Во многих приложениях необходимо оперативно передавать информацию о состоянии объекта мониторинга по беспроводным каналам связи. Одно из наиболее распространенных и удобных для этого средств – GSM-модуль, который встраивается в датчики, размещаемые на объекте. О возможностях GSM-модулей, областях их применения и о том, какие модели предлагают сегодня ведущие производители, рассказывается в статье.
Во многих приложениях необходимо оперативно передавать информацию о состоянии объекта мониторинга по беспроводным каналам связи. Одно из наиболее распространенных и удобных для этого средств – GSM-модуль, который встраивается в датчики, размещаемые на объекте. О возможностях GSM-модулей, областях их применения и о том, какие модели предлагают сегодня ведущие производители, рассказывается в статье.
Типичный GSM-модуль состоит из радиоблока (приемопередатчик, усилитель и внешний радиочастотный интерфейс), процессора, памяти и ряда интерфейсов для интеграции в конечные устройства (рис.1) [1]. GSM-модули могут передавать и принимать данные по каналам GSM и GPRS, в том числе SMS-сообщения и факсы. Некоторые модули оснащены также GPS-приемниками и могут определять, а затем передавать координаты объекта, в котором они находятся. Большинством GSM-модулей можно управлять посредством AT-команд. Некоторые производители предлагают расширенный набор этих команд, а также возможность программирования модулей на языках высокого уровня (например, C и Python).
Одно из основных применений GSM-модулей – в так называемых системах М2М (Machine-to-Machine – межмашинная коммуникация). В них происходит автоматический обмен информацией между различными системами сбора и обработки данных. Для приема/передачи этих данных и используются, в том числе, GSM-модули. Системы М2М могут эффективно применяться во многих областях. Вот несколько примеров.
Медицинские датчики с GSM-модулями позволяют дистанционно следить за здоровьем человека. Данные с датчиков, установленных на теле пациента, передаются через сеть мобильной связи на специальный портал [2]. Врачи или родственники могут заходить через Интернет на этот портал и получать информацию о состоянии пациента (рис.2) [3]. В случае возникновения опасной ситуации можно связаться с ним по тем же каналам (например, послав SMS с запросом) и при необходимости вызвать медицинскую помощь.
GSM-модули встраиваются и в стационарные датчики, используемые в М2М-системах контроля энергопотребления, пожарной безопасности, охраны зданий и др. [4].
В М2М-системах управления транспортом на автомобилях устанавливают устройства с GSM-модулями и GPS-приемниками, которые через сети мобильных операторов передают в специальные центры управления информацию о координатах и состоянии транспортных средств, а при необходимости принимают из центра различные команды. Таким образом можно отслеживать местонахождение транспортных средств, автоматически оплачивать проезд, а также оптимизировать использование парка автотранспорта (например, улучшить диспетчеризацию, увеличить экономию топлива и др.) [5]. Любопытный пример возможной транспортной М2М-системы приводит компания Cinterion [6]. Электромобиль с GSM-модулем, интегрированным с датчиком заряда аккумуляторов, стоит на экономичном режиме зарядки. Владелец получает на телефон данные о состоянии заряда. Если возникает срочное дело, а электромобиль не успевает достаточно зарядиться к нужному времени, то владелец отправляет по телефону команду о переходе на ускоренный режим заряда.
Одно из наиболее масштабных перспективных применений технологий М2М – система e-Call (Emergency Call – экстренный вызов) [7], предназначенная для оповещения об автомобильных авариях и оперативного оказания помощи пострадавшим. Она включает специальные датчики, оснащенные GSM-модулями и GPS-приемниками, которые устанавливаются на автомобилях. В случае автомобильной аварии датчики автоматически передают данные о координатах, состоянии подушек безопасности и другую информацию на номер экстренных служб 112 по GSM-каналам (рис.3) [8] и на место аварии высылается помощь. Такая система должна действовать во всех странах ЕС. Запустить ее в полном объеме планируют в 2015 году.
Подобная e-Call система ("ЭРА-ГЛОНАСС") сейчас разрабатывается и в России (рис.4) [9]. Начало ее эксплуатации запланировано на конец 2013 года.
