Что такое gsm модуль
GSM модуль для сигнализации: что это такое?
GSM сигнализации относятся к одним из наиболее эффективных охранных систем, применяемых для поддержки безопасности на таких объектах, как загородный дом, квартира, гараж и пр. Оборудование этого типа позволяет непрерывно следить за безопасностью и, при выявлении угроз, оперативно сообщать об этом владельцу и службе охраны или полиции. Передача сигнала тревоги осуществляется с помощью сотовой связи, для работы с которой используется GSM модуль для сигнализации.
Функциональное назначение и работа
Модуль охранной сигнализации является одним из ключевых устройств, которые входят в состав GSM сигнализации. Благодаря этому электронному блоку обеспечивается непрерывная связь с датчиками и чувствительными сенсорами на охраняемом объекте, а также осуществляется оперативная подача сигнала тревоги на мобильные устройства или стационарные телефонные аппараты, привязанные к сигнализации. Электронный модуль поддерживает:
Функционирует GSM модуль для охранной сигнализации посредством приема информации от системы датчиков, которые располагаются по контролируемым зонам на объекте. При получении от них соответствующего сигнала функциональная схема модуля, по установленному алгоритму, осуществляет дозвон или формирует сообщение об угрозе. Для этой цели используется одна или две сотовые сети операторов мобильной связи (зависит от количества поддерживаемых SIM-карт).
Для подключения модуля GSM к датчикам используется проводная магистраль (во многих случаях это витая пара) или беспроводные высокочастотные каналы. Способ подключения зависит от конструкции используемых датчиков – проводных или беспроводных.
Как самостоятельно создать GSM модуль?
Эффективную охрану на основе сотовой связи вполне реально сделать и самостоятельно – для этого потребуется система датчиков и соответствующий электронный блок для передачи сигнала с помощью сотовой связи. Их можно как приобрести в магазине, так и создать самостоятельно. GSM модуль для сигнализации своими руками можно создать с помощью неиспользуемого, но еще рабочего мобильника.
Для этого потребуется телефон, который поддерживает функцию быстрого набора запрограммированного номера посредством нажатия и удерживания одной из кнопок. Настроив быстрый вызов, следует припаять к контактам действующей кнопки проводники, которые другим концом подключаются к используемому датчику или группе датчиков. При срабатывании чувствительного элемента произойдет коммутация проводников, что будет приравниваться к нажатию и удерживанию клавиши телефона, а соответственно выполнению вызова абоненту.
Если переделать мобильник не получает или нет под руками подходящего можно приобрести уже готовый универсальный GSM модуль. Такие устройства предназначаются как для установки в уже существующие системы охраны и слежения за объектами, так и для построения новых конфигураций. Коммуникация такого модуля с датчиками и иными системами осуществляется как с помощью стандартных цифровых входов, так и посредством серийных портов Rx, Tx.
В процессе настройки таких электронных устройств нужно прописать телефонные номера, на которые следует передавать информацию. Модулем также поддерживается возможность модифицирования его команд и настройки на другие функции. Это потребуется при подключении различных функциональных датчиков, которые отслеживают увеличение температуры, утечку газа, наличие дыма и огня.
Обзор некоторых моделей
В зависимости от модели модуля блок охранной сигнализации GSM может поддерживать различные дополнительные опции. Рассмотрим некоторые из них на примере устройств Кситал и Excellent.
Отличительными особенностями, которыми владеет GSM модуль Кситал, является возможность дистанционного управления и контроля различным оборудованием, имеющим в своем составе электронный блок с контроллером, которым можно управлять с помощью токового сигнала. Используя модули Кситал, можно управлять и контролировать рабочие параметры:
Также устройства Кситал могут устанавливаться в серверных помещениях с целью контроля температурного режима и слежения за безопасностью ИТ-оборудования.»
Перечисленные функции система Кситал поддерживает параллельно со своей основной задачей – охрана контролируемого объекта.
В отличии от GSM модулей Кситал устройства Excellent владеют иными опциональными возможностями. Эти электронные блоки рассчитаны для использования в системе охраны автомобиля. Практическое применение таких устройств позволит надежно защитить транспортное средство от автоугонщиков и воров. Отличительной особенностью, которой владеет Excellent GSM модуль, является возможность дистанционного запуска двигателя с помощью мобильного устройства. Особенно востребована эта функция в зимний период.
