Всю продукцию, которую выпускают производители GSM/GPRS/EDGE/HSDPA модулей, можно разбить на шесть основных групп:
• GSM/GPRS модули для различного рода дешевых бытовых устройств и телефонов с минимальным набором дополнительных функций;
• GSM/GPRS/EDGE телеметрические модули, предназначен ные для автоматизированного обмена информацией в M2M-приложениях;
• GSM/GPRS/EDGE модули, предназначенные для работы в жестких условиях и автомобильном транспорте;
• GSM/GPRS/EDGE миниатюрные модули, предназначенные для использования в сотовых телефонах последнего поколения, PDA, навигаторах, беспроводных медицинских
• приборах и сложных системах охранных сигнализаций с передачей видео-изображения;
• совмещенные GPS – GSM/GPRS модули для систем навигации;
• модули поколения 3G с поддержкой HSDPA.
Внутри каждой группы модули различных производителей отличаются друг от друга, в основном, дополнительными сервисными функциями.
Эти специальные сервисные функции разрабатываются на базе программных приложений пользователя, которые тем или иным способом интегрируются в фирменное программное обеспечение.
Как правило, конкурентная борьба ведется в области сервисных функций, надежности, размеров, энергопотребления. Исключение составляет китайская фирма SIMCOM, которая конкурирует, прежде всего, за счет низких цен.
Российскому производителю, начинающему новый проект, очень трудно сделать правильный выбор модуля среди множества предлагаемой на рынке продукции различных фирм. Даже опытным разработчиков нелегко отдать предпочтение той или иной модели только на основании технической документации. Поэтому, прежде всего, нужно остановиться на определенной группе, наиболее подходящей конечному устройству.
Если пытаться сравнивать технические характеристики GSM/GPRS модулей для М2М приложений, то можно обнаружить, что первая пятерка мировых лидеров производит продукцию одного класса с практически одинаковыми базовыми техническими характеристиками. Ситуация здесь вполне понятная, объяснимая и сравнимая с рынком мобильных телефонов. Также как и на рынке мобильных телефонов, GSM/GPRS - модули различных производителей, отличаются друг от друга в основном дополнительными сервисными функциями.
Эти дополнительные функции, в большинстве случаев, не используются производителями беспроводных систем для М2М приложений. Поэтому в качестве критерия выбора нового модуля для решения конкретной технической задачи можно использовать минимально необходимое сочетание необходимых функций и параметров, сосредоточенных в одном модуле.
Естественно, что это должен быть надежный, дешевый модуль, который будет поддерживаться производителем, как минимум, в течение ближайших нескольких лет. (Хорошо известна история с модулем TC45 Siemens, который прожил всего 2 года и был заменен модулем в другом конструктиве и с другим разъемом).
Важно также учитывать возможность перехода на другую модель со сходными параметрами при наступлении форс-мажорных обстоятельств.
Новая серии, Enabler Lite, предназначенной для М2М приложений, в которых не нужен голосовой канал.
В состав серии входят два семейства:
• GSM0326, интерфейсный 100- контактный разъем Molex 55909-1074 (рисунки 2 и 3);
• GSM0426, BGA – корпус со 167 выводами (рисунок 4).
Модули серии Enabler Lite предназначены для использования в беспроводных контроллерах счетчиков расхода, тепла, газа, электричества, миниатюрных устройствах слежения за перевозкой грузов, переносных кассовых аппаратах, профессиональных и бытовых медицинских приборах, GPS/GSM - навигаторах, точках беспроводного доступа, автомобильных охранных системах, банкоматах, и др.
Модели серии Enfora Enabler Lite представляют собой GSM/GPRS - модули, рассчитанные на работу в двух диапазонах 900/1800 МГц [1].
Блок схема модуля приведена на рисунке 1.
Рис.1. Блок схема модуля Enabler Lite
Модуль изготовлен на базе однокристального чипа Texas Instruments "LoCosto" с тактовой частотой 26 МГц. Этот чип, использующий 65 нм технологии TI, содержит на одном кристалле, практически все компоненты, необходимые для создания GSM/GPRS устройства последнего поколения. Такой подход позволяет свести к минимуму количество дополнительных внешних компонентов, существенно сократить габаритные размеры и стоимость конечного устройства. Не случайно чип получил торговое название "LoCosto", которое является аббревиатурой от слов Low Cost – низкая цена
В серии Enabler Lite интерфейсы MCSI, I2C, SPI, поддержка клавиатуры реализованы только аппаратно. В текущей версии прошивки эти интерфейсы программно не активированы. Говоря иными словами, на 100- контактный разъем выведены линии интерфейсов от базового однокристального микропроцессорного модуля Texas Instruments. Однако эти выводы не поддерживаются текущей версией набора АТ – команд.
