Własności modułów GSM/UMTS ukierunkowane na pracę w aplikacjach M2M

Rys. 1. Działanie systemu CellLocate

Technologia GSM to popularne medium komunikacyjne w urządzeniach M2M, które wymagają jednak spełnienia kluczowych, ale często trudnych do pogodzenia założeń, zwłaszcza w przypadku modułów GSM.

Minimalizacja ryzyka biznesowego związanego np. ze zniknięciem danego produktu (albo wręcz producenta) z rynku, brakiem powtarzalności dostaw czy kompatybilności przyszłych wersji - stała się dla producentów urządzeń M2M równie ważna jak cena, niezawodność czy parametry techniczne. Na rynku pojawili się producenci specjalizujący się w dostawach podzespołów używanych w aplikacjach M2M, których zarówno portfolio, jak i długofalowe plany produkcyjne, uwzględniają właśnie wymagania tego segmentu, w odróżnieniu od masowego, szybkozmiennego rynku konsumenckiego.

Najbardziej popularne zastosowania - takie jak systemy alarmowe, zarządzanie flotą pojazdów, zdalny odczyt liczników, lokalizacja osób - nie wymagają skomplikowanej komunikacji, a ich wytwórcy cenią efektywne wsparcie producenta, od swoich inżynierów oczekują szybkiego opracowania nowych i niezawodnych urządzeń oraz zwiększenia ekonomiki produkcji.

Potrzeby rynku to miniaturyzacja i ograniczanie poboru energii oraz pewność, że raz zaprojektowane i certyfikowane urządzenie będzie produkowane przez lata, bez konieczności dokonywania korekt wynikających np. ze zmian w dostępnym portfolio podzespołów, na co wielu producentów modułów GSM nie zwraca należytej uwagi, skupiając się na aspektach technicznych.

Poszukiwane są pewne w działaniu, proste w zabudowie i niedrogie moduły GSM/GPRS, ale nowoczesne i wyposażone - oczywiście bez zwiększania ceny - w przydatne do danej aplikacji funkcjonalności, takie jak CellLocate, Jamming Detect, czy modem In-Band.

Poszukiwane funkcjonalności

Rys. 2. Moduł GSM serii LEON

Funkcja CellLocate - (rys. 1) umożliwia uzyskanie informacji o współrzędnych geograficznych na podstawie danych z sieci GSM. Może być używana jako uzupełnienie działania odbiorników GPS i pozwala na estymację położenia w przypadku braku sygnałów z satelitów (w garażu, tunelu, wewnątrz budynków, w miejscach celowo zakłócanych).

W niektórych aplikacjach dokładność CellLocate jest wystarczająca, a rezygnacja z zastosowania odbiorników GPS przynosi dodatkową redukcję kosztów produkcji urządzenia. Implementacja samouczącej się bazy danych powoduje, że uzyskiwane dokładności systemu CellLocate będą z biegiem czasu coraz lepsze. Z kolei Jamming Detect - to detekcja próby zakłócenia komunikacji GSM przy użyciu jammera.

Funkcjonalność ta oczekiwana jest zwłaszcza przez producentów systemów zabezpieczeń i alarmów. Modem In-Band - to dodatek niezbędny w każdej aplikacji eCall. eCall to automatyczny system bezpieczeństwa, który będzie wkrótce montowany we wszystkich nowych samochodach sprzedawanych na terenie Unii Europejskiej (podobny system w Rosji nazwano ERA Glonass, jest on także zgodny protokołem In-Band).

System aktywuje się w razie wypadku, nawiązuje połączenie z centrum ratowniczym i podaje podstawowe informacje m.in. o położeniu pojazdu. Ze względu na masowe zastosowanie systemu eCall w niedalekiej przyszłości, już teraz lawinowo rośnie zapotrzebowanie na urządzenia z nim kompatybilne.

Jak widać, proste wydawałoby się moduły GSM mogą zawierać specjalizowane funkcjonalności, a wybór odpowiedniego dostawcy, zorientowanego na segment M2M, gwarantuje długi okres użytkowania produktu, który nie zestarzeje się technologicznie zbyt szybko.

