Новый GPS/GSM/GPRS-модем Enfora GSM5218 с ультранизким энергопотреблением

Технические характеристики модемов Enfora Spider AT

Enfora Spider AT GSM5218 — это четырехдиапазонный GSM/GPRS-модем со встроенным GPS-модулем и автономным питанием.

В это полностью законченное устройство входят:

• базовый модуль LPP0208;
• GPS-модуль;
• встроенный микроконтроллер Texas Instruments, используемый для управления и обработки данных;
• литиевая батарея BAT5208-01/02, 3000 или 4200 мА·ч;
• встроенная GSM/GPRS/GPS-антенна;
• пыле-, влагозащитный корпус из ударопрочного полистирола.

В настоящее время выпускаются три модификации Spider AT: АТ3000 (GSM5218-00), AT3010 (GSM5218-01), AT4000 (GSM5218-02). Все модели имеют внутреннюю антенну GSM (850/1900/900/1800 МГц) и GPS (центральная частота 1575,2 МГц).

Spider AT4000, в отличие от других, имеет разъем для подключения внешнего питания. Модель AT3010 рассчитана на работу в диапазоне температур –4…+60 °С, АТ3000 и АТ4000 предназначены для работы при температурах –30…+85 °С.

Во всех моделях Spider AT применяются высококачественные литиевые батареи Lithium-Thionyl Chloride (TLP-81121/A/EN2B). Емкость батареи в АТ3010 — 3000 мА/ч, в АТ3000 и АТ4000 — 4200 мА/ч [1, 2]. Срок службы таких батарей — не менее 10 лет. Вес батареи емкостью 4200 мА/ч — 57 г.

Spider AT3000 предназначен для стационарных объектов, поставленных на постоянное или временное хранение. Этот модем может работать без подзарядки батареи в течение трех лет.

Основное отличие Spider AT4000 заключается в том, что этот модем оснащен разъемом для внешнего питания и оптимизирован для работы с подвижными транспортными средствами, такими, например, как экскаваторы, подъемные краны, дизельные передвижные электростанции и другие подобные устройства.

Все модели серии GSM5218 имеют пыле- и влагозащитный корпус, соответствующий требованию стандартов P-66 и IP-68. Габариты устройств 170×69×21 мм.

Кроме того, по требованию заказчика поставляются модемы в искробезопасном исполнении: АТ3001 и АТ3011. Эти модели предназначены для работы на бензозаправочных станциях, газовых хранилищах, угольных шахтах и других взрывоопасных объектах. АТ3001 и АТ3011 удовлетворяют всем требованиям европейских стандартов EU Directive 94/9/EC, EN 60079-0 и EN 60079-15: 2005 (Zone 2, Category 3). Кроме того, Spider AT 3011 — UL913 и CSA 22.2 (Class I Division 1, groups C and D).

Вес моделей АТ3000/3010/4000 составляет соответственно 207, 198, 360 г.

Внешний вид модемов серии Spider AT показан на рис. 1–3.

Рис. 1. Spider AT3000

Модемы имеют минимум внешних интерфейсов и управляющих клавиш. На нижней стороне корпуса находится только одна кнопка включения/выключения питания, имеющая герметичное уплотнение. Эта же кнопка служит в качестве индикатора включения (рис. 1). Других интерфейсов на корпусе нет. Внутри корпуса расположены батарея, держатель SIM-карты и разъем USB (рис. 2). Порт USB используется только для отладки и конфигурирования.

Рис. 2. Spider AT3000 со снятой верхней крышкой

Модемы Spider AT изготавливаются на базе модуля Enabler III Low Power Platform LPP0208 со встроенным микроконтроллером. Основной режим работы модуля LPP0208 — ждущий с минимальным энергопотреблением Low Power Sleep (LPS). В этом режиме модем потребляет ток меньше 2 мА. В режиме ожидания микропроцессор поддерживает только минимально необходимые функции модема. Модем может быть запрограммирован таким образом, чтобы переключение в режим LPS осуществлялось через определенное время после прекращения любого движения или перемещения. Выход из режима LPS реализуется либо при срабатывании акселерометра, фиксирующего любое перемещение в пространстве, либо по команде с центрального пульта. Пауза «пробуждения» в зависимости от запрограммированных параметров составляет 20–2560 мс.

