Малогабаритные 3G-модули SIM5300E и SIM5300EA:
путь от 2G к 3G

Введение

Компания SIMCom Wireless Solutions [1], ведущий разработчик и производитель GSM/GPRS, 3G, LTE и GPS/ГЛОНАСС OEM-решений, успешно осваивает М2М-отрасль, о чем говорят последние ежегодные маркетинговые исследования экспертной компании ABI Research: по результатам продаж за 2015 г. SIMCom Wireless Solutions признана мировым лидером среди своих ближайших конкурентов, таких как Sierra Wireless (Канада), Telit Wireless Solutions (Италия) и Gemalto (Германия). [2]. Потенциал для роста в текущем и грядущих годах SIMCom Wireless Solutions видит в неизменно растущем рынке 3G/LTE-решений.

Рис. 1. 3G-модуль SIM5300E

Повсеместное распространение сетей сотовой связи третьего поколения закономерно выразилось в появлении новых приложений, новых типов М2М-устройств с новыми потребительскими качествами. Более того, классические приложения также вынуждены меняться. К примеру, в России глобальные телематические проекты, поддерживаемые государством, такие как «ЭРА-ГЛОНАСС», «Платон», «Онлайн кассы», сделали выбор в пользу 3G сетей. Если не вдаваться в подробности технического обоснования такого выбора, то можно сказать просто: это дань современным реалиям.

Именно развитию 3G-приложений обязаны своим появлением новые модули SIM5300E (рис. 1) и SIM5300EA (внешний вид аналогичен SIM5300EA).

Общее описание 3G-модулей и обзор линейки

Модули SIM5300E/5300EA построены на новейшей платформе от Intel — XMM6255M. Благодаря высоко интегрированному дизайну на уровне чипсета, модули обладают важнейшими позитивными качествами — низкой стоимостью и малым размером. Для сравнения в таблице 1 приведены характеристики текущей линейки 3G-модулей под пайку SIMCom Wireless Solutions и SIM5300E/SIM5300EA. Видно, что новинки являются передовыми в линейке благодаря размерам и набору ТТХ, отвечающим требованиям большинства приложений, таким как скорость передачи данных, поддерживаемые частоты, тип корпуса, аналоговое аудио и проч.

Рис. 2. Карта выводов модулей SIM5300E (слева) и SIM5300EA (справа)

Рис. 3. Посадочное место модулей SIM5300E/5300EA

На рис. 2 приведены карты расположения выводов модулей. Видно, что разница лишь в выводах 19–23, а поскольку посадочное место у модулей одинаковое (рис. 3), это позволит разработчику применять один дизайн платы для обоих модулей, сделав версии платы с аналоговым аудиоинтерфейсом и без него.

Выход модулей в свет пришелся на лето этого года, и с момента анонса модули поддерживают наиболее востребованные функции, такие как:

• SMS-сообщения;
• PPP-стек;
• встроенный TCP/IP-стек;
• data call/CSD;
• голосовые вызовы (SIM5300EA).

Однако ресурсы платформы очень широки, и список функций со временем будет расти вместе с новыми версиями программного обеспечения (ПО). К примеру, ожидается поддержка обновления ПО «по воздуху» (FOTA), открытие пользовательского интерфейса для доступа к файловой системе модуля, протокол шифрования SSL/TLS, поддержка протоколов верхнего уровня HTTP/FTP и проч.

Первое включение и скорость передачи данных в реальных сетях

Рис. 4. Материнская плата SIMCOM-EVBKIT и мезонин SIM5300E-TE в сборе

Продемонстрируем на практике работу 3G-модуля SIM5300E, а именно, проверим, каких скоростей обмена можно достичь посредством протокола PPP. Конечно, этот тест неточный, оценочный, поскольку результат зависит не только от модуля, но и от провайдера сети и условий распространения радиосигнала.

Для начала первого теста необходимо собрать и подключить к персональному компьютеру (ПК) отладочное средство (рис. 4). Оно состоит из двух частей: материнской платы SIMCOM-EVBKIT, на которой расположены элементы питания, управления и интерфейсы, и мезонина SIM5300E-TE (или SIM5300EA-TE) — платы, на которой находится собственно сам модуль SIM5300E (или SIM5300EA). Кроме того, к материнской плате прилагаются сетевой адаптер 220 В/5 В, GSM-антенна, кабельная сборка, аудиогарнитура и кабель RS232.

