Программный драйвер для управления GSM-модулем SIM800C

№ 03’2018
PDF версия
В статье представлен краткий обзор интерфейса управления бюджетным GSM-модулем SIM800C через последовательный порт с помощью АТ-команд, описаны основные плюсы и минусы такого интерфейса. Предоставлен кросс-платформенный драйвер с открытым исходным кодом для преобразования интерфейса АТ­-команд в интерфейс, состоящий из простых функций управления модулем, контроля его состояния, отправки и получения данных.Данная информация может быть полезной начинающим разработчикам систем управления и контроля с использованием технологии GSM

Одной из самых старых и востребованных технологий сотовой связи остается технология GSM, разрешающая выполнять голосовые звонки между устройствами, обмениваться короткими текстовыми сообщениями и обеспечивающая мобильный доступ в глобальную сеть Интернет. Cегодня промышленная и бытовая автоматизация немыслимы без использования средств беспроводной передачи данных, позволяющих объединять отдельные устройства в сети, предоставляющие как локальный, так и глобальный доступ к элементам управления и контроля отдельных модулей и системы в целом. Среди великого множества беспроводных сервисов первое место по праву занимает сотовая связь с ее 20-летним стажем на отечественном рынке телекоммуникационных услуг. Практически полное покрытие территории, сравнительно низкие и гибкие тарифы, множество дополнительных сервисов позволяют эффективно использовать мобильные сети в большинстве промышленных и бытовых применений: системах телеметрии, удаленного управления, отслеживания перемещения подвижных объектов и т. п.

GSM-модуль SIM800C

Рис. 1. GSM-модуль SIM800C

Массовый спрос на GSM-оборудование привел к его значительному удешевлению по сравнению с устройствами, используемыми 3–5 лет назад. Компании — производители чипсетов разработали дешевые интегрированные миниатюрные решения, которые значительно упрощают схемотехнику за счет уменьшения количества внешних элементов, необходимых для функционирования таких устройств. Примером может служить чипсет MT6261 от компании Mediatek, первоначально разработанный для «умных» часов и других миниатюрных гаджетов, но затем нашедший широкое применение в GSM-модулях — полуфабрикатах, предназначенных для инсталляции в бытовые и промышленные устройства, использующие различные сервисы GSM-сети: охранные сигнализации, трекеры, элементы системы «умный дом» и т. д.

Наибольшую популярность среди отечественных разработчиков получила «массовая» серия модулей SIM800C от компании SIMCom (рис. 1). При розничной цене менее $4 данные модули обеспечивают широкий функционал, имея лучшее соотношение возможностей и стоимости в своей товарной нише. Несомненным преимуществом модулей SIM800C является наличие множества готовых решений с открытым исходным кодом (модули распространены в среде разработчиков под платформу Arduino), а также эффективная техническая поддержка поставщика, тесно сотрудничающего непосредственно с командой разработчиков компании SIMCom.

Модуль SIM800C представляет собой изделие-полуфабрикат размером около 16×18 мм, которое предназначено для поверхностного монтажа на печатную плату. По периметру расположено 42 вывода с шагом 1,1 мм, что позволяет запаять модуль даже вручную. Модуль содержит интерфейсы подключения SIM-карты, аналоговых звуковых цепей, USB, UART и цифровые входы/выходы общего назначения (рис. 2). Питание осуществляется от стабильного источника напряжением 3,5–4,2 В, в качестве которого может выступать стандартный литиевый аккумулятор. Следует отметить, что логические уровни единицы на интерфейсных выводах модуля составляют 2,8 В, поэтому пользователь должен позаботиться о согласовании с логическими уровнями микроконтроллера, которые обычно равны 3,3 или 5 В. Потребляемый от источника питания ток в среднем составляет 100–200 мА (в режиме ожидания — несколько миллиампер), но импульсные токи могут достигать 2 А, поэтому для предупреждения кратковременной просадки напряжения питания необходимо применять низкоимпедансные блокировочные конденсаторы, размещая их в непосредственной близости от модуля. В случае использования блока питания следует обеспечить запас по мощности во избежание сбоев во время работы, особенно в местах со слабым сигналом сотовой сети. Более подробно особенности проектирования устройств с применением GSM-модуля SIM800C описаны в документе [1].