Рис. 3. Spider AT4000

Любое движение модуля фиксируется акселерометром, его сигналы анализируются микроконтроллером и сравниваются с сигналами GPS. Такой подход позволяет избежать ложного срабатывания, соответствующего тревожному сигналу о наличии перемещения. Микроконтроллер обрабатывает данные, формирует GPS NMEA-сообщения и посылает их через GSM/GPRS-блок на центральный сервер. Кроме того, встроенный микроконтроллер позволяет определять факты нарушения границ заранее заданной географической зоны. С другой стороны, с центрального сервера можно с помощью UDP API-сообщений передавать на модуль управляющие команды и выводить модуль из режима ожидания.

Модуль LPP0208 спроектирован специально для систем контроля за перемещением различных объектов, не имеющих источников электропитания. Одна из его главных отличительных черт — крайне низкое энергопотребление, что позволяет использовать модуль длительное время в автономном режиме без подзарядки батареи. Технические характеристики LPP0208 приведены в таблице 1.

Питание модуля осуществляется от источника 3,7 В. В модуле есть выводы для подключения батареи.

В LPP0208 имеется встроенный TCP/IP-стек. Библиотеки HCI-интерфейса содержат программные блоки PPP, TCP, UDP, PAD, TCP, API, FRIEND и т. д. Это позволяет использовать основные преимущества серии Enabler III, такие, например, как PAD, Event tools и др. Есть вывод сигнала перезапуска встроенного микроконтроллера, который используется в случаях возможных сбоев и зависания. При изменении напряжения на этом выводе из низкого в высокое состояние микроконтроллер «жестко» перезапускается в режиме Boot Reset. Модуль можно переключить в состояние ожидания, подавая на него сигнал низкого уровня. При этом происходит прекращение работы GSM- и GPRS-блоков.

Модем GSM5218 может работать в двух различных режимах. В варианте Command Menu mode реализуется конфигурирование и выбор сценария работы модуля. В рабочем режиме Modem Pass-Thru mode модем управляется с помощью АТ-команд. Следует учитывать, что система АТ-команд для модуля LPP0208 отличается от АТ-команд для других модулей Enfora Enabler III. Например, это относится к командам управления портами через микроконтроллер MSP430, а также к командам управления передачи GPS NMEA-сообщений.

В модеме GSM5218 используется 16-канальный GPS-приемник на базе микрочипа Texas Instruments, параметры которого приведены в таблице 2.

Для работы с GPS-сообщениями в GSM5218 используются протоколы обмена NMEA, TAIP, Enfora binary. Имеется функция хранения GPS-сообщений в энергонезависимой памяти модуля.

В режиме GPS также поддерживаются функции: виртуальный одометр, фиксированные геозоны, формат буферированных сообщений.

Модем Spider AT3000 может передавать два типа данных о координатах. В том случае, когда GPS-приемник может определить реальные координаты, модем отправляет эту информацию по GSM/GPRS-каналу. Если Spider AT3000 «не видит» GPS-спутники, то на сервер посылается информация о ближайших базовых GSM-станциях. Эта информация обрабатывается и используется для приблизительной оценки местоположения модема.

Spider AT3000 начинает непрерывно передавать информацию о координатах сразу после активации и перехода в рабочий режим. Он может быть запрограммирован для следующих сценариев передачи GPS-данных:

• постоянный мониторинг в статическом состоянии с передачей информации через заданные интервалы времени;
• постоянный мониторинг в статическом состоянии с передачей информации, синхронизированной по времени суток;
• базовый мониторинг перемещения модема;
• мониторинг перемещения модема в заданной геозоне;
• мониторинг перемещения модема при перемещении между заданными геозонами.

Следует учитывать ситуации, при которых модем не сможет передавать информацию в заданное время. Такие ситуации возможны при отсутствии сигналов со спутников и нарушении GSM/GPRS-связи. В этом случае информация накапливается в памяти модема и передается сразу после автоматического восстановления связи.

