がとらぼ

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これまで、「NanoPi NEOとGPSモジュールでNTPサーバ 高精度PPS編」（2017年）や「NanoPi NEOでNTPサーバ再構築 (全まとめ)」（2019年）のように、NanoPi NEO（無印）を使ったNTPサーバを運用してきました。NanoPi NEO（無印）は、Allwinner H3プロセッサと512MBメモリを搭載した小型で非力なシングルボードコンピュータですが、NTPサーバとしては十分に機能していました。しかし、すでに7年が経過し、特にGPSモジュール用の廉価なパッチアンテナは数年で壊れやすいことが分かっています。今回も、NanoPi NEOがGPSモジュールとの通信ができなくなったため、NTPサーバ全体を交換することにしました。

2024年8月6日追記:
調査の結果、今回はGPSモジュールの問題ではなく、NanoPi NEO自体に不調があることが判明しました。ネットワークポートやGPIOへの電源供給が頻繁に途絶え、ネットワークポートのLEDが時々消えるほか、GPIOも長時間動作が途絶えている状態でした。見た目にはランドの浮きやチップの損傷といった異常は特に見られず、修理が難しそうです。NanoPi NEOにはこれまでいろいろと活躍してもらいましたが、今回で引退させることにしました。

4年前に購入したNanoPi NEO3は、RockChip RK3328プロセッサと1GBメモリ（2GBバリアントもあり）を搭載した、NanoPi NEO(無印)およびNanoPi NEO2の後継強化モデルです。最近まで、「NanoPi NEO3をv6プラスのルーターにする systemd-networkd + nftables」の通り、家庭用ブロードバンドルーターとして使用していました。しかし、今年になって「Seeed Studio LinkStar-H28Kで作る超小型OpenWRTルーター」に置き換えたため、NanoPi NEO3は使い道がなくなりました。

このボードはメモリが1GBしかなく、ディスプレイ出力がないヘッドレスモデルのため、他に適した用途が見つからなかったのです。しかし、NTPサーバの交換が必要になった際、NanoPi NEO3が最適だと考えました。以前、NanoPi NEO（無印）でNTPサーバを問題なく運用していた経験があるため、より性能の高いNanoPi NEO3であれば、さらに余裕を持って運用できるだろうと判断したのです。

屋外用GPS GLONASSアンテナ,防水,IP67,インターフェース付き

1,330円

(2024年07月27日 の参考価格)

ATGM332D 5N31 GPS, Beidou, GLONASS 3モード衛星受信モジュールSMA 端子 NEO-M8N置換用

1,072円 986円

(2024年07月27日 の参考価格)

屋外用GPSアンテナの設置

上のAliExpressリンクの屋外用GPSアンテナを購入しました。
設置場所の都合でアンテナをパイプに接続するのではなくL型アングルを使用して固定しました。建物の間ですが、できるだけ空が広く見えて且つ建物の屋根からの雪の落下によるアンテナ破損が発生しないような位置にアンテナを設置しました。

NanoPi NEO3とGPSモジュールの接続

NanoPi NEO3とGPSモジュールはGPIOピンを利用して接続します。

• ピン番号4: GPSモジュールVCCに接続します
• ピン番号6: GPSモジュールGNDに接続します
• ピン番号8: GPSモジュールRX(受信)に接続します (RXとTXを接続)
• ピン番号10: GPSモジュールTX(送信)に接続します (RXとTXを接続)
• ピン番号7: GPSモジュールPPSに接続します

ArmbianのOSイメージ

2024年7月上旬に、最新のArmbianソースを用いてNanoPi NEO3用のOSイメージをビルドしてみたところ、UARTが全く通信できないという問題が発生しました。さまざまな設定を試みましたが、全く動作せず、割り込みやアドレスに問題があるのではないかと推測しました。ArmbianのフォーラムやGitHubで情報を探しましたが、解決に繋がる有益な情報は見つかりませんでした。

そこで、NanoPi NEO3の製造元であるFriendlyElecが提供するOSイメージを試してみたところ、UARTは正常に動作し、GPSモジュールからNMEAメッセージを受信することができました。ただし、FriendlyElecのOSイメージでは、GPIO7番ピンを使ってGPIO-PPSデバイスを生成する方法が不明だったため、NTPサーバとしての利用は難しいと判断しました。

同年7月下旬、再びArmbianのGitHubを調査したところ、新たに追加されたパッチに関連しそうなものを見つけました（この記事の最初の画像を参照してください）。そこで、最新のソースを使ってDebian Bookwormを再度ビルドし、試してみたところ、以前の苦労が嘘のように、特に設定をすることなくUART（/dev/ttyS1）でGPSモジュールと問題なく通信できるようになりました。以下に、PPS用のビルド設定を追加して作成したOSイメージを共有します。