Расположение выводов модуля SIM800C

Рис. 2. Расположение выводов модуля SIM800C

Антенные цепи модуля имеют импеданс 50 Ом в рабочих диапазонах 900 и 1800 МГц. К сожалению, GSM-антенны, доступные в массовой продаже, а также суррогатные антенны, выполненные как в виде проводников, так и печатным монтажом, могут иметь весьма существенные отклонения от заданного импеданса, а иногда и значительную реактивную составляющую на одном из GSM-диапазонов. В таких случаях усилитель мощности модуля, обеспечивающий до 2 Вт полезного сигнала, будет работать с перегрузками, что может привести к выходу его из строя. Также неизбежно повысится уровень гармоник в выходном сигнале, что становится препятствием для сертификации конечного устройства. Для предотвращения нежелательных последствий рекомендуется предусмотреть элементарные цепи согласования между модулем и антенной в соответствии с рекомендациями производителя, приведенными в технической документации.

Для функционирования модуля в составе пользовательского устройства необходим интерфейс, позволяющий управлять модулем и получать информацию о его текущем состоянии, а также отправлять данные удаленному объекту и принимать их. Производители использовали два подхода к управлению модулем: с помощью API-функций, реализуемых пользователем во внутренней прошивке модуля, и с помощью AT-команд, посылаемых с внешнего устройства (в том числе с терминала в ручном режиме), подключенного к модулю через стандартный серийный интерфейс (UART, COM-порт).

Управление с использованием API (так называемая технология Embed­ded AT [2]), несомненно, намного эффективнее и позволяет создать более простой код, а также избавиться от трудностей, связанных с работой UART и разбором текстовых строк. Недостатком данной технологии является необходимость двух наборов утилит: для разработки, компиляции и программирования пользовательского кода, помещаемого во флэш-память самого модуля, и для кода, выполняемого во внешнем микроконтроллере. Полностью отказаться от внешнего микроконтроллера удается лишь в редких случаях, поскольку операционная система внутри модуля не является системой реального времени, что накладывает ограничения на создание пользовательских физических интерфейсов, отсутствующих в виде аппаратной реализации в модуле и чипсете. Идеальным видится применение бюджетного внешнего контроллера реального времени для обеспечения физических интерфейсов, в то время как основная логика функционирования устройства реализуется в коде, выполняемом в самом модуле.

Управление с помощью AT-команд является более простым и общепринятым решением, которое рекомендуется начинающим разработчикам. Этот интерфейс хорошо документирован [3] и обеспечивает доступ к подавляющему большинству функций модуля, включая некоторые аудиовозможности и доступ к внутренней файловой системе. Его основной недостаток — отсутствие стандартизации AT-команд даже в пределах одной модели модуля. Так, в различных версиях прошивки могут быть незначительные отличия в реализации той или иной команды, несущественные при правильном программировании, но дающие нежелательные эффекты в сочетании с нестандартными алгоритмами работы пользователя. Кроме того, следует отметить, что набор АТ-команд первоначально разрабатывался для интерфейса «машина-человек» и идеален для управления модулем через терминал в ручном режиме. При попытке реализации на базе АТ-команд интерфейса «машина-машина» (управление модулем с помощью внешнего микроконтроллера) разработчик неизбежно сталкивается с трудностями, связанными с созданием подходящей под его задачу машины состояний и интерпретацией текстовых строк, возвращаемых модулем. Это значительно усложняет разработку программного обеспечения и требует дополнительных вычислительных ресурсов. Кроме того, количество ошибок интерфейса обычно значительно превышает число ошибок в логике самой программы (особенно в случае несложных бюджетных устройств), процесс отладки требует значительных ресурсов и соответствующего уровня программиста, что заметно повышает стоимость такого программного обеспечения, и, как результат, конечного устройства.