Убедитесь, что у вас самая последняя версия ПО (номер версии можно узнать из маркировки «P/N» на шильде модуля или при помощи АТ-команды AT+GMR). В данном примере используется ПО версии 1551B02SIM5300E.

Теперь подключим отладочное средство к USB-порту ПК с ОС Windows. В качестве интерфейса данных можно использовать порт UART, но это нецелесообразно, поскольку максимальная скорость обмена порта UART (460 800 бит/с) ограничивает реальные возможности модуля. Поэтому тут лучше использовать порт USB. После установки соответствующих драйверов, при подключении к USB-порту ПК, модуль определится в диспетчере устройств как составное USB-устройство (рис. 5). Из всех устройств для работы с модулем нужны SimTech HS-USB Modem и SimTech HS-USB AT Port 0020. Первое мы используем для выхода в Интернет посредством стандартных инструментов Windows, второе — для управления модулем при помощи АТ-команд [6].

Рис. 5. Определяемые USB-устройства при подключении SIM5300E к USB-порту ПК

Если мы установим dial-up соединение и выйдем в Интернет, то сможем получить результат измерения скоростей обмена при помощи сервиса http://www.speedtest.net. На рис. 6 видно, что модуль показал весьма достойные для М2М-приложения скорости обмена на прием и на передачу.

Рис. 6. Результат измерения скорости обмена

Что касается остальных функций модуля, таких как SMS, голосовые вызовы, работа со встроенным стеком, то это — темы будущих статей. Больший интерес у разработчика вызывает тема совместимости 3G-модулей с модулями 2G. Поскольку все 2G-модули имеют аналоговое аудио, то имеет смысл рассматривать SIM5300EA — к этому модулю «в пару» предлагается модуль SIM800. Рассмотрим их совместимость с аппаратной и программной точек зрения.

Коротко о 2G-модуле SIM800

Рис. 7. GSM/GPRS-модуль SIM800

GSM/GPRS-модуль SIM800 (рис. 7) относится к текущей линейке 2G-модулей 800-й серии, обзор которой сделан в [3], и является заменой снятого с производства GSM/GPRS-модуля SIM900R и готовящегося к снятию SIM900. Модуль SIM800 имеет две аппаратные ревизии: SIM800M32 и SIM800M64. Речь в данной статье пойдет о SIM800M32, версия SIM800M64 имеет больший объем flash-памяти для поддержки технологии Embedded AT. Данная технология позволяет интегрировать пользовательский Си-код в ПО модуля, т. е. это специфичный модуль для редкого количества приложений. Часто разработчики используют архитектуру, в которой основной код сосредоточен во внешнем управляющем контроллере. Отличить SIM800M32 от SIM800M64 можно по «P/N».

В таблице 2 указаны основные характеристики модуля, как видно, модуль SIM800 имеет аналогичные размеры с SIM5300EA. Напрашивается вопрос: насколько данные модули совместимы? Можно ли с печатной платы снять SIM5300EA и поставить вместо него SIM800, и наоборот?

Рис. 8. Посадочное место модуля SIM800

Аппаратная совместимость SIM800/SIM5300EA

Чтобы раскрыть вопрос о совместимости SIM800 и SIM5300EA, обратимся к полному описанию модулей SIM800 [5] и SIM5300EA [7] и посмотрим на рисунок рекомендуемого посадочного места модуля SIM800 (рис. 8) и сравним с SIM5300EA (рис. 2).

Что можно заметить:

• шаг и расположение выводов SIM5300EA и SIM800 одинаковые;
• площадки под выводы у SIM5300EA (0,6×2 мм) длиннее, чем площадки под выводы у SIM800 (0,6х1,6 мм);
• модули SIM5300EA и SIM800 имеют разные поля отступа внутри контура корпуса.

Эти отличия не противоречат друг другу и при разработке общей печатной платы для модулей, просто следует предусмотреть все поля отступа и принять размеры площадки под выводы размером 0,6×2 мм общими для обоих модулей.