В случае если окружающая температура выходит за границы рабочего диапазона, микроконтроллер, во избежание ошибочной информации, отключит GSM/GPRS- и GPS-блоки модема. После того как температура будет соответствовать техническим условиям, модем вернется в рабочее состояние и сможет передавать правильные значения координат.

При разряде батареи на центральный сервер передается аварийный сигнал. В этом случае модем также не сможет передать GPS-данные.

Все модели серии Spider AT оснащены трехкоординатным акселерометром. Кроме стандартных сообщений о пространственных перемещениях модема, он может также контролировать такие характерные особенности перемещения, как резкое ускорение, резкая остановка, повороты вокруг оси, удары и т. д. В режиме низкого энергопотребления LPS-акселерометр включается на короткие интервалы времени для сканирования фактов перемещения. В этом режиме акселерометр потребляет минимальный ток. При обнаружении перемещения акселерометр переключается в нормальный режим работы.

Все GSM5218 работают полностью в автоматическом режиме и не требуют специального дополнительного обслуживания. Чтобы начать работать с модемом Spider AT, достаточно установить на компьютер программу Device Configuration Utility (DCU) и задать базовые параметры, используя эту утилиту.

Программное обеспечение модемов серии Spider AT

В последней версии основного программного обеспечения (ПО) N4A 3.1 2012 в качестве средства поддержки всех модемов и модулей производства фирмы Enfora используется N4A software Platform [4, 5]. Этот сложный, многофункциональный программный комплекс включает в себя следующие основные блоки:

• Communications and Management System (CMS);
• Provisioner Software (PS);
• Device Configuration Utility (DCU).

CMS

Основная функция этого блока (старое название Gateway) — организация и поддержка удаленного доступа для настройки параметров и контроля за работой Spider AT. Набор сервисных программ CMS использует стандартные интернет-протоколы для контроля удаленного устройства. Лицензированный пользователь имеет право доступа к интерфейсу GSM/IP на своем компьютере.

Основная задача CMS заключается в том, чтобы решать все возможные проблемы, возникающие в процессе GSM/GPRS-связи с контролируемыми устройствами. Набор сервисных программ CMS позволяет с одного сервера вести контроль более чем за ста тысячами модемов Spider AT и своевременно реагировать на аварийные ситуации через интерфейс пользователя.

Сервис CMS осуществляет полную поддержку приема и обработки GPS-сообщений и другой информации, передаваемой по GSM/GPRS-каналу. Это приложение легко интегрируется в уже существующую IP-сеть. В принципе, CMS предоставляет возможность работы с любыми удаленными устройствами, которые взаимодействуют через IP-протоколы.

С помощью программного блока CMS можно удаленно перепрограммировать модем, посылая ему соответствующие АТ-команды по Интернету. Прием и отправка АТ-команд реализуются через Application Programming Interface (API). Также клиент может использовать HTTP POST или GET для контакта с URL.

Параметры первоначальных настроек могут быть заданы таким образом, чтобы данные пользователя поступали на заданный порт сервера поддержки. При этом все вспомогательные сервисные интернет-программы будут функционировать с использованием данного порта. Безопасность работы с сервером через данный порт защищена системой идентификации DIGEST HTTP. Персональные данные пользователя сохраняются в закрытой для других пользователей директории.

PS

Настройка параметров и контроль за работой Spider AT осуществляется с помощью PS. Программа позволяет управлять модемом GSM5108 дистанционно, по каналу GSM/GPRS, с использованием сервера поддержки и CMS. Это ПО поддерживает основные промышленные приложения, такие, например, как MS SQL Server, MySQL, Oracle.

DCU

Конфигурирование модема и установка начальных параметров осуществляется с помощью DCU. Эта программа чрезвычайно проста в использовании и позволяет обычным пользователям, не имеющим опыта работы, запрограммировать и подготовить к работе модемы Enfora Spider AT. DCU позволяет последовательно, шаг за шагом, сконфигурировать модем и ввести параметры, соответствующие конкретной индивидуальной задаче.

