Файл: Дипломный проектработа тема работы Разработка gsmконтроллера для систем управления беспроводным.pdf

27
"ОХРАНА" - любая точка доступа, оснащенная контроллером, может быть переведена в режим блокировки. Отключение режима производится оператором или идентификатором с соответствующими (типа "хоз.орган") правами. При этом контроллер может взаимодействовать с приборами охранно-пожарной сигнализации и/или передавать тревожные сообщения на сетевые АРМы [4].
3
Разработка структурной схемы устройства
Существует масса различных объектов, доступ к которым необходимо разграничить для определённого круга лиц. Такими объектами могут быть определённые помещения внутри организаций, охраняемые площадки, гаражные кооперативы, или частные владения. В различных системах доступ организуется с помощью разных средств. Такими средствами могут быть пластиковые карты, магнитные ключи и т.д. В проектируемой системе средством доступа является обычный мобильный телефон. В настоящее время мобильные телефоны есть у каждого, поэтому возможность использовать телефон для дополнительных задач психологически привлекательна и экономически оправдана.
Проектируемая система представляет собой аппаратно-программный комплекс. Аппаратная часть представляет собой контроллер, в который устанавливается СИМ-карта любого мобильного оператора. Программная часть системы выполняет функции по добавлению/удалению пользователей, а также изменять режим работы реле.
Структурная схема GSM-контроллера доступа представлена на рисунке 3.1.

28
Рисунок 3.1 – Структурная схема GSM-контроллера доступа
В блок памяти телефонных номеров заносятся номера пользователей, имеющих доступ к данному объекту, а также номер мастера, обслуживающего систему. С номера мастера можно удалённо при помощи СМС добавлять и удалять пользователей, в случае если нет возможности подключить для этого компьютер. В режиме ожидания МК постоянно опрашивает GSM модем на наличие входящих звонков или смс. При входящем звонке микроконтроллер определяет номер звонящего и выполняет поиск этого номера в базе данных
EEPROM. Если такой номер присутствует, то система откроет звонящему доступ к объекту, подав разрешающий сигнал на блок управления исполнительными механизмами. При этом система также включит зеленый светодиод в блоке индикации на время предоставления прохода. В противном случае звонок будет проигнорирован.

29
4
Разработка функциональной схемы разрабатываемого
устройства
Функциональная схема GSM-контроллера доступа представлена в приложении А, рассмотрим состав и функционирование схемы.
Основу GSM-контроллера доступа составляет микроконтроллер ATMega 8, имеющий следующие характеристики: [5]
- 8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-
Programmable Flash);
- обеспечивает 1000 циклов стирания/записи;
- обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write);
- 512 байт EEPROM;
- обеспечивает 100000 циклов стирания/записи;
- 1 Кбайт встроенной SRAM.
Линия микроконтроллера РD6, используются для управления нагрузкой, данная линия настраиваются на вывод, для этого в регистре DDRD необходимо установить соответствующие биты «1».
Для включения выходного реле необходимо на соответствующую линию порта выдать «лог1» что соответствует высокому уровню, который включает согласующий транзистор и подает напряжение на катушку реле. Для выключения выходного реле необходимо на соответствующую линию порта выдать «лог0».
Реле – служит для согласования уровней (токов и напряжения) микроконтроллера с силовой цепью исполнительного устройства, а также гальванической развязки.
GSM-модем предназначен для связи через сотовую сеть и передачи смс сообщений, он подключен к линиям TXD (передача) RXD (приём) приемопередатчика UART микроконтроллера [6].
Линия порта РB1 управляет запуском GSM-модуля. Модуль запускается при отрицательном импульсе длиной не менее 1 сек. на выводе PWRKEY.
Для подачи импульса использована рекомендуемая производителем схема
[6].

