Подключение GSM модуля на примере SIM800 к Arduino

О правильном подключении GSM модема SIM800L или по чему не работает модем с Arduino.

Особенности SIM800:

  • Четырехдиапазонный GSM/GPRS модуль, 850/900/1800/1900 МГц
  • В зависимости от версии модема, интерфейс USB для обновления программного обеспечения, UART, FM-radio, Bluetooth, PCM
  • Управление AT командами
  • Встроенный стек TCP/IP, UDP/IP, Протоколы HTTP, FTP, Email, PING, MMC
  • Определение местоположения по базовым станциям.
  • Декодирование и формирование DTMF-тонов
  • Воспроизведение аудиофайлов локально и в сторону удаленного абонента

800 серия или что означает буква в конце:

Не только тип корпуса, хотя это основное различие. SIM800A, как и SIM800F, электрически совместим с популярным, но уже снятым с производства SIM900 и предназначен для его замены, SIM800C выполнен в корпусе с возможностью ручного монтажа, LGA монтаж, имеет на борту bluetooth, SIM800L для поверхностного монтажа и имеет на борту FM радио. Программно они полностью совместимы.


Как подключить к Arduino:

Питание:

Диапазон напряжение питания SIM800 (не китайского модуля на SIM800, а модема) составляет от 3,4 до 4,4 В. Рекомендуемое напряжение 4,0 В. Модем рассчитан на батарейное питание от одной Li-Ion банки, напряжение 5 вольт не допустимого, попытки запитать модем от 5 вольт приводит к тому, что модем выключается (уходит в защиту).

Источник питания должен обеспечивать достаточный ток, не менее 2А. Потребляемый ток модема зависит от режима его работы, максимальный пик потребления происходит при включении модуля и соединении с базовой станцией. На вход VBAT настоятельно рекомендуется подключать конденсатор большей емкости с низкий ESR. Потребление электричества не линейное, происходит короткими импульсами, в эти моменты важно не допустить проседания напряжения питания ниже 3,0 В.

В документации на модем, для получения заветных 4,0 вольт, рекомендуют использовать линейный стабилизатор с низким падением напряжения MIC29302 либо более распространенный DC-DC преобразователь LM2596, схема включения выше. Подойдет и MP1584EN, главное напряжение в приделах от 3,4 до 4,4 В и достаточный запас мощности. Плохая идея брать питание от USB, либо выхода 5 вольт ардуино, в этом случаи добиться стабильной работы модема, будет практически не возможно.

Логические уровни и UART:

Как и питание, у модема не стандартный логический уровень 2,8 В, что добавляет веселья. При попытки подключить что либо к 5 или 3,3 вольтовой логике, модем выключается.

Включение модема и PWRKEY:

Например чтобы включить модем, необходимо на ногу PWRKEY модема подать логический 0, тоесть соединить с массой.

В документации предлагают использовать транзисторный ключ, чтобы избежать возможность попадания высокого для модема напряжение 5 вольт на вход.

На китайских модулях о согласовании уровней не заботятся, часто выход PWRKEY выводят на колодку без транзистора, либо соединятся с массой на самом модуле, в этом случаи модуль включается при подачи питания, что не является верным и лишает возможности программного управления питанием модема с микроконтроллера.

Временные интервалы включения показаны на графике выше, включать модуль ногой PWRKEY следует по прошествии 0,5 секунд после подачи питания на ноги VBAT, а добиться ответа на команды по UART, можно не раньше трех секунд после включения.

UART:

Выходы TX и RX также должны быть согласованны, подключение модема к 5 вольтовой ардуино без согласования может вывести его из строя, хотя обычно модем поругавшись на «овервольтаж» выключится.

Один из вариантов согласования из документации, обратите внимание на выход VDD_EXT, на этом выходе модем формирует напряжение 2,8 вольт, предназначенное для периферийных устройств.

Другой вариант, рекомендуемый для 5 вольтовых уровней, конвертировать при помощи транзисторов, схема включения аналогична дешевым китайским конвертерам в виде модулей для ардуино.

Подобным решением можно воспользоваться только при проектировании устройств на SIM800, т.е. не используя готовые китайские модули для ардуино, на которых не озаботились вывести выход VDD_EXT на колодку.

