC業者仍試圖說服企業用IPC收集感測資訊,卻依然遍地RPi,就連Microsoft也在2015年宣布其物聯網閘道器作業系統Windows 10 IoT Core支援RPi。或許,「打不贏就擁抱」也適用於工控領域。

除了軟硬體配置更合乎產業運用實務外,套件也強調CE、FC認證、兩年保固,此均為典型商業正規品的訴求。此外,套件的價格卻不若一般工控產品,只與RPi的35美元價位相仿,建議售價1,790元新台幣,畢竟用戶選擇RPi多著眼於成本,若附加上的套件明顯昂貴,通常也會排拒。

RPi的技術

最後也談談技術部份,由於套件已額外配置了RTC、RS-232/485等,且可能選擇配備TPM,這些均會佔用RPi 4本有的40-pin GPIO接腳,所以創客已經不能用過去熟悉的樹莓派GPIO操作方式(通常透過撰寫Python程式)來操作,要額外安裝uno220gpio的特有方式來操作。

裝上套件的RPi 4無法直接取用原有的GPIO接腳支援,取而代之是另行提供的4個GPIO接腳。(圖片來源:研華電腦官網

這樣估計有8個接腳可用,其中4個用於RS-232/485,另外4個就真的純當GPIO接腳使用,若進一步研究前述的TCA9554晶片,即可了解其實是運用RPi 4的I2C介面與TCA9554晶片連接,而後透過TCA9554提供8個GPIO接腳。

TCA9554晶片本身也能被定址,其A0-A2的3位元位址顯示最多可接8顆TCA9554,但在此套件中只有一顆TCA9554,可以直接把位址腳都接地來使用(位址000,第一顆TCA9554)。

另外TCA9554也可在GPIO接腳狀態有變化時再向外發出信號,此向外信號通常連接到主控晶片的中斷接腳上並進一步觸發中斷向量,但主控晶片也可以純用輪詢(polling)方式讀取信號,唯較為耗用CPU運算力與反應時間稍長。

德州儀器TCA9554晶片功能方塊圖。(圖片來源:德州儀器官網

至於RTC部分,其硬體規格尚無進一步資料,但日期時間的讀取與寫入,只要使用hwclock -r、hwclock -w等命令列即可;在串列埠方面,則是下達uno220uartrecv、uno220uartsend等指令即可收發。

(責任編輯:王姵文)

 

陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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