Один из вариантов решения данной проблемы — использование универсального драйвера, преобразующего интерфейс AT-команд в другой интерфейс, более подходящий для программиста, разрабатывающего код для внешнего управляющего микроконтроллера на языке Си. Конечно, создание универсального драйвера, позволяющего в полной мере реализовать все доступные через АТ-команды функции модуля, становится весьма сложной задачей, посильной лишь производителю модулей. Кроме того, подобный универсальный драйвер потребует значительного количества ресурсов и будет весьма непрост в настройке и использовании, что в конечном итоге может свести на нет преимущества подобного решения, особенно в сравнении с технологией Embedded AT. Но реализация в виде драйвера основных функций модуля, наиболее востребованных пользователями в стандартных ситуациях, несомненно, будет полезной, особенно для начинающих разработчиков. К тому же данный подход может значительно сэкономить время и стоимость разработки в случае проектирования массовых бюджетных решений, например систем в составе «умного дома».

Учитывая актуальность указанной проблемы, мы попытались создать собственный кросс-платформенный драйвер для модуля SIM800C, конвертирующий интерфейс AT-команд в нативный Cи-интерфейс. При разработке особое внимание было уделено простоте использования и экономии ресурсов (вычислительной мощности процессора, оперативной и постоянной памяти). Таким образом, представленный драйвер идеально подходит для недорогих микроконтроллеров с архитектурой Cortex-M0, функционирующих без операционной системы.

На самом верхнем уровне драйвер предоставляет два интерфейса: во-первых, реализован интерфейс обмена данными с модулем, во-вторых, предусмотрен набор функций, позволяющих получить уведомления о событиях модуля (смене состояния, получении и отправке данных и т. п.), а также выполнить команды управления модулем. Кроме того, обеспечивается возможность отправки и получения двоичных и текстовых данных по различным каналам связи (DTMF, SMS, GPRS TCP/UDP).

Интерфейс обмена данными с модулем представлен двумя функциями: функцией чтения из драйвера данных, предназначенных для отправки в модуль, и функцией отправки в драйвер данных, полученных от модуля. Последняя функция может быть безопасно вызвана из обработчика прерываний микроконтроллера и способна передавать в драйвер данные длиной 1–255 байт. Это дает возможность легко реализовать канал «модуль-драйвер» с помощью прерывания от UART RX или от DMA-микроконтроллера, передавая 1 байт или сразу блоки данных переменной длины. Обратный канал данных «драйвер-модуль» должен быть реализован в зависимости от используемой платформы, например с помощью прерывания UART TX или DMA. Драйвер может выдавать блок данных длиной до 600 байт (MTU + заголовки), поэтому пользователь должен предусмотреть буфер соответствующего размера для хранения данных в процессе их побайтной или поблочной выдачи.

Интерфейс обмена с пользовательской программой представлен двумя группами функций: чтения и записи (управления). Функции первой группы должны вызываться пользователем при наступлении определенных событий в драйвере. Они предназначены для получения данных из драйвера (например, текста SMS или данных, принятых по TCP). Функции второй группы могут быть вызваны, если драйвер свободен (не занят обработкой предыдущей команды) и используется для управления модулем и передачи данных удаленной стороне.

Таблица 1. Интерфейсы драйвера

Функция

Описание

Связанный флаг

А. Интерфейс «драйвер–модуль»

void rx(int8_t* data, int16_t len)

Передает драйверу 0<len<255 байт данных в data, полученных от модуля через UART. Может вызываться непосредственно с обработчика прерывания.

Флаг прерывания UART RX

int16_t tx(int8_t* data)

Читает данные в data из драйвера для отправки в UART, возвращает длину данных в байтах

STATE_TX

uint32_t poll(uint32_t time)

Выполняет обработку внутри драйвера. В качестве параметра принимает счетчик секунд. Возвращает значения флагов состояния драйвера. Вызывается периодически из основного цикла программы

 

Б. Функции чтения

int16_t lasterr(void;

Возвращает код ошибки драйвера

STATE_ERROR

void callnum(uint8_t* num)

Читает номер звонящего абонента

STATE_CNUM

int16_t readdtmf(uint8_t* data)