Далее, рассмотрим карту назначений выводов модулей в таблице 3. Самые важные выводы выделены цветом.

Изтаблицы 3следует, что при подключении только основных сигналов (выделены цветом) модули SIM5300EA и SIM800 повыводно совместимы. Однако не надо забывать, что модули построены на разных аппаратных платформах и это влечет за собой отличия электрических характеристик. Подробней эти отличия иллюстрирует таблица 4.

Видно, что оба модуля могут быть запитаны от одинакового источника питания, это удобно. Часы реального времени у модулей также могут быть постоянно запитаны под одним напряжением 1,8 В. Однако допускается к этому выводу просто подключить конденсатор емкостью, к примеру, 4,7 мкФ.

Для включения и выключения модулей применяется вывод PWRKEY, разработчику следует помнить, что валидная длительность активного сигнала при включении у модулей разная. Но для унификации допускается принять за общую длительность сигнала более 1 с. Чтобы контролировать включение модуля, можно считывать сигнал STATUS (лог. «1» — включен, лог. «0» — выключен) или проверять наличие ответа на АТ-команду «AT», поданную в порт UART.

Разницу валидных длительностей сигнала сброса RESET можно не принимать во внимание, т. к. ее можно не подключать и просто нагрузить конденсатором емкостью 100 пФ. А при необходимости аварийной перезагрузки модуля просто разрывать и обратно замыкать линию питания VBAT через время, необходимое для завершения переходных процессов в цепи.

Согласно данным таблицы 2,основной и единственный интерфейс управления у модуля SIM800 — последовательный порт UART, а значит, в общем дизайне платы интерфейсом управления SIM5300EA также будет порт UART. Но можно видеть, что у модулей отличаются номинальные напряжения цифровых выводов: у SIM5300EA — 1,8 В, у SIM800 — 2,8 В, а у управляющего контроллера часто бывает 3,3 В. Конечно, логические уровни между модулем и контроллером должны быть согласованы. На рис. 9 приведен пример схемы согласования при помощи микросхемы-буфера, который позволяет задавать опорные напряжения (входы VCCA и VCCB). Опорное напряжение VDD_EXT идет с 15 вывода модулей SIM5300EA или SIM800 и задает нужный уровень, избавляя разработчика от необходимости предусматривать в схеме разные источники опорного питания.

Рис. 9. Схема согласования логических уровней между модулем SIM5300EA/SIM800 и управляющим контроллером (3,3 В)

С совместимостью ВЧ-тракта, USB-порта, интерфейсов аналогового аудио и SIM-карты все проще, схемы включения для обоих модулей идентичны и не вносят специфичных требований.

Так, понятно, что модули SIM800 и SIM5300EA совместимы с аппаратной точки зрения при соблюдении несложных условий. А как быть с управляющим контроллером? Его ПО должно учитывать то, какой модуль в данный момент подключен, или нет? Перейдем к вопросу программной совместимости.

Программная совместимость SIM800/5300EA

Под программной совместимостью понимается совместимость АТ-команд и реакции модулей на них. Пользователя интересует, потребуется ли учитывать в ПО контроллера отличия между SIM800 и SIM5300EA при подаче той или иной АТ-команды. Если мы говорим о стандартных функциях, таких как голосовые вызовы, CSD/data call, SMS, и прочих командах, описанных в стандартах V.25TER, 3GPP TS 27.005 и 3GPP TS 27.007, то тут совместимость обеспечивается самими стандартами. А как обстоят дела с АТ-командами наиболее часто применяемой функции — встроенного TCP/IP-стека?

В [3] было подробно рассказано о возможностях встроенного стека, режимах его работы и приведены листинги примеров применения. Чтобы понять степень совместимости стеков, нужно в первую очередь сравнить синтаксис команд встроенного TCP/IP-стека [4, 6] и соответствующие инструкции по применению [8, 9]. Внимательное сравнение покажет, что описания идентичны по содержанию в целом
и в деталях. Теперь для того, чтобы убедиться, что стеки TCP/IP SIM800 и SIM5300EA идентичны, обратимся к листингам, приведенным в [3], и воспроизведем их на модуле SIM5300EA.