Есть и другие применения GSM-модулей. Например, актуальное для России приложение – автомобильные охранные системы. Здесь GSM-модули обеспечивают передачу сигнала в случае несанкционированной попытки проникновения в автомобиль.
GSM-модули различных производителей
К числу основных производителей GSM-модулей относятся компании Sierra Wireless, Telit, Cinterion, SIM. Рассмотрим продукцию, которую они предлагают.
Sierra Wireless
Модельный ряд компании содержит несколько GSM-модулей (табл.1) [10–14]. Серия Airprime WMP представлена тремя моделями: WMP50, WMP100 и WMP150 [10]. Они работают в четырех GSM-диапазонах (850/900/1800/1900 МГц) и обеспечивают передачу данных по каналу GPRS. Модели WMP100 и WMP150 поддерживают прием данных и по технологии EDGE. Все модели серии Airprime WMP размещаются в компактных BGA-корпусах размером 25×25×3 мм (рис.5а). Модель WMP50 оснащена процессором ARM946, работающим на частоте 26 МГц и обеспечивающим быстродействие 21 MIPS (Million Instructions Per Second – миллионов инструкций в секунду). Она рассчитана на приложения, не требующие высокой производительности. Модель WMP100 предназначена для приложений со средней производительностью – ее процессор имеет быстродействие 87 MIPS. Эта модель полностью совместима с WMP50 по выводам и программному обеспечению, что позволяет легко выполнять модернизацию систем. Особенность модели WMP100 еще и в том, что она сертифицирована на соответствие стандарту ATEX и может использоваться во взрывоопасных условиях. WMP150 ориентирована на автомобильные приложения, в частности, для применения в системе e-Call. Модели WMP100 и WMP150 доступны в исполнениях со встроенным SIM-модулем (вместо пластиковой SIM-карты).
Еще одна серия – AirPrime Q, в которую входят четырехдиапазонные GSM-модули Q2686 и Q2687 [11]. Они обладают схожей функциональностью с серией Airprime WMP, но размещаются в корпусах с соединителем (рис.5б).
Серия Airprime WS – это очень компактные модули [12]. Самый маленький из них – WS6318 – имеет габариты всего 15×17,8×2,5 мм (рис.5в). Эти модули можно интегрировать в различные устройства с малыми размерами, например, используемые в медицинской диагностике, бытовой электронике, навигации и в автомобильных охранных системах. Корпус модели WS6318 покрыт специальным защитным слоем, устойчивым к воздействию агрессивной внешней среды. Модели WISMO218 и WISMO228 этой же серии размещаются в корпусах типа LCC с краевыми контактами (LCC castellation) размером 25×25×2,8 мм (рис.5г), удобных как для ручной, так и для автоматической пайки на плату. Основное различие между этими моделями – в числе поддерживаемых GSM-диапазонов. Модели WISMO228 – четырехдиапазонные, WISMO218 – двухдиапазонные. Модули Airprime WS обладают меньшими возможностями по сравнению с модулями серий WMP и Q, в частности, у них меньше интерфейсов.
Все вышеперечисленные GSM-модули поддерживают аудиокодеки HR, FR, EFR, AMR и оснащены функциями подавления эха и шумов.
Для совместного использования с GSM-модулями, например, в системах мониторинга транспорта и оповещения о чрезвычайных ситуациях, компания Sierra Wireless предлагает GPS-модули AirPrime XM0110 (рис.6). В них используется GPS-приемник SiRFstarIV компании CSR. Модули XM0110 очень компактны (10×12,5×2,5 мм) и легко интегрируются с GSM-модулями Airprime через последовательный интерфейс UART [13].
Для программирования GSM-модулей можно использовать фирменный программный пакет Open AT Application Framework. Он включает специальную операционную систему, ориентированную на решение задач в рамках технологии M2M и позволяющую программировать модули на языке высокого уровня ANSI C/C++, библиотеку программ для различных приложений и интегрированную среду разработки на основе Eclipse [14].
