CC BY
68
GSM - модули в структуре курса Интернет Вещей для специальности «Автоматизация производственных процессов» в опорном ВУЗе
Закалюжный Алексей Александрович Магистрант 1 курса направления «Автоматизация технологических процессов и производств»
Донской государственный технический университет, Пл. Гагарина, 1, г. Ростов - на - Дону, 344000, (863)2738473 Zakalizhnuy-95@yandex.ru
Кудряшев Сергей Борисович К.т.н., доцент кафедры «Автоматизация производственных процессов» Донской государственный технический университет, Пл. Гагарина, 1, г. Ростов - на - Дону, 344000, (863)2738473 S270570@gmail.com
Аннотация
Представленная статья раскрывает содержание основного модуля учебного курса. В данной статье затрагивается тема очень популярной в настоящее время концепции интернета вещей, раскрывается суть данного понятия в современном мире. Рассмотрен протокол беспроводной передачи данных GSM. Произведен сравнительный анализ GSM-модулей, аппаратно совместимых с контроллерами популярной фирмы Arduino. Рассмотрены основные характеристики и области применения каждого из них. На основе произведенного анализа даются рекомендации по выбору того или иного модуля.
The article reveals the content of the main module of the training course. This article touches on a subject very popular in currently of Internet of things concept, reveals the essence of this concept in the modern world. The protocol of wireless data transmission GSM is considered. A comparative analysis of GSM-modules, hardware compatible with the controllers of the popular firm Arduino, is made. The main characteristics and application fields of each of them are considered. On the basis of the analysis made, recommendations are given on the choice of a particular module.
Ключевые слова
интернет вещей, беспроводная сеть, gsm, контроллер, arduino internet of things, wireless network, gsm, controller, arduino
Введение
Интернет вещей или Internet of Things — это концепция связи большого количества электронных устройств в общую сеть. Они общаются между собой через интернет: передают друг другу информацию и реагируют на неё. Например, собирают данные о погоде со всех концов Земли, управляют офисными зданиями или сообщают пути объезда, если впереди на дороге образовалась пробка.
С интернетом вещей тесно связано понятие «умный дом». «Умный дом» -одно из самых востребованных направлений в сфере автоматизации на сегодняшний день. Возможность дистанционного управления освещением, отоплением,
вентиляцией и даже чайником привлекает все больше людей, ценящих свое время и комфорт [11]. Например, можно включить чайник незадолго до прихода домой. Множество устройств автоматизируют рутинные задачи и позволяют контролировать состояние дома через интернет [9].
Преподавание данного курса должно способствовать совершенствованию знаний и умений специалистов в области автоматизации процессов с использованием современных информационных технологий.
Концепция интернета вещей
Предполагается, что в будущем «вещи» станут активными участниками бизнеса, информационных и социальных процессов, где они смогут взаимодействовать и общаться между собой, обмениваясь информацией об окружающей среде, реагируя и влияя на процессы, происходящие в окружающем мире, без вмешательства человека.
По мнению Роба Ван Краненбурга интернет вещей представляет из себя «четырехслойный пирог»:
• 1 уровень связан с идентификацией каждого объекта;
• 2 уровень предоставляет с сервисом по обслуживанию потребностей потребителя (можно рассматривать как сеть собственных «вещей», частный пример -«умный дом»);
• 3 уровень связан с урбанизацией городской жизни. Т.е. это концепция «умного города», где вся информация, которая касается жителей этого города, стягивается в конкретный жилой квартал, в Ваш дом и соседние дома;
• 4 уровень - сенсорная планета.
Естественно, для общения и взаимодействия приборов между собой необходим единый язык. Одна из известных компаний провела тщательный технический анализ. Результаты проведенного анализа показали, что 1Р вполне может быть адаптирован к требованиям сетей нового типа. В таком случае «Интернет вещей» получит те же преимущества: совместимость, масштабируемость и, самое главное, единый общий язык, — которые в свое время превратили сложный массив частных и общедоступных сетей в единую глобальную коммуникационную систему, известную как Интернет. [10]
Одними из популярных устройств, реализующих концепцию интернета вещей, является контроллеры фирмы ARDUINO.
Краткая характеристика контроллеров фирмы Arduino
Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов [2]. В надежности контроллеров этой фирмы не приходится сомневаться, так как данная фирма - производитель известна своими компонентами на весь мир и пользуется популярностью у начинающих программистов и разработчиков в силу своей простоты и удобства языка программирования, а также открытой архитектуры и программного кода. Устройство программируется через USB без использования программаторов [1]. Помимо этого, платы Arduino выпускаются с микроконтроллерами ATMEGA8 и ATMEGA168 (более ранние модели) и с контроллерами ATmega32u4, Atmel ATmega328 (новые модели), которые отличаются высокой функциональностью и надежностью. Основное отличие FLASH-
микроконтроллеров ATMEL от остальных состоит в том, что фирма применяет в них FLASH память собственного производства.
