GSM - модули в структуре курса интернет вещей для специальности "Автоматизация производственных процессов" в опорном вузе

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 IP 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.

HEOWAY MESO

a) - Gsm-модуль NEOWAY M590

в) - Gsm-модуль GPRS Shield от Seeed Studio

6)- Gsm-модуль SIM800L

r) - Gsm-модуль SIM900

I1111111

SIM800L ■ i me i 9б?27зе2ем>2ее ■ FCC ID UDU-28130 72*82 - ®ги ■ ((0678 ¹

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

№	Параметр	Модули
		NEOWAY М590	SEM800L	GPRS Shield от Seeed Studio	SIM9D0
1	Частотные диапазоны	850,900,1800, 1900 MHZ	850,900,1800, 1900 MHZ	850,900,1800, 1900MHZ	850,900,1800, 1900 MHZ
2	Чувствительность	-107 Дб	-	-	-
3	Максимальная мощность передачи	EGSM900 класс 4(2 Вт) DCS1S0O класс L(1Bt)	EGSM900 класс 4(2 Вт) DCS1800 класс 1(1Вт)	EGSM90O класс 4(2 Bi) DCS 1800 класс 1(1Вт)	EGSM900 класс 4(2 Вт) DCS 1800 ' класс 1(1Вт)
4	Максимальное значение тока	2 А	1А	2A	2 А
5	Значение тока в рабочем режиме	210 мА	180 мА	250 mA	50-450 мА
6	Потребление тока в режиме сна	2.5 мА	0.7 мА	1.5 mA	1.5 мА
7	Диапазон рабочей температуры	(-40 -+85)СС	(-35 - + ЙОУС	(-40 - -85)°C	(-30-+70}°С
8	Рабочее напряжение	3.3V- 4.5V (Рекомендуемое -3.9)	3,4-4,4V	5 V	4,8-5,2 V (Рекомендуемое - 5 V)
9	Протокол	Совместим с GSM/GPRS в фазе 2; 2-, увеличение, TCP IP, FTP и LDP и др	ПАКТ, USB, I2C. PWM, ADC 10 bit, SPI	TCP/UDP	HTTP и FTP
10	Поддержка АТ -команд	GSM 07.07, расширенные наборы команд	GSM 07.07, расширенные наборы команд	GSM 07.07, расширенные наборы команд	GSM 07.10, расширенные наборы команд
И	Разъемы	20 контактов LLC, 20 контактов DIL	11 контактов	Полный аналог пинов Ардуино	Полный аналог пинов Ардуино
12	SMS	TEXT/PDUPoi nt to point с ell broadcast	TEXT-PDL":Poi nt to point-cell broadcast	TEXT.'PDUPo intto point се 11 broadcast	TEXTPDLTP ointto point-cell broadcast
13	Аудио		HRFREER, AMR.	Есть возможность дополнительного подключения устройств	HR, ER, EFR, AMR, DIME, подавление эха
14	Размеры	37x24 мм	23x25 мм	68.58x53.34	86x58x19 мм
15	Стоимость	От 100 рублен	От 410 рублей	От 2990	От 1300

Сравнительная характеристика GSM – модулей [8,5,3]

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 Arduino, 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.