Еще одна возможность ряда GSM-модулей, которую предлагает использовать компания Sierra Wireless, – применение встроенных в модули микропроцессоров для управления не только самим модулем, но и другими блоками системы, в которой он используется [1]. При добавлении GSM-модулей во встраиваемые системы разработчики обычно используют отдельный микроконтроллер для управления ее различными частями, в том числе для взаимодействия с GSM-модулем. Однако, поскольку системный микроконтроллер и микропроцессор GSM-модуля – наиболее дорогостоящие компоненты устройства, такой подход, особенно при массовом выпуске изделий, приводит к большим затратам.
В то же время микропроцессор, встроенный в некоторые GSM-модули (см. рис.1), обладает достаточной производительностью для того, чтобы управлять не только самим модулем, но и всей системой. Например, ресурсы ARM-процессора с быстродействием 87 MIPS используются самим GSM-модулем менее чем на 20% в режиме его максимальной загрузки. Остальные ресурсы могут пойти на нужды всей системы. Собственно, как отмечают специалисты компании Sierra Wireless, такой подход не нов. Еще в конце 90-х годов прошлого века процессоры типа ARM9 применялись в мобильных телефонах не только для обеспечения работы GSM-компонентов, но и для управления клавиатурой, ЖК-дисплеем, аудиосигналами и др. Компания предлагает использовать в качестве основного контроллера системы микропроцессоры, входящие в состав, например, модулей Q2687. Они оснащены необходимыми для этого программными и аппаратными средствами. Помимо процессоров для общесистемных нужд можно задействовать также ресурсы памяти, интегрированной в модуль. Использование встроенных ресурсов GSM-модулей вместо отдельного микроконтроллера позволит существенно уменьшить габариты конечных устройств, повысить эффективность их работы и снизить себестоимость.
Telit
Компания Telit также предлагает широкую линейку GSM-модулей в различных корпусах и с разной функциональностью (табл.2) [15–24, 26]. Устройства серии GE864 [15–18] – это четырехдиапазонные GSM-модули в BGA-корпусах размером 30×30×2,8 мм (рис.7а). Малые размеры позволяют использовать эти модули в очень компактных, в том числе переносных устройствах. В линейку входит четыре модели: GE864-QUAD V2, GE864-QUAD ATEX, GE864-QUAD Automotive V2 и GE864-GPS. Модель GE864-QUAD ATEX предназначена для использования во взрывоопасных средах. Модель GE864-QUAD Automotive V2 разработана для применения в автомобильных приложениях – она соответствует требованиям к системам e-Call [5]. Модуль GE864-GPS имеет встроенный GPS-чип SiRFstarIV.
Модель GE865-QUAD в BGA-корпусе (22×22×3 мм), по заявлению компании Telit [19], – самый компактный модуль такого типа на рынке, предназначенный для использования в миниатюрных устройствах.
Серия модулей GE910 выполнена в корпусах LGA (рис.7б). Среди их отличительных особенностей – наличие интерфейса USB 2.0 и мощный микропроцессор ARM11 [20]. Модель GE910-GNS содержит также приемник сигналов спутниковой навигации, поддерживающий стандарты GPS и ГЛОНАСС.
Модули GL865-DUAL [21] и GL865-QUAD [22] размещаются в корпусах LCC (рис.7в). Первый модуль – двухдиапазонный, а второй поддерживает все четыре GSM-диапазона. Другие их характеристики схожи. Модуль GL865-DUAL V3 (новый представитель той же серии) полностью обратно совместим с модулем GL865-DUAL, но основан на новом 2G-чипсете компании Intel [23]. Он также отличается пониженным энергопотреблением, благодаря чему его можно применять в устройствах с батарейным питанием, в том числе переносных.
Модули G30 [24] доступны в двух исполнениях – в корпусе LGA (рис.7г) и с 70-контактным межплатным соединителем (рис.7д). Они имеют высокую прочность и могут использоваться в тяжелых промышленных условиях. Есть варианты исполнения со встроенной SIM-картой. Такое решение повышает надежность и безопасность устройства. Модули G30 поддерживают фирменную программную платформу Telit AppZone [25]. Она предоставляет возможность использовать процессор и память GSM-модуля для выполнения сторонних приложений.