Arduino позволяет компьютерy выйти за рaмки виртyального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать данные о состоянии окружающей среды посредством различных сенсоров и передавать эту информацию на расстояние с помощью использования модулей доступа к сетям сотовой связи или беспроводным сетям, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. [2]
Отличительной особенностью устройств Arduino является то, что их микроконтроллер может программироваться самим пользователем, используя язык Arduino, основанный на Wiring. Благодаря этому каждый пользователь сможет создать тот программный код, который будет необходим лично ему для осуществления выполнения конкретных задач.
Сравнительный анализ GSM-модулей различных производителей
GSM-модуль - это модуль, который необходим для подключения к сетям GSM/GPRS [7].
GSM - это международный стандарт для мобильной связи. Аббревиатура можно перевести как «глобальная система для мобильных коммуникаций». Кроме того, стандарт GSM иногда называют 2G, так как это, по сути, сотовая связь второго поколения.
GPRS - это технология обмена пакетами. Он может обеспечивать скорость передачи данных в пределах 56-114 кбит/сек. На GPRS полагается множество технологий, среди которых есть, к примеру, стандарт SMS. Кроме того, посредством GSM-модуля можно осуществлять передачу данных и с помощью этого получать доступ в интернет [4].
GSM- модуль может использоваться, например, для удаленного запуска устройств или для создания сигнализации в доме, квартире или даче. Используя с платформой Ардуино GSM модуль, информацию о внештатной или экстремальной ситуации на объекте можно предать владельцу максимально быстро. Для обеспечения этих целей используется доступ к сети одного из мобильных операторов.
На потребительском рынке представлен широкий выбор различных GSM модулей под Arduino. Наиболее популярными среди них являются следующие: NEOWAY M590, SIM800L, GPRS Shield от Seeed Studio, GSM GPRS модуль SIM900. Среди них имеется два уже готовых к работе шилда, а остальные поставляются в разобранном состоянии, поэтому необходимы навыки пайки. Под шилдом понимается плата расширения для контроллера Arduino, которая состыковывается с ним как «бутерброд», при этом перенося все пины Arduino на подключенный к нему верхний шилд. При подключении шилдов высота устройства значительно увеличивается.
Рис.1. Рассматриваемые в статье GSM-модули
Все GSM модули являются беспроводными коммуникационными устройствами, используемыми в целях приема и передачи информации в сетях мобильной связи.
Таблица 1
Сравнительная характеристика GSM - модулей [8,5,3]
Модули
№ Параметр NEOWAY М590 SEU800L GPRS Shield от Seeed Studio SIM Р00
1 Частотные диапа- 850.900.1800. si0.900.is00. 850.900.1800, 850.900.1S00.
зоны 1900 MHZ 1900 MHZ 1900MHZ 1900 MHZ
2 Чувствительность -107 До - - -
3 Максимальная мощность переда- EGSM900 класс 4(2 Бт) DCS1800 класс EGSM900 класс 4(2 Бт) DCÏ1800 класс EGSM9Q0 класс 4(2 Вт) DCS 1800 EGSM900 класс 4(2 В ft DCS1S00 '
К1Вт) 1{1Бт) класс Ц1Ет) класс 1(1 Вт)
4 Максиыальное значение тока 2 А 1А 2 A 2 А
5 Значение тока в рабочем режиме 210 мА ISO мА 250 мА 5 СМ 50 мА
б Потребление тока е режиме сна 2.5 мА 0.7 мА 1.5 мА 1.5 мА
7 Диапазон рабочей температуры (-40 - -85)'С (-35 - - 80)'С (-40 - -85)°С (-30 - -70)°С
8 Рабочее напряжение 3.3 V- 4.5V (Рекомендуемое-19) 3=4 - 4-:4Y 5 V 4;S-i:2 V (Рекомендуемое - 5 V)
Совместим с
9 Протокол GSM/GPRS е фазе 2/2+, увеличение. TCP/IP, FTP и UDP и др UART, USB: I2C. PWM. ADC ¡0 bit SPI TCP: UDP HTTP и FTP
10 Поддержка AT -коыщд GSM 07.07. расширенные наооры команд GSM 07.07. расширенные наооры команд GSM Q7.07: расширенные наооры команд GSM 07.10, расширенные наборы команд
20 контактов Полный ана- Полный ана-
11 Разъемы LLC, 20 контактов DIL 11 контактов лог пинов Ардунно лог пинов Ардунно
TEXT.PDU.Poi TEXT.PDU.Poi TEXT.PDU.Po TEXT-PDU.P oint to point "с ell broadcast
12 SMS nt to point-cell broadcast nt to point-с ell broadcast intto point "се 11 broadcast
13 Аудио HK FR= EFK Есть возможность допол-нвтельвого подключения усгройста HR: FR: EFR: AMR. DTMF.