30
Сим-карта. Стандартная сим-карта предназначена для идентификации и подключения к сотовой сети, может быть использован любой оператор сотовой связи GSM.
Светодиод «Состояние сети» подключенный к выводу NETLIGHT GSM модуля отображает состояния подключения к сотовой сети: поиск сети, сеть найдена, передача данных.
Драйвер RS-232 служит для преобразования уровней и согласования с интерфейсом RS-232.
Блок питания – блок питания служит для питания всех элементов схемы.
Кварцевый резонатор – используется для тактирования всех внутренних процессов микроконтроллера.
Разъем для программирования МК – служит для прошивки программы во
FLASH-память микроконтроллера (не извлекая микроконтроллер из устройства – внутрисистемное программирование).
5
Расчёт принципиальной схемы и выбор элементной базы
Приступим к выбору и обоснованию схемы электрической принципиальной.
Микроконтроллеры являются
“закрытыми” устройствами, т.е. разработчику устройства на МК в большинстве случаев неизвестны значения внутренних токов, напряжений, сопротивлений и т.д. При разработке схемной реализации следует основываться на предложенных производителем типовых решениях (обвязка микроконтроллера). В данном случае использовались схема включения, рекомендованная компанией Atmel [5].
Рассмотрим схемы подключения основных внешних устройств.
Во время работы МК нужно получать данные и подавать управляющие команды на соответствующие устройства. Для ввода таких команд используется

31 система ввода информации. В качестве такой системы могут использоваться различные коммутаторы, кнопки, тумблеры, датчики [10].
Составим принципиальную схему, рассчитаем необходимые технические параметры и подберём требуемые элементы.
5.1 Тактовый Генератор
Для тактирования МК (см. рисунок 5.1) будет использоваться кварцевый резонатор BQ1 на 16 МГц, по технической документации требуется включить два конденсатора номиналом 15 пФ.
C6
XTAL2 8
XTAL1 7
C7
BQ1
Рисунок 5.1 – Схема подключения кварцевого резонатора к МК
В качестве BQ1 выберем HC-49/SM-16мГц. С6, С7 1206-50В-15пФ.
5.2 Подключение GSM модема
5.2.1 GSM модем
В проектируемом устройстве используется GSM модем, позволяющий осуществлять взаимодействие с сотовым оператором. Т.е. передачи сообщений контроллера на мобильные телефоны и обратно [6].
Трехдиапазонные GSM/GPRS модули SIM300 (SIM300C) предназначены для работы в приложениях, связанных с высокоскоростной передачей данных посредством GPRS канала: для передачи голоса, коротких (SMS) и факсимильных сообщений в системах удаленного контроля и мониторинга, в измерительных системах и телеметрии, системах безопасности и оповещения.
Данные модули имеют низкое энергопотребление и малые размеры, благодаря

32 чему могут быть легко интегрированы в большинство вышеупомянутых приложений.
Рисунок 5.2 - Схема назначения используемых выводов GSM модуля SIM300
Основные характеристики SIM300 [6]:

диапазон частот: 900/1800/1900 МГц;

GPRS Multi - Slot Class 10;

GPRS Mobile Station Class B;

совместимость с GSM Phase 2/2+;

выходная мощность:

класс 4 (2 Вт) 900 МГц;

класс 1 (1 Вт) 1800/1900 МГц;

встроенный TCP/IP протокол;

управление посредством AT- команд;

напряжение питания: 3.4 - 4.5В;

рабочая температура -20 °C - +55 °C.
Все команды SIM300 начинаются с префикса AT+ и заканчиваются
Carriage Return (сокращенно, возврат каретки). ASCII код CR - 0x0D (десятичное

