GSM модуль охранной сигнализации

Данный проект представляет собой "базу" для сборки различных устройств IoT назначения. То есть функционально можно использовать для изготовления системы сбора  телеметрии, реализовать выгрузку данных напрямую на сайт (используя GPRS в модуле SIM800).В данном случае показана реализация в качестве GSM охранной системы.

Требования изначально предъявляемые к устройству: доступность деталей, небольшое количество деталей для сборки, возможность в дальнейшем расширять функциональность устройства. Для сборки контроллера были выбраны следующие основные элементы: основной микроконтроллер устройства mega328p, GSM модуль SIM800L, модуль трансивера 2.4ГГц NRF24L01 (или разновидность этого модуля NRF24L01+PA+LNA) в том числе для датчиков и пульта, для беспроводных датчиков и пульта контроллер mega48PA. Для всех микроконтроллеров предполагается тактирование от внутреннего генератора 8Mhz, делитель частоты DIV8 должен быть отключен (учитываем это при прошивке битов контроллеров!).

Немного информации по используемым компонентам:

- GSM модуль SIM800L

Один из самых доступных на рынке, управление осуществляем в режиме AT команд (USART). Ниже указана распиновка модуля. Для управления мы будем использовать только пины TXD / RXD (USART)

 

 

 

 

 

 

 

Характеристики:

Питание:
-напряжение, В
номинальное 4
диапазон 3,7–4,8
-ток
в режиме ожидания 0,7 мА
предельный 2000 мА
Максимальное напряжение высокого уровня интерфейса UART 2,8 В
Скорость UART 1200–115200 бод
Четыре диапазона EGSM900, DCS1800, GSM850, PCS1900
Мощность передачи в различных диапазонах
DCS1800, PCS1900 1 Вт
GSM850, EGSM900 2 Вт
Автоматически выполняет поиск в четырех частотных диапазонах
Поддерживает сеть 2G
Сопротивление подключаемого динамика 8 Ом
Микрофон электретный
Управляется командами AT через UART (3GPP TS 27.007, 27.005 SIMCOM enhanced AT Commands)
Автоматическое определение скорости передачи управляющих АТ команд
Отправка и получение GPRS данных (TCP/IP, HTTP, и т.д.)
Макс скорость передачи GPRS данных 85,6 Кбод
Кодирование CS-1, CS-2, CS-3 и CS-4
Поддерживает GSM 07.10 протокол
Поддержка пакетной передачи широковещательного канала управления (PBCCH) CSD на скоростях 2.4, 4.8, 9.6 и 14.4 Кбод
Поддержка неструктурированных данных дополнительных услуг USSD
Поддерживает PAP ( протокол идентификации пароля)
Поддержка часов реального времени RTC
Поддерживает симкарт питанием 3 и 1,8 В
Размеры 25 х 25 мм

- Модуль трансивера NRF24L01

Для передачи данных от датчиков и пульта и приема сигналов на базовой станции используем модули NRF24L01.  Управление осуществляется по интерфейсу SPI.

Технические характеристики

Модуль nRF24L01

 

 

 

 

 

Напряжение питания: 1,9В – 3,6В (рекомендуемая 3.3В);

Интерфейс обмена данными: SPI;

Частота приёма и передачи: 2,4 ГГц;

Количество каналов: 128 с шагом 1МГц;

Тип модуляции: GFSK;

Скорость передачи данных: 250kbps, 1Mbps и 2Mbps;

Чувствительность приёмника: -82 dBm;

Расстояние приёма/передачи данных: 100м – прямая видимость; 30м – помещение;

Коэффициент усиления антенны: 2dBm;

Диапазон рабочей температуры: -40оС…+85оС;

Модуль NRF24L01 + PA + LNA

 

 

 

 

На  модуле NRF24L01+PA+LNA установлен разъем SMA с внешней антенной. Данный модуль оснащен специальным чипом RFaxis RFX2401C (в корпусе QFN), который объединяет схемы коммутации PA и LNA (передачи и приема). Этот микросхема со вместо а антенной позволяет достичь значительно большего диапазона передачи около 1000 м.
«PA» означает усилитель мощности (Power Amplifier), он увеличивает мощность сигнала, передаваемого от чипа nRF24L01. В то время как «LNA» означает усилитель с низким уровнем шума (Low-Noise Amplifier). Работа LNA состоит в том, чтобы принять чрезвычайно слабый и неопределенный сигнал от антенны (обычно порядка микровольт или ниже -100 дБм) и усилить его до более полезного уровня (обычно от 0,5 до 1 В).