Здесь перечислены далеко не все возможности современных GSM модулей. В зависимости от решаемой задачи можно подобрать наиболее подходящее устройство, которое позволит гарантировать высокий уровень безопасности на объекте, а также обеспечит возможность дистанционного контроля его исполнительных систем и управление их работой.
Что означает GSM и для чего он нужен
Подбирая новый телефон или изучая новинки, пользователь регулярно видит в характеристиках строчку GSM 800/900/1800/1900. У него закономерно могут возникнуть вопросы «GSM: что это такое в телефоне?» и «Что означают эти цифры?». Эта статья постарается ответить на них, а также расскажет о том, как работает эта технология и какие привычные функции поддерживает.
Что значит GSM
GSM (Global System for Mobile Communications) или 2G – международный стандарт цифровой мобильной связи. Разработан сотрудниками Европейского института стандартизации электросвязи в 80-х годах 20 века.
Использует для передачи информации радиоканалы частотой 800/900/1800/1900 МГц. Мобильные телефоны, выпущенные после 2000 года, поддерживают этот стандарт.
Скорость передачи информации – до 19,5 кбит/сек. Максимальное расстоянием между телефоном и базовой станцией – 35 километров. При необходимости его можно увеличить с помощью репитеров, усилителей до 120 километров.
Эволюция GSM или что такое 2.5G и 2.75G
GPRS (General Packet Radio Service) или 2.5G – надстройка над стандартом GSM. Информация в ней передается в виде пакетов – сообщений, содержащих информацию об отправителе, получателе и передаваемые данные. Фрагмент фотографии, например.
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution ) или 2,75G – улучшенный вариант GPRS, использующий модуляцию 8PSK. Технология повышает скорость передачи до 270 кбит/сек.
Возможности GSM связи
Стандарт и надстройки поддерживают следующие функции:
Как это работает
В передаче сигнала между абонентами участвуют 2 элемента:
Работает GSM связь следующим образом:
По окончании обмена соединение разрывается, а устройство продолжает прослушивать радиоэфир.
Преимущества и недостатки GSM
Согласно Википедии, стандарт обладает следующими достоинствами:
К недостаткам относятся:
Подводя итог, можно сказать о GSM связи, то что этот стандарт позволил уменьшить телефоны, увеличить время автономной работы, улучшить качество связи и защищенность передаваемой информации.
Принцип работы и правила выбора GSM-модуля
Строитель 4 разряда
Для организации дистанционного управления любой автоматикой с телефона, работающего в режиме GSM, часто используется ДЖСМ-модуль. С помощью этого устройства можно открывать ворота в гараже, удаленно управлять системой полива и т.д. Так как соединение для разговора во время работы с модулем не устанавливается, то не нужно беспокоиться об оплате услуг связи.
Существует несколько критериев выбора модуля
Принцип работы
Устройство представляет собой приемник радиоволн, в который установлена сим-карта любого оператора сотовой связи. Получаемую информацию ДЖСМ-модуль обрабатывает с помощью специального контроллера. Кроме этого, в девайсе есть база телефонных номеров пользователей, имеющих право входить на закрытую территорию. В момент звонка контроллер сравнивает входящий номер с записанной информацией, и если абонент находится в списке, отдает команду на приведение в действие привода.
В противном случае GSM-модуль сбросит звонок, не выполняя при этом никаких действий. Некоторые модели позволяют отключить процесс идентификации пользователя, и контроллер активирует исполнительный механизм при любом звонке. В зависимости от девайса блок управления может быть настроен с помощью веб-интерфейса, ПК, подключенного через интерфейс USB, смс-команд и т.д.
В этом видео вы узнаете, как выбрать GSM модуль:
Преимущества и недостатки
Главным минусом систем, основанных на GSM-module, является то, что исполнительный привод не будет активирован при разряженном аккумуляторе телефона. Впрочем, аналогичный недостаток присущ всем системам дистанционного управления. Преимуществ у GSM-систем значительно больше:
Особенности выбора и область применения
Беспроводные технологии постоянно совершенствуются и становятся все более доступными для широкого круга потребителей. Чтобы устройство нормально функционировало, необходимо продумать место его установки. Выбор конкретной модели будет сложно сделать, если не разбираться в особенностях работы системы.