В модельном ряду Telit есть также модуль с промышленным соединителем GC864-QUAD V2 [26] (рис.7е).
Для отладки GSM-модулей компания Telit предоставляет специальный комплект – Telit Evaluation Kit (EVK2) (рис.8) [27]. Он включает материнскую плату и плату-адаптер, на которой устанавливается отлаживаемый модуль. На материнской плате есть разъемы различных интерфейсов, соответствующих тому или иному модулю, и держатель SIM-карты.
Cinterion
GSM-модули компании Cinterion объединены в две основные группы: M2M Value и M2M Evolution. Модули M2M Value (табл.3) [28–32] позиционируются как базовые модели, однако обладают широкими возможностями, достаточными для решения многих задач в соответствии с современными стандартами. В эту группу входят модули BGS2 и BGS3 в LGA-корпусах и модули MC55i/MC55i-W и BG2 с соединителями (рис.9а, б). Модули BGS2 отличаются малыми габаритами (27,6×18,8×2,7 мм), а BGS3 доступны в исполнении для взрывоопасных сред, соответствующем стандарту ATEX. Различие между модулями MC55i и MC55i-W в энергопотреблении и диапазоне рабочих температур (см. табл.3).
Группа M2M Evolution [29, 33] также включает модули в LGA-корпусах (EES3, EGS5, EGS3) и с соединителями (MC75i, TC65i/TC65i-X, TC63i) (рис.9в). Они обладают большей функциональностью, чем модули группы M2M Value. В частности, все модули этой серии оснащены интерфейсами USB и SPI (дополнительно к имеющимся у серии Value интерфейсам), а модули MC75 и EES3 поддерживают канал передачи данных EDGE.
На сайте компании Cinterion подробно рассмотрены различные типовые применения ее GSM-модулей.
SIM
Модельный ряд GSM-модулей компании SIM включает несколько серий (табл.4) [34]. Серия SIM900 – это GSM/GPRS-модули. Модуль SIM900 – наиболее компактный (24×24×3 мм), размещен в корпусе для поверхностного монтажа (SMT) (рис.10а). Он поддерживает четыре GSM-диапазона. Модуль SIM900D аналогичен по характеристикам, но больше по размерам – 33×33×3 мм. Еще два модуля этой серии SIM900B и SIM900S выполнены с межплатными соединителями (рис.10б). Первый из них четырехдиапазонный, второй – двухдиапазонный, он также имеет меньший диапазон рабочих температур – от -20 до 60°C. Все модули серии оснащены процессором AMR926EJ-S.
Модули серии SIM700, кроме GSM и GPRS, поддерживают технологию EDGE. Модуль SIM700 (рис.10в) оснащен межплатным соединителем, а SIM700D (рис.10г) предназначен для поверхностного монтажа.
Модуль SIM908 (рис.10д) имеет встроенный GPS-приемник. Поэтому его можно применять в различных приложениях, требующих точного определения координат объекта.
Все GSM-модули компании SIM поддерживают управление посредством расширенного набора AT-команд, имеют набор встроенных аудиокодеков и оснащены различными интерфейсами.
* * *
Таким образом, сегодня рынок предлагает множество GSM-модулей различной функциональности и габаритов, выполненных в разных корпусах. Из них можно подобрать вариант, оптимальный для конкретного приложения. Выбор – за потребителем.
Размеры, мм 28,2×28,2×2,6 24,4×24,4×2,7 24,4×24,4×2,6 24,4×24,4×2,7 24,4×40×3,5 30×36,2×3,2
Масса, г 3,6 2,8 6 6,1
Диапазон рабочих температур, °C Нет данных -40…85
Рис.7. GSM-модули компании Telit: а – GE864-QUAD V2; б – GE910; в – GL865-QUAD; г – G30 в корпусе LGA; д – G30 с межплатным соединителем; е – GC864-QUAD V2
а)
б)
в)
д)
г)
е)
Рис.8. Отладочный комплект EVK2
Рис.9. GSM-модули компании Cinterion: а – BGS2; б – BG2; в – MC75i
а)
б)
в)
Таблица 3. Характеристики GSM-модулей группы M2M Value компании Cinterion