33 13).
5.2.2 Питание модема
GSM модем необходимо питать постоянным напряжением в диапазоне 3,4-
4,5 вольта [6]. Плюс питания подводится к выводам 1-8 (VBAT). Земля подводится ко всем выводам GND.
RF IN
DD3 61
+4B
2 1
VBAT
VBAT
9
GND
10
GND
11
GND
12
GND
13
GND
14
GND
C3
RTX
+4B
4 3
VBAT
VBAT
62
GND
63 64
GND
65
GND
C4 5
VBAT
GND
6
VBAT
7
VBAT
8
VBAT
Рисунок 5.3 Подключение выводов питания
GSM модуля SIM300
Импульсный характер передачи данных в сетях GSM накладывает требования по питанию модулей и трассировки печатной платы. Передатчик включается каждые 4.6 мс на 0.6 мс [14], а учитывая максимальную мощность импульса
SIM300D в 1 Вт для GSM 1800-1900 и 2 Вт для 850-900, то на линии питания возникают не малые импульсные токи. Источник питания должен быть способен обеспечивать для GSM-модуля в режиме постоянной передачи ток до 2А.
Диапазон питающих напряжений 3.4-4.5В, но рекомендуется 3.5-4.4В. Т.к. при напряжении ниже 3.4 В или выше 4.5 В модуль начнет постоянно слать по
UART предупреждения
UNDER-VOLTAGEWARNING или
OVER-
VOLTAGEWARNING, чем усложнит разбор сообщений микроконтроллером.

34
Выберем напряжение питание 4В.
Согласно [14] по питанию необходимо установить конденсатор емкостью
0,1мкФ и расположить его как можно ближе к выводам модуля. В качестве конденсатора C3 C4 выбраны конденсаторы 1206-50В-0.1мкФ.
5.2.3 Подключение SIM-карты
Следующим основным элементом является сим карта. Схема включения рекомендована компанией Simcom (см.рис.5.4) [6]. Сим-карта является ключом ко входу в сеть оператора сотовой связи GSM. Для работы с модулем необходимы сим карты с напряжением питания 3 или 1,8 вольт (сим-карты с напряжением питания 5В уже не используются) [6]. Сим-карта подключается выводам SIM_x (выводы 19,21,23,25). Резисторы R3, R4, R6 22Ом по рекомендации Simcom [6]. В качестве R3, R4, R6 выберем SMD-чип резисторы
1206-0,25-22 Ом. Держатель сим-карты XS2 выберем SIM ICA-501-008-TR. (см. рис.5.5)
SIM_VDD
SIM_RST
SIM_CLK
SIM_DATA
XS2
Цепь
Конт.
1 2
3 4
SIM_VDD
SIM_RST
SIM_CLK
5
GND
R3
R6 19 25 23 21
GND
7
SIM_DATA
R4
R5
C1
VD3
VD8
VD4
VD7
VD5
VD6
Рисунок 5.4 -
Подключение SIM-карты к GSM модему SIM300

35
Рисунок 5.5 -
Держатель сим-карты SIM ICA-501-008-TR
5.2.4 Подключение антенны
Антенна подключается к выводу 61 (RF IN) [6], через разъем XS1 (рисунок
5.6). Необходимо использовать специальную антенну GSM диапазона, от ее качества будет зависеть потребляемая мощность передатчика, а также дальность и устойчивость связи. В качестве XS1 выберем SMA разъем 5-1814832-1
(рисунок 5.7).
RF IN
XS1
Цепь
Конт.
1 2
ANTENNA
GND
61
Рисунок 5.6 -
Подключение антенны к GSM модулю SIM-300
Рисунок 5.7 - SMA разъем 5-1814832-1
Выбор антенны зависти от местоположения и расстояния удаленного объекта. Для близлежащих объектов выберем антенну GSM GAOKE GSM-01-
SMA. Для удаленных объектов выберем направленную антенну типа яги GSM

36
AX-900-14. Данная антенна является наружной (выносной) и требует для подключения удлинительный кабель (фидер).
5.2.5 Расчет индикации
Для индикации собственного состояния в процессе работы, у модуля есть несколько выводов для подключения светодиодов. Первый из них вывод
NETLIGHT (вывод 30) [6]. На этом выводе при работающем модуле появляется меандр, с частотой зависящей от состояния подключения к сотовой сети:

горит 64 мс через интервал 800 мс - идет поиск сети;

горит 64 мс через интервал 3000 мс - сеть найдена;