Одним из важнейших моментов является тип объекта. Именно от этого зависят технические характеристики, по которым и предстоит выбирать девайс. Если это квартира, то устройство должно обеспечить надежную защиту от проникновения посторонних лиц. В такой ситуации стоит отдать предпочтение GSM-системе с датчиком движения.
Не менее важным параметром является и диапазон рабочих температур. Не все импортные модели смогут нормально функционировать в условиях зимней погоды. Современные отечественные модули практически не уступают западным аналогам и становятся все более популярными среди пользователей.
Сначала эти устройства активно применялись в системах сигнализации и видеокамерах. Однако сегодня сфера их использования значительно расширилась. Модули GSM можно устанавливать на различное оборудование, оснащенное электрическим приводом. В качестве примера можно привести:
Довольно часто они используются на въездах в крупные жилые комплексы или коттеджные поселки. Если сравнивать модули GSM с другими типами охранных сигнализаций, то можно легко заметить существенную экономию, так как достаточно приобрести только автоматический шлагбаум и GMS-систему, управление которой будет осуществляться с телефона.
Популярные модели
В продаже сегодня можно найти большое количество модулей GSM. Они отличаются техническими характеристиками и стоимостью. Знакомство с особенностями популярных моделей позволит сделать правильный выбор.
Устройство DoorHan
Устройство комплектуется антенной на магните и кабелем для ее подсоединения. Она может быть установлена на любой металлической поверхности. Кроме этого, девайс оснащен кабелем USB для подключения к ПК и последующей тонкой настройки системы. Соответствующий софт можно быстро скачать с официального сайта производителя. Также настроить систему можно с помощью смс-команд.
Модуль Teltonika VRT012
Также довольно высокой популярностью пользуются устройства компаний Excellent и Кситал. Некоторые модели при установке в автомобили позволяют дистанционно активировать силовую установку. Это может быть весьма полезно зимой.
Сегодня подобрать модуль в соответствии с решаемой задачей не составит труда. Все эти устройства позволяют обеспечить надежную охрану объекта.
Опыт применения GSM модуля в домашней автоматизации
На даче холодно, и вы хотите за несколько часов до своего приезда туда включить обогреватель, или вас беспокоит возможность аварийного отключения системы отопления загородного дома в ваше отсутствие. Все эти проблемы можно решить с помощью GSM модуля, который умеет отправлять и получать SMS сообщения и реагировать на них, включая и выключая нужную нагрузку. В теории все просто, на практике же на пути реализации подобного устройства есть множество подводных камней.
Мой план заключался в том, чтобы создать простое и дешевое устройство, оснащенное двумя датчиками температуры, датчиком влажности, GSM модулем, а также твердотельным реле и розеткой для подключения нагрузки. То, что получилось в итоге, можно увидеть на фото. В качестве датчика температуры и влажности был выбран климатический сенсор BME280, его канал давления не используется. На фото его можно увидеть под прозрачным колпачком слева от основного модуля. Такое расположение уменьшает влияние тепловыделения внутри корпуса на показания датчика. В качестве колпачка используется китайская пластиковая пробирка с двумя отверстиями для вентиляции. Второй датчик температуры выносной, сделан на DS18B20. Он расположен внутри металлического зонда, с корпусом соединен кабелем через обычный аудио разъем для наушников. Зонд предназначен для измерения температуры непосредственно отопительной системы. Основной объем корпуса занимает твердотельное реле (я выбрал помощнее) и преобразователь из 220В в 5В для питания схемы. Розетка для подключения нагрузки смонтирована на задней стороне корпуса, на фото она не видна. OLED дисплей на базе контроллера SH1106 отображает показания датчиков, а также показывает, включена ли нагрузка. Для управления всей системой используется модуль Arduino Pro Mini в версии 3.3В 8МГц. Я не большой фанат этой платформы, но обилие библиотек, в том числе заботливо выпиленных автором, делает ее оптимальным выбором, когда нужно быстро сделать что то простое.