Возвращает количество принятых DTMF-символов и до 20 символов ‘0’—‘F’

STATE_DTMF

int16_t readsms(uint8_t* data,uint8_t* phone)

Возвращает длину текста принятого SMS, сам текст и телефон отправителя в виде 0-терминированной строки

STATE_SMS

int16_t smsd(void)

Возвращает код состояния (подтверждение о доставке) отправленного SMS

STATE_SMSD

int16_t readdata(uint8_t* data, uint8_t* ch)

Возвращает длину двоичных данных в data, принятых по каналу GPRS, и номер сокета (0–4), принявшего данные

STATE_DATA

В. Функции управления звонками

void call(int8_t* num)

Выполняет голосовой звонок по номеру num, заданному в виде строки в международном формате. При num==NULL завершает активный звонок

STATE_CALL

void answer(void)

Отвечает на входящий голосовой звонок

STATE_CALL

void reject(void)

Сброс входящего звонка

STATE_CALL

Г. Функции управления GPRS и сокетами

void gprs(int8_t* apn)

Активирует GPRS с точкой доступа apn. При apn==NULL деактивирует GPRS

STATE_GPRS

void listen(uint16_t port)

Активирует TCP-сервер на порте port. При port==0 деактивирует TCP-сервер

STATE_SRV

void connect(uint8_t ch, uint8_t tcp, int8_t* dest, uint16_t port)

Подключает сокет 0<=ch<=4 к удаленному хосту с IP-адресом dest и портом port. При tcp==1 используется транспорт TCP, иначе UDP

STATE_CH0 — STATE_CH4

void close(uint8_t ch;

Отключает сокет 0<=ch<=4

STATE_CH0 — STATE_CH4

Д. Функции отправки данных

void senddtmf(uint8_t* data, int16_t len)

Отправляет строку DTMF-символов ‘0’—‘F’ в data длиной 0<len<20. Выполняется во время активного голосового звонка

STATE_CALL

void sendsms (uint8_t* phone, int8_t* data)

Отправляет текстовое сообщение в виде стоки в data адресату phone (в международном формате). Флаг STATE_SMSD устанавливается при доставке

STATE_SMSD

void send(uint8_t ch, int8_t* data, uint16_t len)

Отправляет двоичные данные в data длиной 1<=len<=576 через сокет 0<=ch<=4. Флаг STATE_SEND устанавливается при удачной отправке

STATE_SEND

Е. Служебные функции

void reinit(void)

Ручной запуск первичной инициализации GSM-модуля

STATE_INIT

Отдельно выделяется функция, реализующая собственно механизм драйвера. Данная функция должна периодически вызываться из основного цикла пользовательской программы. Она возвращает флаги состояния, информирующие пользователя о событиях драйвера и определяющие его дальнейшие действия, в частности вызов нужной функции чтения или управления. Аргументом этой функции является счетчик секунд, реализованный пользователем, например, с помощью таймера. Время необходимо драйверу для отработки тайм-аутов, связанных с функционированием GSM-модуля. Описание функций драйвера представлено в таблице 1, описание флагов состояния — в таблице 2.

Таблица 2. Флаги состояния драйвера

Флаг

Описание

Установка

Сброс

STATE_INIT

Драйвер готов к работе

Авто

reinit()

STATE_BUSY

Драйвер занят и не может принимать функции групп В­Е

Функция групп В­Е

Авто

STATE_REG

Регистрация модуля в сети GSM

Авто

Авто

STATE_TX

Отсылка данных от драйвера GSM модулю

Авто

int16_t tx(int8_t* data)

STATE_ERROR

Ошибка драйвера

Авто

int16_t lasterr()

STATE_CALL

Активный голосовой звонок

Авто, call(int8_t* num)

Авто, call(0), reject()

STATE_CNUM

Получен номер звонящего абонента

Авто

callnum(uint8_t* num)

STATE_DTMF

Получена DTMF-посылка

Авто

int16_t readdtmf(uint8_t* data)

STATE_SMS

Получено SMS

Авто

int16_t readsms(uint8_t* data, uint8_t* phone)