Потребляемый ток при передачи 2 Мбит: 115 мА
 Максимальная выходная мощность: +20dBm
 Частота: 2.4 ГГц
 Коэффициент усиления антенны (макс.): 2dBi
 Скорость передачи: 2MB (открытое пространство): 520 м.
 Скорость передачи: 1 MB (открытое пространство): 750 м.
 Скорость передачи: 250 Kb (открытое пространство): 1000 м.
 Размеры: 46мм x 17мм x 12мм (длина антенны 115 мм)

!Распиновка обычного и усиленного модуля одинакова (NRF24L01 + PA + LNA)

Описание алгоритма работы устройства

Функционально схема работы устройства выглядит следующим образом:
- Основной контроллер проверяет готовность модуля SIM800 и регистрацию SIM в сети, уровень сигнала, сигнализирует о готовности (загорается светодиод готовности)
- Основной контроллер ожидает получения команд от пульта и датчиков для дальнейших действий. Если устройство не включено в состояние защиты (активное состояние) то реакции на работу датчиков не будет. Это нужно чтобы не получать уведомления пока система не взведена в состояние защиты.
- При нажатии кнопки на пульте система защиты включается / выключается. При включении постоянно горит светодиод "активной защиты".
- Как только система "взведена в активное состояние" основной контроллер при срабатывании датчиков будет выполнять вызов на телефон. Данные телефона можно многократно записывать / обновлять, используя кнопку программирования на основном модуле. Для этого достаточно нажать кнопку и позвонить на номер установленной SIM карты. После этого данные номера сохранятся в EEPROM устройства (mega328p). Выключаем и включаем повторно устройство после программирования (данные обновляются при старте устройства).
- Пульт ДУ и датчики имеют автономное питание (LiPo батарея или алкалиновая 23A). В неактивном состоянии модули не потребляют энергии (цепь питания разомкнута). На пульте ДУ цепь питания замыкается кнопкой после чего сигнал передается на базовый блок (включение/выключение защиты). На модуле датчика установлен переключающий геркон в паре с магнитом, который замыкает цепь питания при срабатывании (открытии объекта). После передачи сигнала микроконтроллеры, чтобы минимально расходовать питание (датчик и ДУ), переключаются в режим Power Down, трансивер NRF24L01 также переключается в режим пониженного потребления питания.
- Состояние тревоги передается звонком на записанный номер телефона для максимально быстрой реакции системы охраны. Если уведомлять SMS или передачей данных на сайт (GPRS / HTTP соединение / передача данных на сайт) издержки и дополнительные риски могут быть выше. Добавить такие функции можно отдельной прошивкой основного контроллера, представленная версия будет уведомлять только звонками.

Схема основного контроллера

Схема максимально простая, включает микроконтроллер mega328p, модуль GSM SIM800, модуль трансивера NRF24L01

Сразу скажу, что существует 2 варианта данной схемы: с контроллером питания 5В->3.7..4.2В LM317 на плате и вариант непосредственно с внешним питанием от блока или батареи 3.7... 4.2В (без LM317 на плате). Для модуля с питанием от блока 5В (я использовал модуль 2А, не рекомендуется модуль менее 1А при питании SIM800). Модуль с регулятором LM317 питается непосредственно от блока 5В (разъем USB mini на плате). Ниже схема указана с учетом цепей питания LM317. Напряжение на выходе цепи LM317 должно быть 3.7...4.2В Для управления NRF24L01 используется интерфейс SPI, модуль SIM800 управляется по интерфейсу USART. Для записи номера телефона в EEPROM предусмотрена кнопка (PINC.3). Также можно вручную записать в EEPROM данные без кнопки начиная с 0 адреса в формате номера +7XXXXXXXXX, для отладки я первоначально прописывал данные через программатор. При получении сигнала от пульта ДУ загорается светодиод готовности LED1.

 

  

Схема пульта дистанционного управления

Пульт выполняет единственную команду включения / выключения активной защиты. При выключенной защите сигналы от сенсоров открытия игнорируются. Модуль построен на микроконтроллере mega48PA и трансивере NRF24L01. Цепь питания замыкается кнопкой. Биты микроконтроллера должны быть прошиты на частоту 8Mhz (без делителя). Для питания модуля можно использовать миниатюрную батарею LiPo 3.7В (и даже элемент типа CR2032 / CR2056 и тп) или алкалиновую батарейку 12В. Для защиты питания микроконтроллера и трансивера установлен регулятор типа AMS1117 3.3В чтобы гарантировать питание схемы во всех случаях 3.3В (LiPo может иметь напряжение 4.2 и даже  чуть выше)

 

 

Схема сенсора (беспроводной датчик открытия)

 

Датчик выполняет передачу команды тревоги при включении питания. После этого переключается в режим пониженногопотребления энергии (на случай если объект открыт после срабатывания датчика).  Модуль построен на микроконтроллере mega48PA и трансивере NRF24L01.  Для управления питанием используется геркон (переключающий) в паре с магнитом. Цепь питания замыкается при разъединении блока датчика от магнита.  Биты микроконтроллера должны быть прошиты на частоту 8Mhz (без делителя). Для питания модуля можно использовать миниатюрную батарею LiPo 3.7В или алкалиновую батарейку 12В (я использовал батарейку 12В). В модуле установлен регулятор типа AMS1117 3.3В чтобы гарантировать питание схемы во всех случаях 3.3В.

Монтаж датчика открытия выгладит примерно таким образом (в левой части магнит). Модули легко крепятся термоклеем к любой поверхности. Для размещения модулей ДУ и датчиков я использовал корпуса пластиковые 45x30x25 (Gainta Industries G453025B, Корпус для РЭА 45х30х25мм).

 

 

 

Еще несколько фото плат /  блоков в сборе

 

 

 

 

 

 

 

модуль с регулятором LM317 на плате и разьемом USB mini