Согласовать уровни можно делителем напряжения на двух резисторах, в этом случаи не понадобятся дополнительные напряжения и выход VDD_EXT, но данный способ увеличивает нагрузку на порт и может не стабильно работать на высоких скоростях UART интерфейса.

Правильным решением будет использовать модули с уже установленным на плате конвертером логических уровней, но про разновидности модулей ниже.


Разновидности китайских модулей:

Модуль на SIM800C с минимальной обвязкой. Отсутствует конвертер уровней UART интерфейса, фильтры, стабилизатор питания. Самый популярный, дешевый и малогабаритный.


Аналогичный китайский модуль на SIM800L


Этот модуль уже поинтереснее, есть конвертер уровней (на плате два транзистора 2n7002) два включенных последовательно диода, чтобы снизить напряжение питания 5 вольт до положенных модему 4.2 вольта, решение сомнительное но самое дешевое. Выведена нога для антенны встроенного bluetooth. Все еще отсутствуют фильтры в аналоговой части

Существует аналогичный модуль с тойже распиновкой, но за место конвертера уровней, стоит стабилизатор напряжения питания на DC-DC преобразователе MP1584EN. Странное решение.


Этот мало чем отличается от модулей выше, есть конвертер уровней, есть два диода чтобы снизить напряжение питания 5 вольт до положенных модему 4.2 вольта, к сожелению отсутствуют голосовые функции! возможно будет удобней в подключении, есть крепежные отверстия.


Вот, это уже чтото… Линейный стабилизатор напряжения питания MIC29302, конвертер логических уровней, на плате bluetooth антенна и SMA разъем для GSM антенны, Отсутствуют фильтры на аналоговой части.

Shield от Keystudio, вот это то как должно быть, есть возможность использовать внешнее питание и питание от ардуино, линейный стабилизатор питания MIC29302, фильтры в аналоговой части и джек для подключения гарнитуры, ионистор для часов, вывели даже USB. Один недостаток, цена…


Все таки как подключать к Arduino:

А что подключать и к чему? разновидностей модулей десятки, версий ардуино плат тоже. Я не рекомендую использовать плату Arduino UNO, как и любую другую с ATmega328, совместно с библиотекой SoftwareSerial для работы с модемом, возможно данная связка подойдет для проверки работы модема и отладки, но в устройствах стабильной работы добиться практически не возможно.

Модем общается с микроконтроллерам по средствам UART интерфейса, на UNO единственный аппаратный UART отдан для перепрошивки платы и «монитор порта», это принуждает использовать библиотеку SoftwareSerial.h которая не может нормально переварить поток с модема. Правильным решением будет использовать плату с несколькими аппаратными UART интерфейсами, например Arduino Leonardo, Arduino Mega.


В случаи с Arduino Leonardo и аппаратным UART:

Не простой случай с дешевым модулем на SIM800L, тут нужен отдельный стабилизатор напряжения питания на 4,0 В, нужно согласовывать логические уровни с ардуино при помощи резистивного делителя напряжения, ибо по другому согласовать не получится.

Чуть проще с подобными модулями, где конвертер уровней установлен на плате. Только не забываем дать питание и для конвертера.


Управление модемом:

Общение с модемом происходит при помощи АТ команд, в модем отправляется команда в текстовом виде, а после выполнения команды модем возвращает ответ, самая простая команда «AT» ответ на нее «OK«, служит для проверки соединения с модемом. Список всех доступных команд и возможных ответов можно посмотреть в документации на модем.

Для управления модемом через «монитор порта» в ардуинку нужно залить пример, который транслирует данные из «монитора порта» в UART к которому подключен модем. Убедитесь в правильной скорости UART интерфейса, в настройках модема, скорость порта может отличатся от 9600.

  
void setup() {
  // initialize both serial ports:
  Serial.begin(9600);
  Serial1.begin(9600);
}

void loop() {
  // read from port 1, send to port 0:
  if (Serial1.available()) {
    int inByte = Serial1.read();
    Serial.write(inByte);
  }

  // read from port 0, send to port 1:
  if (Serial.available()) {
    int inByte = Serial.read();
    Serial1.write(inByte);
  }
}


В случаи с Arduino UNO и SoftwareSerial.h :