горит 64 мс через интервал 300 мс - осуществляется передача данных через GPRS.
Подключать светодиод к этому выводу можно только через транзисторный ключ [14] (рисунок 5.8):
NETLIGHT
VD10
+4B
30
R12
R15
R13
VT1
+3,3B
Рисунок 5.8 – Индикация NETLIGHT
Резисторы R12 220Ом, R13 10кОм, R15 10кОм, по рекомендации Simcom
[6]. В качестве резистора R12 выберем SMD-чип резистор 1206-0,25-220Ом, R13 1206-0,25-10 кОм, R15 1206-0,25-10 кОм.
В качестве светодиода VD2 выбран LED Red 0805.

минимальная сила света, 8мКд;

ток Iпр=2мА;

37

максимальное прямое напряжение 2,5В.
В качестве транзистора VT3 выбран 2N2222, имеющий характеристики:

структура n-p-n;

максимально допустимое напряжение коллектор-база 60В;

максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер 40В;

прямое напряжение коллектор-эмиттер 0,1В;

максимально допустимый ток коллектора 0,8А;

максимально рассеиваемая мощность 0,5Вт;

статический коэффициент передачи тока h21э мин 50;

граничная частота коэффициента передачи тока fгр 300МГц.
При выбранных по рекомендации компонентах, необходимо проверить ток транзистора VT1 для необходимой работы светодиода.
10 1
12 10 1
4 2,5 0,1 0,005 5
12 13 270
Пит
VD
КЭ VT
R
VD
КЭ VT
U
U
U
U
I
I
А
мА
R
R










(5.1)
Для индикации работы модуля есть еще один вывод – STATUS. На нем появляется высокий уровень когда модуль находится в рабочем режиме.
5.2.6 Запуск GSM модема
Для «подтяжки» вывода PWRKEY (вывод 34) в схеме установлен резистор
R7. Его необходимо подключать к порту МК по схеме открытого стока. Модуль запускается при низком уровне импульса длинной не менее 1 сек. на ноге
PWRKEY (вывод 34). Для включения GSM-модуля опускаем уровень на время, не меньшее 1 с. После чего даем модулю запуститься в течение 2.2 с. Для подачи импульса рекомендуется использовать следующую схему [6]:
PWRKEY
PB1 13
+3,3B
R7
Рисунок 5.9
-
Запуск модуля

38
Для запуска модуля используем вывод РB1 микроконтроллера. Если снова подать импульс на эту ногу, то модуль выключится. Для выключения модуля необходимо «опустить» уровень на время от 1 до 5 с.
Резистор R7 включаем в схему по рекомендации компании производителя
«Simcom» равным 10кОм [6]. В качестве резистора R7 выберем SMD-чип
1206-0,25-10 кОм.
5.2.7 Отладка модуля
Для отладки модуля в схеме установлен двухканальный драйвер RS-232 для подключения к компьютеру, данный драйвер также используется для связи микроконтроллера с компьютером для конфигурирования системы с помощью сервисного программного обеспечения [7]. В память системы заносятся номера телефонов пользователей, имеющих доступ к данному объекту, а также номер телефона мастера, обслуживающего систему. С номера мастера можно удалённо при помощи SMS-сообщений добавлять и удалять пользователей в случае, если нет возможности подключить для этого компьютер. Контроллер может быть подключен к электромагнитным замкам, приводам открывания дверей, или другим исполнительным устройствам.
Цепь
Конт.
DBG_TXD
DBG_RXD
1 2
Общий
3
XT1
DD4 15 10 9
1 7
8
C1-
R2in
T2out
R2out
T2in
Gnd
C1+
3
C2-
C2+
4 5
Vcc
16
V+
V-
2 6
C13
C15
C16
C14 14 13
R1in
T1out
11 12
R1out
T1in
IOS
Цепь
Конт.
TXD
RXD
1 2
Общий
3
XT2
+3,3В
GPS-модуль
МК
Рисунок 5.10
-
Драйвер MAX-3232N

39