Программа устанавливается на ПК с лицензионного CD. Модем подключается к ПК через отладочный порт USB, расположенный внутри герметичного корпуса. В процессе установки DCU на жестком диске компьютера формируется папка, в которой находится USB-драйвер (C:EnforaDevice Configuration UtilityUSBDrivers). ОС Windows обнаруживает новое USB-устройство и предлагает воспользоваться стандартной программой Found New Hardware Wizard. Далее USB-драйвер устанавливается в автоматическом режиме. Подробно процесс установки описан в [2].

Программа DCU имеет простой и удобный интерфейс пользователя (рис. 4).

Рис. 4. Интерфейс пользователя программы Enfora Device Configuration Utility

Необходимо подчеркнуть, что в предыдущих версиях управляющего программного обеспечения Enfora необходимо было дополнительно устанавливать программу Provisioner. Как отмечалось выше, начиная с версии N4A 3.1 2012 в ПО этот блок встроен, поэтому отдельно его устанавливать не нужно. Для правильного функционирования системы необходимо наличие дополнительного программного обеспечения: Java, Microsoft SQL, Server Express Microsoft.

Сразу после включения DCU автоматически определяет номер порта, через который подключен модем, его статус в сети и IMEI. Эти данные отображаются в окне Сonnected Devices. В окне Configuration Settings задаются индивидуальные параметры модема: APN; Username; Password; Server IP/URL; UDP Port; Lock to enable send.

APN, Username и Password задаются провайдером GSM-связи. Значения Provisioner Server IP address или URL задаются командой AT$FRIEND. По умолчанию URL устанавливается как «gatewaysandbox.demo.enfora.com», а для UDP Port используется значение «1720».

После того как параметры заданы, их пересылают в модем (клавиша Send to Devices button). Заданные параметры можно сохранять и редактировать в окне File.

При правильно выбранных параметрах программа DCU формирует файл доступа к N4A Software Platform, которая позволяет управлять модемом через Интернет с использованием сервера фирмы Enfora (Provisioner log file).

Подробно процесс конфигурирования модема с помощью программы DCU описан в [3]. Если все параметры заданы правильно, то модем сразу начинает передавать GPS-данные на сервер Enfora. Заводские настройки Spider AT3000 обеспечивают передачу данных сразу после активации. После окончания передачи данных с текущими координатами модем переходит в режим ожидания и в дальнейшем передает данные только один раз в день.

Работа N4A Software Platform

ПО N4A Software Platform поставляется за дополнительную плату в виде лицензионных дисков, рассчитанных на работу с различным количеством контролируемых объектов. Демонстрационная версия программы доступна на сайте http://gatewaysandbox.demo.enfora.com:8087/login. Многофункциональный интерфейс программы очень прост в использовании. Вместе с тем клиенту предоставляется возможность адаптации ПО под специфические особенности его конкретной задачи.

Принцип работы системы контроля на базе Spider AT и управляющего ПО иллюстрирует рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема системы контроля и управления N4A Software Platform

Концепция программирования и управления модемами Enfora основана на объединении различных пользовательских задач и их решений в различные логические группы. Такой подход позволяет сортировать определенные события по группам и быстро находить для них адекватные решения. При этом проводится разграничение ответственности должностных лиц на различных этапах адаптации ПО под конкретную задачу пользователя. Так, например, пользователь несет ответственность за работу на своем рабочем месте. Со своего компьютера он через Gateway Service задает параметры работы модема и выбирает соответствующий сценарий. Руководитель компании несет ответственность за различные сценарии действий в штатных и нештатных ситуациях. В зависимости от конкретной задачи руководитель подразделения отвечает за соответствие параметров работы модема по определенному сценарию.

Базовые функциональные возможности системы управления N4A Software Platform:

• многоуровневый санкционированный доступ для неограниченного числа пользователей;
• четыре уровня доступа;
• конфигурируемый интерфейс пользователя;
• программируемый многоязычный интерфейс службы поддержки;
• система управления связью CMS;
• корпоративные программируемые про­фили;
• профили конфигурации грузов;
• блок управления событиями (Event);
• обновление ПО через Интернет (FOTA);
• служба логистики;
• подробная карта в реальном масштабе времени;
• контроль состояния груза.

Доступ к системе осуществляется на четырех основных уровнях: главный системный администратор; руководство фирмы; активные пользователи с правом редактирования; пассивные пользователи.