GSM модуль SIM800L размещен в отдельном металлическом корпусе для уменьшения создаваемых им помех на остальные части схемы. Как показала практика, помехи от этого уменьшаются не сильно. А радикально их уменьшает выносная антенна, подключенная экранированным кабелем к коаксиальному разъему, на фото выше она на переднем плане. Но об этом подробнее мы поговорим позже.
Про использование GSM модулей написано немало статей, в том числе на хабре, поэтому я буду избегать повторений и расскажу о том, что не встречалось мне в публикациях на эту тему, а именно о том, как сделать на базе этого модуля надежно работающее устройство.
В гаражах, где я частенько бываю, недавно поставили на въезде шлагбаум, который открывается, если позвонить на определенный номер. Судя по всему, он сделан на похожем GSM модуле. Меня удивило, как сложно бывает дозвониться по этому номеру, чтобы он открылся. Теперь я знаю множество причин для этого. Это знание стоило мне нескольких месяцев экспериментов и внушительного количества потраченных на них денег. Я надеюсь, что теперь это знание послужит кому то еще. Рассмотрим, на что важно обратить внимание, продвигаясь от очевидных аппаратных проблем к менее очевидным программным.
Первое, что важно сделать правильно, — вставить сим-карту
Мне казалось очевидным, что сим-карта вставляется скошенным уголком вперед. С неделю я пытался понять, почему модуль не желает регистрироваться в сети, попутно осваивая команды в терминале. В итоге на каком то англоязычном форуме я нашел упоминание о том, что вставлять ее нужно скошенным уголком назад. Странно, что она вообще вставляется и так и эдак.
Чтобы хорошо работать, нужно хорошо питаться
Требования к питанию у GSM модуля достаточно специфические. Он сделан на базе микросхемы, разработанной для кнопочных мобильных телефонов, и рассчитан на питание непосредственно от литиевого аккумулятора. Поэтому, 5В для него много, а 3.3В — мало. К тому же, в режиме передачи на максимальной мощности он способен потреблять ток до 2А. Если источник питания не способен обеспечить нужный ток, GSM модуль может перезагрузиться при попытке регистрации в сети и продолжить перезагружаться в бесконечном цикле. Периоды пикового потребления обычно длятся меньше секунды, поэтому есть соблазн применить слаботочный стабилизатор с накопителем энергии для периодов пиковой нагрузки. В качестве такого накопителя можно применить литиевый аккумулятор. При этом важно обеспечить возможность его отключения и важно не забыть ей воспользоваться, иначе отключение устройства от сети закончится глубоким разрядом аккумулятора и его необратимым повреждением. Другой вариант — это поставить вместо аккумулятора ионистор (суперконденсатор). Он не боится глубокого разряда. Но у него тоже есть проблемы с надежностью. Одна ячейка ионистора обычно рассчитана на напряжение от 2.5 до 3В. Ионисторы, рассчитанные на большее напряжение, состоят из нескольких ячеек (обычно из 2-х). При этом, однако, дисбаланс напряжения на ячейках может закончится пробоем ячейки. Такой дисбаланс легко получить за счет разницы в емкости ячеек или разницы в токе утечки. Следует также учитывать параметр внутреннего сопротивления ионистора. Ионисторы с большим внутренним сопротивлением на больших токах бесполезны, а ионисторы с малым сопротивлением стоят не дешевле аккумулятора. После того, как у меня ионистор скоропостижно скончался из-за дисбаланса ячеек, я просто применил преобразователь из 220В в 5В достаточной мощности. Чтобы понизить напряжение до нужного GSM модулю, я поставил между преобразователем и модулем обычный кремниевый диод. На таком диоде обычно падает 0.7В, так что модулю достаются необходимые 4.3В. После диода полезно поставить электролитический конденсатор большой емкости. Он сгладит провалы напряжения при внезапном включении передатчика.
