Отвисатор роутеров с 3g/4g usb-модемом.

Данный обзор заинтересует, в первую очередь, тех, кто использует популярное для дач, сельских домов и маленьких офисов решение: раздавать мобильный интернет от usb-модема с симкой через бытовой wi-fi-роутер. Парк таких роутеров сейчас обширен, мобильный интернет достаточно доступен, вот и трудятся по дачам Асусы, Зикселы и прочие тп-линки с воткнутыми в них Хуавеями и ЗТЕ.
Одна проблема — всё это периодически подвисает.
Да оно бы и не беда: казалось бы, ну что тут такого, — зависло, — современная прошивка любого роутера имеет различные ватчдоги. И в dd-wrt, и в open-wrt, да и в стоковых прошивках есть различные keep-alive инструменты: ребут по отсутствию пингов до указанного ресурса, ребут по расписанию, разрыв сессии модема и т.д.
Но на практике всё оказывается гораздо неприятнее. Зависают, чаще всего, именно сами usb-модемы. А программная перезагрузка роутера никак не спасает ситуацию: напряжение с usb-порта роутера при таком ребуте не снимается. Т.е. роутер честно обнаруживает зависание, честно перезагружается, но сам модем так и остаётся зависшим. Помогает только физическое обесточивание системы «роутер-модем».
Столкнувшись со всем вышеописанным, решил сделать универсальный отвисатор бытовых роутеров, который поможет в подобных ситуациях. Нисколько не претендую на оригинальность идеи. Более того, я даже уверен, что такое уже есть. Наверняка такое реализовывалось многими людьми и многими способами. Но, потратив полдня, вот так «слёту» найти готовое решение я не сумел. Понял, что самому сделать проще и сподручнее.
Обозреваемый девайс включается в разрыв линии питания роутера, между низковольтным штекером блока питания и гнездом питания самого роутера. Также отвисатору потребуется от роутера один lan-порт. Смысл прост. Девайс раз в несколько минут пингует последовательно несколько заведомо живых ресурсов (в моём случае это публичные DNS-серверы Яндекса и Гугля). И, если с нескольких попыток не допингуется ни до одного, он разрывает линию питания роутера на несколько секунд, физически перезагружая всю систему.
К конструкции. Главным узлом является сетевой модуль. У меня в тумбочке нашёлся модуль на W5500 от RobotDyn, поэтому он и вынесен в заголовок. Но модули на этом чипе делают все, кому не лень (и, уж конечно, дешевле, чем $5). Так что воспользовавшись поиском по Aliexpress, каждый найдёт лот, подходящий именно ему. Справедливости ради, отмечу, что вся продукция RobotDyn, которую я держал в руках, оставляла самые приятные впечатления — качественный монтаж, отличное качество изготовления плат, продуманность конструкции. Я не рекламирую, — думаю, многие подтвердят мои слова.
Мозгом отвисатора выступает ардуина, — работа как раз для неё. У меня нашлась Pro Mini. Но подойдёт любая, хоть Nano, хоть Uno. Я люблю ProMini за то, что их не жалко оставлять в готовых конструкциях, это самая бюджетная модель из линейки ардуино. Покупаю их сразу пригоршню и всегда имею запас «в тумбочке». Новичкам же, наверное, больше подойдёт упомянутые выше Nano или Uno, потому что они сразу, без переходников и сложностей, умеют подключаться к USB «большого брата».
Ещё конструкция должна содержать ключевой элемент, чтобы разрывать питание роутера. Я, каюсь, применил модуль реле, но это исключительно от лени. n-канальный MOSFET был бы и дешевле, и надёжнее. Можно и твердотельное реле (хоть то же Омроновское), но это уже если шиковать.
Для того, чтобы схема успешно работала в широком диапазоне питающих напряжений (наш отвисатор универсален), используется миниатюрный dc-dc преобразователь, настроенный на выходные 5 вольт.
Вот всё, что потребуется для постройки девайса:


Немного о сетевом модуле, как о центральном в этой конструкции.
Человеку, который впервые выбирает сетевой модуль для своей ардуино-самоделки, приходится делать нелёгкий выбор. Даже если за скобками оставить Wi-Fi, и предположить, что требуется именно коммуникация витой парой, то спектр таких модулей весьма широк. С одной стороны, это семейство шилдов на различных вариациях ENC28J60 и CP2200. Главное, что в них подкупает новичка — это стоимость таких модулей. Они действительно довольно дёшевы. А вот дальше начинаются трудности. Ведь это, в прямом смысле, контролеры Ethernet, которые работают на довольно низком уровне ОСИ. Они работают с Ethernet-фреймами, и не более того. Это значит, что весь стек TCP/IP и всё, что выше, придётся делать ручками и программно. А для новичка, даже при наличии готовых библиотек, это, зачастую, является довольно сложной задачей.
А далее, всем известный визнетовский чип W5100. Готовых модулей на клонах этого чипа — превеликое множество. W5100 — это уже настоящий TCP/IP сопроцессор. Т.е. от низкоуровневой рутины пользователь становится освобождён. Чип стал очень популярен. Но он не лишён кучи недостатков. Главные: работа на скорости 10 Mbit/s, жуткий нагрев, ряд глюков (документированных). Но, W5100 — до сих пор стандарт для официальной ардуины, и все версии библиотеки Ethernet поддерживают именно его.
Последующая эволюция — это появление чипа W5200 (это уже 10/100 Mbit/s, это более стабильная работа). И, наконец, дальнейшее развитие — чип W5500 (от 5200 он отличается меньшим энергопотреблением, (из-за улучшения технологического процесса, 0.13µm против 0.18µm), меньшим допустимым порогом питающего напряжения (1,2V-3.3V против 1,8V-3.3V), изменением формата SPI-фрейма, способностью программно уходить в сон, умением WOL от UDP-пакета и рядом других улучшений).
Многие ардуинщики недолюбливают W5500. Главным образом потому, что официальной поддержки этого чипа стандартной библиотекой Ethernet всё ещё до сих порт нет. А почти четыре года прошло. По ардуиноориентированным форумам полно сообщений, типа «купил модуль на W5500, открыл стандартный пример, ничего не заработало, модуль плохой, буду возвращать». Да, всё это печально, но официальным релизерам библиотек должно икаться по многим поводам, не только по этому. Увы.
Путей решения проблемы несколько.
Во-первых, можно использовать стороннюю библиотеку Ethernet2. Способ хорош, если в вашем проекте не будет использоваться других библиотек, ссылающихся на оригинальную Ethernet. В одном проекте совместить обе библиотеки не получится.
Во-вторых, написать всё самому. Если задачи просты, то вполне возможно.
В-третьих, можно модифицировать стандартную библиотеку Ethernet, чтобы она научилась работать с чипом W5500. Минус в том, что при смене IDE на новую версию, библиотеку придётся модифицировать заново. Или носить модифицированную библиотеку вместе со своим проектом.
Я пошёл по третьему пути. Всё подробно вот тут. Ничего сложного, надо просто по шагам сделать то, что там расписано. Скачиваем архив, заменяем им стандартную библиотеку, раскомментируем ту строку, которая соответствует нашему чипу, наслаждаемся.

Для тех, кто решит повторить описанную тут конструкцию, я приготовил архив с исходником и всеми необходимыми библиотеками, включая уже модифицированную и настроенную библиотеку Ethernet. Её остаётся лишь перенести в папку «libraries» туда, где установлено ArduinoIDE, заменив стандартную библиотеку Ethernet.

В константах, при необходимости, нужно установить IP-адрес отвисатора, соответствующий диапазону контролируемой сети.

Схема устройства предельно проста и очевидна:


Перед началом сборки, надо не забыть выставить выходное напряжение на преобразователе, равное пяти вольтам. Это единственная регулировка в устройстве. Движок подстроечного резистора после этого целесообразно зафиксировать капелькой подходящего лака. У кого нет цапона, подойдёт лак для ногтей, отобранный у жены.

Собираем всю конструкцию в подходящем корпусе:


Вливаем в ардуину код.
Проверяем работоспособность отвисатора.
Окончательно крепим плату ардуины (на двусторонний скотч или капельками термоклея по углам), но, желательно, так, чтобы при необходимости было возможно подключиться TTL-конвертером для перепрограммирования.
Закрываем корпус.

Готово.

Плюсы конструкции:
— Универсальность алгоритма. Конструкция пингует по нескольку раз и сразу несколько ресурсов. И только в случае полной неудачи перезагружает нагрузку.
— Универсальность адресов и протоколов. Можно пинговать любые ресурсы. Например, мониторить собственный сайт на собственном веб-сервере. Можно заменить ICMP-пинги на что-то другое. Например, на подключение к контрольным ресурсам в качестве web-клиента или, скажем, по ftp-протоколу. Аппаратно конструкция никак не изменится.
— Развязанность контролируемой сети и контролируемого устройства. Отвисатор может сидеть во внутренней офисной сети за офисным прокси-сервером или НАТом и, при этом, допустим, перезагружать какой-нибудь старенький аппаратный файервол, который стоит намного раньше и, соответственно, в другой сети.
— Универсальность подконтрольной нагрузки. Уже в существующем виде конструкция будет работать с любой низковольтной DC-нагрузкой, оснащённой разъёмом 5,5x2.1, в широком диапазоне питающих напряжений. Но заменив ключевой элемент на хорошее реле или каскад из оптосимистора (желательно с контролем перехода нуля) и силового симистора, мы без проблем сможем управлять любой рабочей станцией, сервером или фермой. А хороший электромагнитный пускатель сможет обеспечивать аппаратную перезагрузку целой вычислительной стойки или небольшого машинного зала :)

Минусы конструкции:
— DIY. Надо найти время, силы и желание, чтобы сесть и это сделать.
— Аскетичность конструкции. И внешне, и внутренне, отвисатор суров, аскетичен и неаляпист. Нет собственного веб-интрфейса, нет рюшечек, нет модного управления от смартфона, нет блестящих элементов, обтекаемого корпуса, китайского облака, нет логотипов «Mi», «зелёного робота» или «яблока», даже нет никаких мигающих лампочек. Чёрная коробочка, которая молча делает свою работу. Мной подразумевается, что на эту коробочку годами никто не будет смотреть и она явно будет не на виду, — скорее всего, где-то на пыльном чердаке или на дальней антресоли.


PS: Никто ничего для обзора не предоставлял и не спонсировал. Всё, что описано в конструкции, покупалось в разное время за свои собственные деньги или было найдено в собственных закромах.