AMR подавление эха
14 Размеры J 7x24 мм 23x25 мм 68.58x53.34 86x58x19 мм
Ii Стоимость От 100 рублей От 410 рублен От 2990 От 1300
Модули NEOWAY M590 и SIM800L созданы на плате с минимальной обвязкой и позиционируются как GSM-модуль для аппаратной платформы Arduino [6]. При подключении модулей необходимо учитывать тот факт, что при регистрации их в сетях сотовой связи, пиковое потребление тока может достигать 2А. Поэтому при подключении к ЛМшпо, для модуля рекомендуется использовать дополнительный источник питания и параллельно ему включать электролитический конденсатор, емкостью не менее 1000 мкФ. Если не выполнить рассмотренные манипуляции, то высока вероятность получить постоянно перезагружающийся «камень».
Оба выше рассмотренных модуля комплектуются антеннами. Однако, как показала практика их использования, этих антенн недостаточно, и поэтому необходимо использовать дополнительные антенны для улучшения качества связи.
Модули SIM 800L и Neoway m590 продаются в разобранном состоянии. Перед подключением их к Arduino необходимо их собрать, а для этого необходимы навыки пайки и соответствующее оборудование.
Работа с готовыми шилдами гораздо проще. Для функционирования шилдов к ним подключается управляющий контроллер, источник питания, антенна, а также устанавливается SIM-карта мобильного оператора. При помощи специальных джамперов выполняется настройка способа обмена данными с контроллером. При потребности можно подключить динамик и микрофон.
Заключение
Все рассмотренные gsm-модули имеют практически одинаковый набор характеристик. Очевидно, что собранные и готовые к применению шилды использовать гораздо удобнее. При покупке их не надо задумывать о том, как их собирать, как их подключать, каким образом их «запитывать». Однако есть одно «но»: это очень высокая их стоимость. Может, проще освоить начальные навыки пайки, которые явно понадобятся в будущем, и сэкономить в несколько десятков раз.
Литература
1. Микушин А.В. Цифровые устройства и микропроцессоры. 2010.djvu
2. Аппаратная платформа Ардуино[Электронный ресурс]. URL: http://arduino.ru/ (дата обращения: 23.09.2017)
3. АРДУИНО - КИТ [Электронный ресурс]. URL: https://arduino-kit.ru/catalog/id/shield-gprs-gsm-sim900-s-antennoy (дата обращения: 24.09.2017)
4. Айшт:Знакомство с Arduino/Знакомство с Arduino GSM Shield[Электронный ресурс]. URL:
http://wikihandbk.com/wiki/Arduino:%D0%97%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%B E%D0%BC%D1%81%D1%82%D00/oB2%D00/oBE_%D1%81_Arduino/%D0%97%D0 %BD%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D1%81%D 1%82%D0%B2%D0%BE _%D1%81_Arduino_GSM_Shield (дата обращения: 24.09.2017)
5. Взаимодействие с GSM/GPRS Shield для работы с SMS и голосовыми вызовами[Электронный ресурс]. URL:
http://wiki.amperka.ru/%D0%B 1%D0%B5%D 1%81%D0%BF%D1%80%D0%BE%D
0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B0%D1%8F-
%D1 %81 %D0%B2%D1 %8F%D0%B7%D1 %8C:gprs-shield (дата обращения:
22.09.2017)
6. Отправка СМС через Arduino и GSM модуль NEOWAY M590 [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://2150692.ru/faq/36 (дата обращения: 22.09.2017)
7. Студопедия - лекционный материал для студентов [Электронный ресурс]. URL: http://studopedia.net/ (дата обращения: 22.09.2017)
8. Arduino gsm модуль: принцип работы, популярные модели [Электронный ресурс]. URL: https://bezopasnostin.ru/gsm-signalizatsiya/gsm-moduli-arduino.html#i-3 (дата обращения: 24.09.2017)
9. Амперка. Интернет вещей [Электронный ресурс]. URL: http://amperka.ru/product/yodo-iot (дата обращения: 26.09.2017)
10. Интересные публикации Geektimes [Электронный ресурс]. URL: https://geektimes.ru/post/149593/ (дата обращения: 25.09.2017)
11.Проектирование АСУТП [Электронный ресурс]. URL: http://lapshinvr.ru/ (дата обращения: 01.10.2017)