Для входа в систему необходимо приобрести лицензию на определенное количество приборов. При этом Enfora предоставляет логины и пароли для всех заявленных фирмой пользователей.

После ввода пароля и логина пользователь попадает в главное меню программы, в котором отображаются: наименование устройства, его идентификационный номер, IMEI и др. (рис. 6). В зависимости от уровня доступа пользователь может зайти на определенные странички программы: CMS, Device and Data Manager, Maps&Report.

Рис. 6. Главный интерфейс системы управления N4A Software Platform

В разделе CMS можно добавлять или удалять фирму, менять системные параметры, конфигурацию опроса модема, задавать различные сценарии событий и сервисные функции.

На страничке User Management можно активировать новых пользователей. В разделе Device Configuration задаются параметры работы модема: режимы активный/спящий, частота, длительность и содержание GPS-сообщений и т. д.

На вкладке Device Probe Configuration задаются АТ-команды, которые сервер посылает модему при опросе его состояния.

В подменю Event Configuration page указываются различные входные/выходные события.

Также можно контролировать и другие параметры, такие как: история передачи сообщений для каждого модема; состояние груза; сервисные функции в месте дислокации груза; история перемещений; логистика (номер заказа, оплата, отгрузка, получение); отгрузка и перегруппировка по заданному графику; параметры перемещения; геозоны.

N4A software Platform позволяет также работать с блоками CMS и Device Manager на программном уровне. Для этой цели используются сервисные веб-утилиты, написанные на языке WSDL (Web Services Description Language) для стандартного варианта XML. Применение технологии JAX-WS (Java API for XML Web Services) дает возможность значительно упростить процесс создания прикладных веб-программ пользователя на языке Java. Подробно, с конкретными примерами эта методика изложена в [6].

С помощью системы N4A Software Platform можно контролировать и управлять не только модемами серии Spider AT, но также и всеми другими изделиями фирмы Enfora (Spider MT, Enabler III, Enfora SA-G+). При этом количество контролируемых устройств не ограничено.

Картографический блок N4A Software Platform

В программе имеется мощный картографический блок для определения местоположения груза на географической карте в любой точке мира в реальном масштабе времени. ПО позволяет наносить мгновенные значения координат на карту местности и получать актуальную картину движения груза. Контроль за объектом возможен как по всему миру, так и в отдельных геозонах. Функция границы обнаружения предназначена для контроля объекта в заданном радиусе. Границы поиска могут быть изменены пользователем.

На центральный сервер, расположенный в США, поступает информация со всех контролируемых объектов, число которых практически не ограничено. Кроме того, в базе данных сохраняются архивные данные о каждом объекте, грузе, транспортном средстве. Как правило, архивная информация сохраняется до трех лет. Локальные пользователи нижнего уровня получают логин и пароль для доступа на центральный сервер и могут контролировать с собственного компьютера только свои объекты. Система N4A Software Platform позволяет выводить на экран компьютера следующую информацию об объекте:

• точные геофизические координаты;
• положение на картах местности в реальном масштабе времени;
• скорость перемещения;
• общая техническая информация о грузе;
• история перевозки груза;
• заданный диспетчером маршрут и реальная траектория движения;
• пройденное расстояние на конкретный момент времени;
• ожидаемое время прибытия в заданный пункт.

На основной картографической странице Maps page можно просмотреть всю карту заданного региона и выбрать необходимый отчет, который появляется в левой стороне экрана (рис. 7).

Рис. 7. Основное окно картографического блока N4A Software Platform

В окне Maps page можно выбрать следующие режимы просмотра карт:

• центрировать карту по заданному адресу или по заданным координатам;
• вывести отчет по заданному устройству/группе устройств/по всем устройствам данной фирмы;
• сохранить результаты отчета в файле.

Чтобы быстро узнать координаты выбранного объекта, достаточно навести на него курсор (рис. 8).

Рис. 8. Окно системы N4A Software Platform с картой и точными координатами выбранного объекта

Управление режимами работы модема

N4A Software Platform позволяет программировать модем для различных режимов работы:

• статический объект (Static Asset);
• несанкционированное перемещение (Basic Motion);
• выход объекта из заданной геозоны (Mobile Asset);
• динамическая геозона (Dynamic Geofence).