Стоит заметить, что порт UART модулей SIM800 и SIM5300EA по умолчанию настроен на автоопределение скорости обмена в диапазоне 1200–115 200 бит/с. При записи приведенных далее листингов применялась фиксированная скорость обмена 115 200 бит/с.

Инициализация

AT+CPIN? // Проверка готовности SIM-карты;

+CPIN: READY

OK

AT+CSQ // Уровень сигнала RSSI=18 ед., удовлетворительный уровень;

+CSQ: 18,0

OK

AT+CREG? // Проверка наличия регистрации сети GSM;

+CREG: 0,1

OK

AT+CGATT? // Проверка доступа к услугам пакетной передачи данных;

+CGATT: 1

OK

AT+CIPMODE=0 // Командный режим передачи данных;

OK

AT+CIPMUX=0 // Моносокет;

OK

Настройка контекста и открытие соединения

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: IP INITIAL

AT+CSTT=»internet» // Настройка точки доступа;

OK

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: IP START

AT+CIICR // Активация контекста;

OK

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: IP GPRSACT

AT+CIFSR

100.86.15.224

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: IP STATUS

AT+CIPSTART=»TCP»,»81.95.20.18»,8888 // Открытие соединения с удаленным сервером;

OK

CONNECT OK // Сообщение об успешном открытии соединения;

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: CONNECT OK

Передача данных с подтверждением в командном режиме

AT+CIPSEND? // Проверяем максимальный размер данных, которые можно послать в сторону удаленной стороны. Этот размер зависит от сети;

+CIPSEND: 1460

OK

AT+CIPQSEND? // Нормальный режим передачи данных. При этом режиме каждая порция высланных данных подтверждается сообщением “SEND OK”, что означает, что сервер данные принял и подтвердил их получение;

+CIPQSEND: 0

OK

AT+CIPSEND=100 // Передача 100 байт данных;

> // Приглашение; hellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohello // Размер данных не должен быть больше 1460 байт;

SEND OK // Данные успешно переданы;

AT+CIPSEND // Передача данных произвольного размера;

> hellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohello // Размер данных не должен быть больше 1460 байт и в конце блока данных следует байт 0x1A;

SEND OK

Быстрая передача данных в командном режиме

AT+CIPQSEND=1 // Режим быстрой передачи данных. Этот режим подразумевает передачу данных без ожидания от сервера подтверждения о получении;

OK

AT+CIPSEND=100 // Передача 100 байт данных;

> hellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohello

DATA ACCEPT:100 // Модуль принял данные в свой буфер и вышлет их в сторону сервера в фоновом режиме;

AT+CIPACK // Проверка: 300 байт передано на сервер, из них 300 байт сервером приняты и подтверждены;

+CIPACK: 300,300,0

OK

AT+CIPSEND // Передача данных произвольного размера происходит аналогичным образом;

> hellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohellohello

DATA ACCEPT:100

AT+CIPACK

+CIPACK: 400,400,0

OK

AT+CIPQSEND=0 // Нормальный режим передачи данных;

OK

Прием данных в командном режиме, автоматический вывод принятых данных

AT // Модуль находится в командном режиме;

OK

AT

OK

HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello // Данные, принятые от сервера, выводятся из порта UART модуля SIM5300EA автоматически. Данные выводятся «как есть» и это неудобно, поэтому будут полезны 
следующие настройки;

AT

OK

AT+CIPHEAD=1 // Перед блоком данных, принятых от сервера, добавлять заголовок формата +IPD,<длина блока данных>;

OK     

AT+CIPSRIP=1 // При приеме данных показывать уведомление в виде RECV FROM:<IP адрес отправителя>,<порт>;

OK

AT+CIPSHOWTP=1 // Показывать тип протокола в уведомлении +IPD,<длина блока данных>,<тип протокола>;

OK

RECV FROM:81.95.20.18:8888 // Блок принятых данных, обрамленных уведомлением и заголовком с указанием типа протокола TCP и длиной 50 байт;

+IPD,50,TCP:HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello

Прием данных в командном режиме, ручной вывод принятых данных

Для смены способа вывода данных требуется разорвать соединение и деактивировать контекст.