От передающей антенны лучше держаться подальше
Даже после того, как я обеспечил GSM модулю требуемое питание, симптом перезагрузки периодически проявлялся, но на этот раз перезагружалась Arduino. Наблюдение за ее питанием при помощи осциллографа показало, что питание тут непричем. Судя по всему помеху создавал передатчик модуля, поскольку проблема возникала тем чаще, чем хуже были условия приема сигнала базовой станции. Столь радикальный эффект помех от передающей антенны вполне объясним, если вспомнить, что передатчик модуля способен выдать в антенну 2 ватта. Такая мощность может за 5 минут вскипятить миллилитр воды или нагреть ваше ухо на несколько градусов. Для борьбы с этой проблемой были опробованы разные методы. Для начала я подключил внешнюю антенну, которая располагалась снаружи корпуса и соединялась с модулем коротким коаксиальным кабелем. Однако, ожидаемого эффекта это не дало. Тогда я расположил модуль в отдельном металлическом корпусе, к которому снаружи крепилась антенна. Стало лучше, но не сильно. Радикально улучшил ситуацию только вынос антенны на некоторое расстояние от устройства за счет ее подключение коаксиальным кабелем достаточной длины.
Почему так происходит, легко понять из физических соображений. Типичная антенна — это ‘четвертьволновой штырь’, то есть половинка от дипольной антенны. Но, чтобы создать электрическое поле, половинки диполя недостаточно, нужна вторая половинка, тогда между отрицательно и положительно заряженными элементами антенны возникнет электрическое поле. У правильной штыревой антенны второй половиной является либо поверхность земли, либо корпус прибора, либо специальные проводящие ‘противовесы’. Но для маркетологов все это слишком сложно, поэтому нам обычно продают только половинку от нормальной антенны. Как же она работает? Очень просто — второй половинкой является кабель, которым подключена антенна. То, что он экранирован, ничего не меняет. Внешняя поверхность его оплетки играет роль второй половинки дипольной антенны. При этом помеха легко наводится на проходящие по соседству провода несмотря на то, что кабель казалось бы экранирован. Ну а если кабеля нет, например мы спрятали модуль в металлический экран, из которого торчит антенна? Если экран большой (по сравнению с длиной волны), то он работает, как вторая половина излучателя, а если маленький, то излучают прочие провода, которые подведены к этому модулю, совершенно не важно, какие. Следующий рисунок иллюстрирует вышесказанное (плюсы и минусы показаны для наглядности, в реальности заряд элементов антенны меняет знак с частотой несущей).
Слева показана ‘правильная’ антенна, ее подводящий кабель не излучает помех. На среднем рисунке показана антенна, которую вы обычно покупаете. Здесь подводящий кабель является частью излучателя и создает помехи проходящим поблизости проводам. Справа показана ситуация, когда источник сигнала спрятан в компактный экранированный корпус. Здесь любые провода, подведенные к такому корпусу, являются частью излучателя.
Мораль заключается в том, что единственный надежный способ защититься от помех, создаваемых передающей антенной, — унести ее подальше от остальной электроники, подключив коаксиальным кабелем достаточной длины. Какая длина является достаточной? Расстояние естественно соизмерять с длиной волны, в данном случае это максимум 30 см. Это и есть минимальное расстояние на которое следует отнести антенну, но чем дальше, тем лучше.
Не все последовательные порты одинаково полезны
В простых AVR микроконтроллерах, которые все обычно и используют, аппаратный последовательный порт всего один, и он используется для загрузки программы. Поэтому, программная реализация последовательного порта является очень популярным решением. Я собираюсь доказать утверждение, которое многим покажется неожиданным, — для управления GSM модулем программная реализация последовательного порта непригодна вообще.
Суть проблемы в том, что программная реализация последовательного порта запрещает прерывания на все время передачи или приема очередного символа. Казалось бы, что в этом плохого, так многие делают. Например, реализация протокола 1-Wire для чтения термометров Dallas Semiconductor тоже запрещает прерывания на время передачи одного бита, то есть на 65 микросекунд. Это конечно тоже не слишком хорошо. Если в системе есть другие обработчики прерываний, они не смогут обеспечить время реакции на прерывание меньше этих 65 микросекунд. Если запрос на прерывание приходит, когда они запрещены, он будет обработан только после того, как прерывания разрешат снова. Например, аппаратный последовательный порт использует прерывания для того, чтобы положить в буфер приемника очередной принятый символ. Если следующий символ придет, пока не обработано прерывание от предыдущего, тот будет потерян. Это значит, что работать со скоростью больше 115200 бит в секунду аппаратный последовательный порт не сможет. В случае программной реализации последовательного порта все хуже. Для его работы нужно, чтобы время реакции на прерывание было меньше времени передачи одного бита. Это ограничивает нас скоростью 9600 бит в секунду.