В режиме Basic Motion модем сообщает о начале и конце перемещения через заранее заданные интервалы времени. Этот режим наиболее часто используется в случаях, когда необходимо быстро зафиксировать факт начала перемещения контролируемого объекта. В качестве примера можно привести контроль за банкоматами, торговыми автоматами, дорогой офисной техникой.

В режиме Mobile Asset задаются координаты двух геозон. Модем посылает на сервер сообщения в случаях входа или выхода из заданных геозон. Кроме того, можно дополнительно запрограммировать режим, когда модем с заданной периодичностью будет посылать сообщения о своих координатах при нарушениях границ геозон.

Режим Mobile Asset Monitoring используется в случаях, когда контролируемый объект перемещается из одной точки в другую (подъемное оборудование, транспортеры, специальный транспорт).

В режиме Dynamic Geo-fence автоматически создается круговая геозона сразу после подачи питания на модем. Ее радиус задается пользователем. С заданной периодичностью, по заранее заданному графику, модем посылает сообщения о нарушении границ данной геозоны. Этот режим полезен в случаях, когда объект имеет возможность свободно перемещаться в пределах заданной радиальной зоны и его нужно возвратить на место в том случае, когда он нарушает границу этой зоны (например, вагоны на сортировочной горке).

Подробно эти функции описаны в [4].

Характерным примером использования Spider AT совместно с N4A Software Platform может служить система контроля местоположения и перемещения контейнеров на крупном контейнерном терминале. На каждый контейнер, поступающий на терминал, крепится индивидуальный модем GSM5218. Стандартно он находится в режиме ожидания с минимальным энергопотреблением. При необходимости с центрального диспетчерского пульта по каналу GSM/GPRS на него поступает команда активации. При этом модем переходит в активный режим работы с максимальным энергопотреблением и начинает передавать информацию о своем местонахождении, скорости перемещения, входе в определенную зону или выходе из нее. Информация о грузе, условиях и сроках его хранения заносится в базу данных. В соответствии с этими данными определяются сценарии контроля и ответных действий. Например, если нужно хранить конкретный контейнер при определенной температуре и потом отправить его со склада в точно определенное время, можно задать все необходимые параметры в системе N4A Software Platform. Сравнивая показания модемов Spider AT, установленных на других контейнерах, диспетчер выбирает оптимальную группу контейнеров и оптимальное место размещения данного контейнера в определенной группе. В качестве входных нештатных событий можно запланировать:

• вывоз контейнера со склада раньше назначенного срока;
• несанкционированное перемещение контейнера в другую зону;
• падение контейнера с верхнего ряда;
• несанкционированное вскрытие контейнера;
• превышение температуры хранения и т. д.

Ответные действия принимаются в соответствии с конкретными сценариями.

При наступлении аварийной ситуации Spider AT передает тревожное сообщение, которое поступает на центральный сервер. Информация обрабатывается и сравнивается с приложением пользователя и базой данных. В результате пользователю предлагается немедленно выполнить определенные ответные действия. Кроме того, аварийные сигналы могут также сразу поступать в различные охранные, милицейские и аварийные службы. При необходимости сам собственник груза, имеющий пароль для доступа на сайт системы контроля, может отслеживать местонахождение груза в реальном масштабе времени.

Рынок систем контроля перемещения грузов практически не ограничен и очень слабо развит, особенно в России. В отличие от существующих GSM/GPRS/GPS-модемов других производителей, предназначенных для контроля движения транспорта, программно-аппаратный комплекс Enfora Spider AT–N4A Software Platform разработан специально для контроля малоподвижных объектов с учетом всех его потребностей и особенностей. Прямого аналога такой системы сейчас нигде нет.

В настоящее время фирма Enfora предлагает огромный спектр услуг в области GPS/GSM-мониторинга как для профессиональных транспортных, торговых и страховых компаний, так и для частных лиц. Использование самых современных методов контроля и управления позволит оптимизировать систему перево­зок, значительно сократить расходы, а также предотвратить потери и хищение грузов.