Программный драйвер для управления GSM-модулем SIM800C

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.

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].

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.

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.

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.