AT+CIPCLOSE // Закрытие соединения;

CLOSE OK

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: TCP CLOSED

AT+CIPSHUT // Деактивация контекста;

SHUT OK

AT+CIPRXGET?

+CIPRXGET: 0 // Автоматический вывод принятых данных;

OK

AT+CIPRXGET=1 // Настройка ручного вывода данных;

OK

AT+CSTT

OK

AT+CIICR

OK

AT+CIFSR

100.116.1.79

AT+CIPSTART=»TCP»,»81.95.20.18»,8888

OK

CONNECT OK

AT

OK

AT

OK

+CIPRXGET: 1,»81.95.20.18:8888» // Уведомление о приеме данных от сервера;

AT

OK

AT+CIPRXGET=4 // Уточнение размера принятых данных;

+CIPRXGET: 4,100 // Пришло 100 байт данных;

OK

AT+CIPRXGET=2,20 // Вывести 20 байт в порт UART;

+CIPRXGET: 2,20,80,»81.95.20.18:8888» // В буфере модуля осталось 80 байт;

HelloHelloHelloHello // Запрошенные 20 байт данных;

OK

AT+CIPRXGET=2,20 // Вывести 20 байт в порт UART;

+CIPRXGET: 2,20,60,»81.95.20.18:8888» // В буфере модуля осталось 60 байт;

HelloHelloHelloHello // Запрошенные 20 байт данных;

OK

AT+CIPRXGET=2,60 // Вывести 60 байт в порт UART

+CIPRXGET: 2,60,0,»81.95.20.18:8888» // Приемный буфер модуля пуст;

HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello // Запрошенные 60 байт данных;

OK

AT+CIPRXGET=4 // Проверка наличия данных в буфере модуля;

+CIPRXGET: 4,0 // Буфер пуст

OK

Обмен данными с сервером в прозрачном режиме

Для смены режима передачи данных требуется разорвать соединение и деактивировать контекст.

AT+CIPCLOSE

CLOSE OK

AT+CIPSHUT

SHUT OK

AT+IFC=2,2 // Аппаратный контроль потока должен быть включен, чтобы избежать потери данных;

OK

AT+CIPMODE=1 // Прозрачный режим передачи данных

OK

AT+CIICR

OK

AT+CIFSR

100.71.67.196

AT+CIPSTART=»TCP»,»81.95.20.18»,8888

OK

CONNECT // Соединение установлено;

HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello // /Передача данных на сервер как есть;

HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello // Прием данных от сервера как есть;

AT // АТ-команды будут неотвеченными и будут восприняты как данные для отсылки;

AT

+++ // Эта escape-последовательность переведет модуль в режим АТ-команд, но при этом контекст и соединение сохраняются активными;

OK // В этом месте можно обработать входящие СМС, отменить входящий голосовой вызов и проч.;

AT

OK

AT

OK

AT

OK

ATO // Команда ATO возвращает модуль в режим передачи данных;

CONNECT

HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello

HelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHelloHello

CLOSED // Это сообщение говорит о том, что удаленная сторона закрыла сокет. Теперь встроенный стек TCP/IP нужно перевести в исходное состояние;

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: TCP CLOSED

AT+CIPSHUT

SHUT OK

AT+CIPSTATUS

OK

STATE: IP INITIAL // Стек в исходном состоянии.

По изучению листингов становится понятно, что принцип работы встроенного стека TCP/IP модуля SIM5300EA не отличается от TCP/IP-стека модуля SIM800 ни по идеологии, ни по системе АТ-команд. Это значит, что ПО контроллера, управляющего работой SIM800/SIM5300EA, можно унифицировать и применять для обоих модулей.

* * *

Мы познакомили читателей с новыми 3G-модулями SIM5300E и SIM5300EA и показали, почему новинки будут интересны разработчику телематических устройств. Из материала статьи можно почерпнуть информацию о том, что следует учитывать при создании совмещенного дизайна на базе 2G-модуля SIM800 и 3G-модуля SIM5300EA.