STATE_SMSD

Получено подтверждение о доставке SMS

Авто

int16_t smsd()

STATE_GPRS

Состояние подключения к GPRS

gprs(int8_t* apn)

Авто, gprs(0)

STATE_SRV

Состояние TCP-сервера

listen(uint16_t port)

listen(0)

STATE_DATA

Получены данные по каналу GPRS

Авто

int16_t readdata(uint8_t* data, uint8_t* ch)

STATE_SEND

TCP-данные доставлены

Авто

send(uint8_t ch, int8_t* data, uint16_t len)

STATE_CH0 — STATE_CH4

Состояние сокетов 0–4

Авто, connect(uint8_t ch, uint8_t tcp, int8_t* dest, uint16_t port)

Авто, close(uint8_t ch)

Таким образом, код драйвера максимально отделен от аппаратной платформы и требует от пользователя лишь реализации функции отправки блока данных в UART, обработки прерываний, возникающих при получении данных из UART (для отправки их в драйвер), и счетчика секунд на базе системного таймера. Подобный подход также предусмотрен во многих других кросс-платформенных драйверах (например, TCP-IP-стеке LWIP) и наиболее оптимален с точки зрения переносимости между платформами. Так, мы без особых проблем использовали наш драйвер на платформах Windows и ARM Linux, Cortex-M0 и M4.

Исходный код драйвера доступен под лицензией GNU LGPL на сервисе github [4], что предоставляет возможность пользователям добавлять необходимые функции, например работу с Bluetooth (профиль SPP) или применение технологии CSD в модулях, чипсеты которых ее поддерживают. Это помогает и оперативно исправлять возможные ошибки, в том числе после очередного обновления прошивки GSM-модуля. Благодаря хорошей структурированности кода драйвер с минимальными изменениями может быть использован и с другими GSM-модулями. Так, мы бегло тестировали его с другими модулями SIMCom серии 800, функционал оказался полностью сохранен.

Для использования драйвера необходимо в проект добавить файлы if.c, ini.c, atc.c и urc.c, а в файл main.c включить заголовки if.h и def.h. Остается лишь отметить, что в основном цикле после каждого вызова функции poll необходимо анализировать флаги и выполнять только одно действие с драйвером в каждой итерации цикла.

Таким образом, данный драйвер позволяет начинающим разработчикам быстро создавать несложные устройства, использующие GSM-сервисы. Основные функции бюджетного модуля SIM800C будут доступны без глубокого изучения документации на АТ-команды и написания кода разбора текстовых строк и машины состояний.

Литература
  1. www.microchip.ua/simcom/SIM800x/SIM800C/SIM800C_Hardware_Design_V1.05.pdf
  2. www.microchip.ua/simcom/?link=/SIM800x/EAT3. /ссылка утерена/
  3. www.microchip.ua/simcom/SIM800x/SIM800%20Series_AT%20Command%20Manual_V1.10.pdf
  4. www.github.com/GammaUkraine/SIM800C

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

سكس عربي مصري مجاني sexauskunft.net سكسحر unblurred hentai nicehentai.com omega hentai chinki sex renklipornoo.net village naked dance hot x porn video hindipornsite.com heather jayne nude huge dick comics streamhentai.net hentai msngs
قصص وصور سكس wiwiuku.com مشاهدة أفلام سكس ラブホテル完全盗撮 浮気ドキュメント 禁断の関係 javshare.info とらぶるだいありー brawling go 132 hentaika.org all the way through futa www.indiansexmms pornhindivideo.com ftv hot live 福岡 風俗 図鑑 javwhores.mobi 日本で一番黒いgカップグラドルの絶倫性欲でハメ撮りsexしまくった日常を記録
x videos american fucktube24.com sex odia video 完全拘束イラマチオ 3 あべみかこ javpussy.net 300maan-316 xnxx miya khalifa indianpornsearch.com www.tamil sex videos どエロイ女のムチムチ肉感!ふにゃふにゃ星人 羽生ありさ freejavstreaming.net 生意気j○妹プリ尻挑発 telugu outdoor sex hindipornmovies.org mehreen kaur pirzada