В этой серии в качестве основного поддерживается только последовательный порт. На основной разъем 100-pin выведены также и контакты USB – порта. Однако этот порт может быть использован только, как дополнительный для отладочных целей.
Базовые технические характеристики модуля Enabler Lite приведены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики модуля Enabler Lite
По сравнению с модулями серии Enabler IIIG в модулях Enabler Lite убраны перечисленные ниже опции:
• голосовой канал;
• функция виртуальной перезагрузки программного обеспечения - FOTA (firmware over-the-air);
• поддержка переключения резервного питания;
• поддержка переключения режима подсветки;
• поддержка переключения вибратора.
Кроме того, в серии Enabler Lite уменьшено до восьми количество пользовательских вводов/выводов (по сравнению с серией Enabler IIIG).
Все остальные функции и параметры у модулей Enabler Lite и Enabler IIIG полностью совпадают [2].
В модулях Enabler Lite имеется встроенный TCP/IP стэк. Библиотеки HCI – интерфейса содержат программные блоки PPP, TCP, UDP, PAD, TCP, API, FRIEND и т.д.
Поэтому в этой серии реализуются все дополнительные программные блоки Enfora, позволяющие с помощью AT - команд решать прикладные задачи без внешнего микроконтроллера и написания специальных, сложных управляющих программ.
Программное обеспечение Enfora предлагает свой набор механизмов для передачи данных по TCP/IP. В число наиболее значимых опций Enabler входит функция UDP/TCP сборки/разборки пакетов (Packet Assembler/Disassembler, PAD), которая позволяет конвертировать, упаковывать и передавать данные с обычного последовательного интерфейса, без специального протокола, необходимого внешнему устройству. Иными словами, PAD - это способ передачи данных от устройства "за модемом" через сеть IP/GSM/GPRS и далее до получателя.
Другой важный программный продукт Enfora - Event Processing (обработка событий). В модулях Enabler Lite предусмотрены широкие возможности по обработке событий. Модуль может быть запрограммирован таким образом, чтобы внешние события отслеживались и вызывали бы определенного рода его ответные действия. Например, в качестве событий могут быть использованы регистрация (потеря регистрации) в сети, режим питания, получение UDP/SMS - сообщения, а также начальное состояние вводов-выводов общего назначения (GPIO). Каждый из пользовательских вводов/выводов может быть запрограммирован для использования в качестве ввода или вывода (input, output). Эти GPIO могут применяться независимо в качестве опции, определенной пользователем с помощью Event Processing. Также вводы/выводы можно использовать для контроля параметров модема, состояния связи и качества сигнала.
В модулях Enabler Lite в качестве основного используется последовательный порт.
По сравнению с предыдущей серией в Enabler Lite введены и некоторые изменения в программное обеспечение. Подробно этот процесс рассмотрен в [3].
Следует обратить внимание на вывод для внешнего управления включения/выключения питания. При помощи внешнего импульса можно дистанционно включать или выключать питание модуля. Специальные АТ – команды AT$OFFDLY и AT$OFF позволяют задавать параметры процесса сброса и подачи питания [1].
В новой серии Enabler Lite последовательность «+++» переводит модем в командный режим, но при этом не разрывается TCP - соединение и не нарушается текущий контекст (аналогично тому, как работает команда CSD). При этом команда ATO возвращает модем в режим передачи данных, а команда ATH прекращает PAD – сессию и разрывает соединение. Для совместимости с предыдущими версиями используются команды AT$PADDISC=1 (AT$PADDISC=0 disables).
В модулях серии Enabler Lite введено автоматическое определение скорости передачи по последовательному порту. Заводская установка сейчас: AT+IPR=0. При подключении модуль сам выбирает необходимую скорость.