Более серьезная проблема заключается в том, что программная реализация последовательного порта сама запрещает прерывания. Причем время, на которое она их запрещает (время передачи или приема одного символа) всегда примерно в 10 раз больше, чем максимальное время обработки прерывания, требуемое для корректной работы приемника того же программного последовательного порта. То есть, он всегда мешает сам себе до такой степени, что одновременно не может принимать и отправлять данные. Конечно, в большинстве случаев это и не требуется. В большинстве, но не в нашем случае с GSM модулем. Он таки может неожиданно для нас по собственной инициативе начать передавать данные (например при получении SMS сообщения). И в случае применения программной реализации последовательного порта это легко может привести к сбою протокола обмена с модулем. Поэтому, я просто применил один и тот же аппаратный последовательный порт и для программирования Arduino и для общения с GSM модулем. Неудобно конечно, но это единственный способ сделать надежно работающее устройство.
Асинхронному протоколу — асинхронный обработчик
Асинхронный протокол — это такой протокол, при котором одна сторона обмена может начать передавать информацию неожиданно для другой стороны, то есть без всякой синхронизации с ее сообщениями. Именно таков протокол обмена с GSM модулем. Он исправно отвечает на запросы со стороны Arduino, но может и начать передавать что то свое, например сообщить о принятом SMS сообщении. И это создает реальную проблему, поскольку ни одна из известных мне библиотек для работы с модулем под Arduino асинхронность протокола не учитывает вообще никак. Представим себе, что Arduino передала модулю команду, а модуль в тот же самый момент передал информацию о принятом SMS сообщении. Эта информация будет принята вместо ответа на команду. В результате в качестве ответа на команду библиотека вернет ошибку (в лучшем случае, в худшем все ‘повиснет’), а сообщение о принятом SMS будет потеряно.
Починить это легко — нужно просто написать свой, асинхронный обработчик протокола. Асинхронный обработчик предъявляет только необходимый минимум требований к ответам модуля на его команды. На каждую команду модуль в итоге отвечает либо OK, либо ERROR. И это все, что нужно для того, чтобы зафиксировать ответ. Все остальные строки, которые приходят от модуля, обрабатываются независимо от того, пришли они в ответ на команду или сами по себе. Смысл этих строк всегда можно определить по их началу. Если строка начинается с +CSQ, то она содержит информацию о качестве сигнала. Если она начинается +CMT, то это информация о полученном SMS, и в ней содержится адрес отправителя. Первая строчка посылается в составе ответа на команду AT+CSQ, а вторую модуль присылает по собственной инициативе, но для нас это различие абсолютно несущественно. Принятые SMS сообщения модуль направляет непосредственно в последовательный порт. Это позволяет избежать чтения их из памяти и последующего удаления. Чтобы мы могли распознать SMS сообщения в общем потоке сообщений от модуля, они должны начинаться с символа #, в противном случае сообщение игнорируется.
Созданная автором библиотека, реализующая вышеописанный подход, находится здесь.
Чтобы получать строки, начинающиеся с определенной последовательности символов, клиент создает специальный объект — ловушку. Таких ловушек он может создать любое количество. Полученные от модуля строки, отличные от OK, ERROR, которые не попали ни в одну из ловушек, просто игнорируются. Поскольку такая архитектура не требует полного анализа ответов модуля на множество различных типов команд, код библиотеки в разы компактнее любой из известных мне библиотек.
Что в итоге?
В итоге получилось устройство, которое надежно работает в зоне со слабым покрытием, даже лучше, чем среднестатистический телефон. Ниже приведена его полная схема.
Для заинтересовавшихся — ссылка на гитхаб, где вы найдете исходники проекта и описание команд, которые можно посылать устройству в SMS сообщениях.