置き場所(Google Drive):
 Armbian-unofficial_24.8.0-trunk_Nanopineo3_bookworm_current_6.6.42.7z

PPSデバイスの有効化

Armbianでは、デバイスツリーを使ってデバイス周りの設定を比較的簡単に追加・変更できます。以前、NanoPi NEO（無印）を使用していた際には、/boot/armbianEnv.txtに少し設定を追加するだけでPPSを簡単に使うことができました。しかし今回は、使用するGPIOピンの指定方法がわからず、設定に苦戦しました。
そのため、デバイスツリーソースでGPIO7番ピンをPPS用として設定する方法を作成しました。

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/dts-v1/;
/plugin/;

/ {
  compatible = "rockchip,rk3328";

  fragment@0 {
    target-path = "/";
    __overlay__ {
      pps: pps@0 {
        compatible = "pps-gpio";
        gpios = <&gpio2 2 0>;
      };
    };
  };
};

最近のArmbianにはデバイスツリーのソースを変換・配置・設定を自動で行うツール(コマンド)が入っています。

# armbian-add-overlay ~/pps-overlay.dts

これにより、pps-overlay.dtsから変換されたpps-overlay.dtboファイルが/boot/overlay-userディレクトリに配置され、/boot/armbianEnv.txtに次の1行が追加されます。

user_overlays=pps-overlay

システムを再起動すると、GPIO7番ピンに対応する/dev/pps0が生成されます。

# dmesg | grep pps
[    0.270694] pps_core: LinuxPPS API ver. 1 registered
[    0.270707] pps_core: Software ver. 5.3.6 - Copyright 2005-2007 Rodolfo Giometti <giometti@linux.it>
[   10.095572] pps pps0: new PPS source pps@0.-1
[   10.095648] pps pps0: Registered IRQ 53 as PPS source

# lsmod
Module                  Size  Used by
rfkill                 24576  1
sunrpc                483328  1
lz4hc                  12288  0
lz4                    12288  0
pps_gpio               12288  1
rk_crypto              28672  0
rng_core               16384  1 rk_crypto
cpufreq_dt             16384  0
zram                   32768  3
binfmt_misc            20480  1
g_serial               12288  0
libcomposite           65536  1 g_serial
dm_mod                126976  0
ip_tables              28672  0
x_tables               36864  1 ip_tables
autofs4                40960  2
realtek                32768  1
dwmac_rk               28672  0
stmmac_platform        20480  1 dwmac_rk
stmmac                233472  3 stmmac_platform,dwmac_rk
pcs_xpcs               20480  1 stmmac
gpio_syscon            16384  0

# apt install pps-tools
# ppstest /dev/pps0
trying PPS source "/dev/pps0"
found PPS source "/dev/pps0"
ok, found 1 source(s), now start fetching data...
source 0 - assert 1722084702.000000773, sequence: 18977 - clear  0.000000000, sequence: 0
source 0 - assert 1722084703.000056099, sequence: 18978 - clear  0.000000000, sequence: 0
source 0 - assert 1722084703.999944679, sequence: 18979 - clear  0.000000000, sequence: 0
source 0 - assert 1722084705.000000189, sequence: 18980 - clear  0.000000000, sequence: 0

# stty -F /dev/ttyS1 9600  ←シリアル速度をGPSモジュール(初期値)に合わせる
# cat /dev/ttyS1

# echo -e "\xB5\x62\x06\x00\x14\x00\x01\x00\x00\x00\xD0\x08\x00\x00\x00\xC2\x01\x00\x07\x00\x03\x00\x00\x00\x00\x00\xC0\x7E" > /dev/ttyS1
# /bin/stty -F /dev/ttyS1 115200
# cat /dev/ttyS1

# chmod 0666 /dev/ttyS1
# ln -s /dev/ttyS1 /dev/gps0

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KERNEL=="ttyS1",SYMLINK+="gps0",MODE="0666"
KERNEL=="pps0",MODE="0666"

# systemctl stop serial-getty@ttyS0.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS0.service

# systemctl stop serial-getty@ttyS1.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS1.service

# systemctl stop serial-getty@ttyS2.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS2.service

# systemctl stop serial-getty@ttyS3.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS3.service

# systemctl stop serial-getty@ttyS4.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS4.service

# systemctl stop serial-getty@ttyS5.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS5.service

# systemctl stop serial-getty@ttyS6.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS6.service

# systemctl stop serial-getty@ttyS7.service
# systemctl disable serial-getty@ttyS7.service

# apt install ntpsec

server 127.127.20.0 mode 17 minpoll 4 prefer     #9600bpsの場合
server 127.127.20.0 mode 81 minpoll 4 prefer    #115200bpsの場合