Необходимо отметить изменения, введенные для режима отправки АТ – команд через SMS. В Enabler Lite снято ограничение, на фиксированный адрес в команде AT$SMSDA. Теперь, по умолчанию любая, отосланная в корректном формате АТ – команда, будет принята модемом. Однако, при этом нужно, чтобы ID модема соответствовал описанию входа в AT$MDMID или другим, перечисленным в AT$SMSDA условиям. Для управления модулем через SMS введена новая команда AT$SMSDAEN. Подробно эти вопросы рассмотрены в [3].
Из новых команд можно также выделить AT$LUPREJ. Команда используется для описания ошибки при различных сетевых проблемах [3].
Модули GSM0326, имеющие 100 - контактный интерфейсный разъем, выпускается в следующих модификациях:
• GSM0326-10 (B2B RF, без SIM держателя);
• GSM0326-11 (B2B RF, с SIM держателем);
• GSM0326-70 (MCD Coaxial, без SIM держателя);
• GSM0326-71 (MCD Coaxial, с SIM держателем.
Рис. 2. Внешний вид интерфейсного разъема и антенного соединения модуля GSM0326-10 (B2B RF)
Рис. 3. Внешний вид интерфейсного разъема и антенного соединения модуля GSM0326-70 (MCD Coaxial)
На рисунках 2 и 3 показаны модули GSM0326-10 и GSM0326-70. Различие между модулями заключается в антенных разъемах. В модели GSM0326-70 используется стандартный коаксиальный разъем MCD Coaxial. Модель GSM0326-10 предназначена для массового автоматизированного производства. В этой модели нет антенного разъема. Вместо этого используется межплатное соединение B2B RF. Поэтому эта модель несколько дешевле.
Как отмечалось выше, модули серии Enabler Lite выпускаются также в конструктиве BGA. Такая модель называется GSM0426. Основное отличие GSM0426-BGA от модели GSM0326 – это BGA – корпус со 167 выводами.
Использование BGA - технологии позволяет свести к минимуму количество дополнительных внешних компонентов, существенно сократить габаритные размеры и снизить цену конечного устройства. На BGA - разъеме выводы расположены по группам, в соответствии с функциональным назначением. Такое расположение выводов позволяет оптимальным образом разводить печатную плату. Конкретные рекомендации по проектированию печатной платы для GSM0326 приведены в [4].
Внешний вид модуля GSM0426 показан на рисунке 4.
Модуль GSM0426
В этой модели BGA - выводы представляют собой шарики из припоя, нанесённые на контактные площадки с обратной стороны изделия.
На сегодняшний день наблюдается тенденция постепенного перехода к BGA - корпусам в изделиях с высокой концентрацией компонентов на одном кристалле. Такая популярность связана с тем, что BGA – корпус является оптимальным решением проблем производства и монтажа на печатную плату миниатюрных корпусов с большим количеством выводов.
Изделия с BGA - корпусами не имеет проблемы «заливания», поскольку припой наносится точно в нужном месте и в строго определенном количестве прямо на корпус изделия непосредственно на заводе – изготовителе.
Кроме того, BGA - корпус проще устанавливать и паять на плату, так как он имеет больший шаг между выводами.
Процент брака при монтаже BGA - корпусов на порядок меньше, чем аналогичный параметр для стандартных корпусов, особенно с многоконтактными разъемами.
Еще одним преимуществом BGA - корпусов является лучший тепловой контакт между модулем и платой, что в некоторых случаях избавляет от установки теплоотводов.
Следует также обратить внимание на то, что использование BGA - корпуса позволяет существенно снизить высокочастотные наводки. Это связано с тем, что чем меньше длина выводов, тем меньше наводки и излучение.
Ну и наконец, немаловажным преимуществом является снижение себестоимости конечного изделия при использовании BGA – корпуса. Во-первых, цена уменьшается на стоимость прямой и ответной частей многоконтактного разъема. Во-вторых, цена снижается за счет уменьшения стоимости печатной платы и затрат на монтаж комплектующих. Это объясняется тем, что BGA – выводы расположены по всей поверхности изделия и сгруппированы по функциональному назначению. Поэтому конструкция печатной платы получается наиболее оптимальной.
Поскольку модули Enabler Lite совместимы по выводам с модулями Enabler IIIG, то для разработки изделий базе модулей GSM0326 и GSM0426 используются те же отладочные комплекты, что и для GSM0308 (SDK0119MG701) и GSM0408 (SDK0408MG720) [4, 5].
На плате SDK расположены переключатели и разъемы, позволяющие контролировать напряжения и сигналы в ключевых точках модуля.
На разъем DB-9 выведен стандартный последовательный порт RS232. Каждая линия RS232 контролируется с помощью своего светодиода.
Для контроля работы GPIO используется светодиодная индикация. Выбор режимов работы осуществляется с помощью DIP – переключателей. Каждый из регулируемых GPIO может быть установлен в высокое или низкое состояние с помощью DIP – переключателя.
Выбранным GPIO можно с помощью команды AT$IOCFG присваивать статус входного или выходного вывода. Кроме того, их можно подключать через DIP – переключатели к той или иной линии.
Для каждого GPIO имеется контрольный светодиод, который загорается, когда GPIO переключается в высокое состояние.
На плате имеется встроенная, полосковая GSM – антенна. Помимо этого через разъем SMA можно подключить внешнюю антенну.
С помощью переключателей сигналы с контактов интерфейсного разъема подаются на контрольный разъем SDK. Таким образом, в любой момент можно контролировать состояние каждого из выводов BGA- разъема.
На разъем Mini USB выведен отладочный порт, который используется исключительно в целях конфигурирования модуля Enabler Lite и не может быть использован для связи с внешними устройствами.
Для работы с аудио – аксессуарами на отладочной плате имеется стандартный разъем для подключения стерео – гарнитуры (Headset Jack). Кроме того, имеются отдельные разъемы для подключения микрофона и динамика. Режимы работы аудио – системы конфигурируются с помощью команд AT$VSELECT=0 (handset) и AT$VSELECT=1 (headset).
Для окончательной настройки модулей можно также использовать простой и удобный Web-интерфейс, позволяющий настраивать устройство с использованием сервера производителя (Enfora test server, SW Gateway) [7 - 10]. Для входа в режим настройки достаточно с помощью любого браузера войти на сайт производителя и ввести пароль и логин (http://apitest.enfora.com/udpapp).
Тестирование конечного изделия с помощью сервера Enfora позволяет получить правильные настройки, необходимые для корректной работы.
Данные полученные с усройства пользователя тестируются, сортируются и заносятся в личную базу данных пользователя. Тестовый сервер позволяет работать в диалоговом режиме. Вся история работы с клиентом сохраняется в его базе, что дает возможность анализировать ошибки и выбрать оптимальные режимы настройки.
Заключение
Перспективы развития производства GSM/GPRS модулей для М2М приложений зависят от нарастающих потребительских потребностей. С одной стороны, это связано с ростом спроса на бытовую и медицинскую технику. С другой стороны, в условиях экономического спада, предпочтение будет отдаваться более дешевым моделям.
Наиболее вероятно, что в новых разработках для массового производства будут, в основном, использоваться миниатюрные GSM/GPRS - модули с минимальным энергопотреблением, минимально необходимым наборам функций и в корпусе BGA.
Дополнительную информацию на русском языке о продукции американской фирмы Enfora можно найти на сайте www.telemetry.spb.ru.
Литература
1. Enfora Enabler IIIG Lite M2M. Integration Guide GSM0326IG001 Revision: 1.00 4/29/2009
2. GSM0308IG001. Enfora Enabler IIIG. Modem Integration Guide. Version 1.03– 7/17/2007. 2007 Enfora, Inc.
3. Enabler IIIG BGA Lite AT Command Manual GSM0426AT001 Revision: 1.0 5/14/2009
4. Enfora Enabler IIIG-BGA Lite Integration Guide GSM0426IG001 Revision: 1.00 4/30/2009
5. Quick Start Guide SDK0308QS001 Enabler IIIG SDK Quick Start Guide Revision 1.00
6. Enabler IIIG-BGA Lite SDK Guide GSM0426SD001 Revision: 1.00 4/30/2009
7. Application Note GSM0000AN021 Access the Enfora Test Server Rev. 1.00
8. GSM0000AN023 Connect Enfora Modems to theEnfora Test Server
9. http://www.enfora.com/index.cgi?CONTENT_ID=1618&User:LANGUAGE=en
10. Enfora’s Services Gateway 2.0. SEAMLESSLY INTEGRATE WITH EXISTING ENTERPRISE SOFTWARE. 2009.