Oferta u-blox

Rys. 3. Moduł HSPA+ LISA

Przykładem strategii producenta ukierunkowanego na rynek M2M jest portfolio znanej, szwajcarskiej firmy u-blox. Wystarczy przytoczyć najważniejsze parametry modułów GSM z serii LEON (rys. 2):

• kompaktowe wymiary (29,5×18,9×2,8mm)
• łatwość i ekonomia montażu (obudowa SMD, ale nie jest to BGA)
• niski pobór energii (0,99mA w trybie idle)
• szybki proces projektowania (efektywne wsparcie europejskiego producenta)
• brak ryzyka konfliktów prawnych (patenty)
• wysoka jakość i niezawodność modułów produkowanych w reżimie przeznaczonym dla rynku automotive
• stabilność - znany producent zapewniający powtarzalność dostaw i ciągły rozwój produktów
• bezpieczeństwo - prosta zmiana oprogramowania (firmware) poprzez interfejs UART lub zdalnie poprzez GPRS
• obsługa CellLocate, Jamming Detect, Modem In-Band itp.
• konkurencyjna cena

Równocześnie należy pamiętać o aplikacjach, w których podstawowe parametry to jednak zbyt mało. I kolejny raz tendencje rynku znajdują potwierdzenie w ofercie tego szwajcarskiego producenta. W aplikacjach wymagających zastosowania GPS zewnętrzny moduł GPS można połączyć bezpośrednio z LEON-em. U-blox, jako znany specjalista w zakresie GPS, oferuje także dodatkowe wspomaganie, wszystkie moduły GSM wyposażono w klienta usług Assisted GPS.

To niezwykle pomocna technologia polegająca na pobraniu danych z serwera producenta (u-blox) zamiast bezpośrednio z satelity. Niezmiernie ważna funkcjonalność, kiedy sygnał GPS jest słaby lub niedostępny (pomieszczenia, las, gęsta zabudowa, ukryta antena GPS) - wydatnie przyspiesza lokalizację i zmniejsza zużycie energii. W niektórych zastosowaniach moduł GSM i transfer poprzez GPRS nie wystarcza.

Zastępowany jest przez kolejne generacje standardu HSPA, a już spogląda się na jeszcze nowsze technologie jak np. LTE. I tutaj mamy do czynienia z kolejnym trendem na rynku - popularyzacją standardu 3.5G i wyższego 3.75G. Wciąż stosunkowo drogie moduły HSPA szybko tanieją, a technologia jest coraz szerzej dostępna i już w niedalekiej przyszłości ma zastąpić GSM/GPRS w Europie.

Zaletą jest zwłaszcza szybki transfer danych - 7.2Mb/s lub więcej. Wracając do u-bloxa - w ofercie znajdujemy moduły 3.75G (UMTS/HSPA+) serii LISA (rys. 3), czyli dopełnienie rodziny GSM/GPRS (LEON). Producent zachował wszelkie, wspomniane już wcześniej, ważne dla aplikacji M2M funkcjonalności, charakteryzujące moduł LEON.

W portfolio znajdują się wersje do aplikacji M2M i wymiany danych (bez obsługi transmisji głosu), co w przypadku wielu aplikacji, chociażby transmisja obrazu z kamery kontrolującej ruch drogowy, pozwala na dodatkową minimalizację kosztów. Co ważne - pomyślano o biznesowym bezpieczeństwie producentów urządzeń, którzy nie tylko nie muszą obawiać się, że moduły LEON znikną z rynku, albo ich kolejne wersje nie będą kompatybilne - to gwarantuje pozycja u-bloxa na rynku i polityka firmy.

Dodatkowo stworzono możliwość łatwego zaprojektowania płytki PCB w taki sposób, aby mógł być zastosowany zarówno moduł GSM, jak i wymiennie moduł UMTS/HSPA+ (rys. 4). Rozwiązuje to problem zachowania ciągłości produkcji nawet w przypadku konieczności stosowania technologii 3.75G w przyszłości. Pozwala także na unifikację urządzeń - jedna płytka PCB może być używana do wielu aplikacji, niezależnie czy w standardzie GSM czy 3G, co oczywiście wpływa na optymalizację kosztów.

Wybrać dostawcę

Rys. 4. Uniwersalny projekt płytki do zamontowania modułu GSM LEON, lub UMTS/ HSPA+ LISA

Wymagania producentów segmentu M2M są trudne do spełnienia przez dostawców komponentów przeznaczonych na rynek masowy. Zwłaszcza, jeśli chodzi o aspekty biznesowe - aplikacje M2M wymagają od producentów poważnych inwestycji, których zwrotu oczekuje się po dłuższym czasie, bez ponoszenia dodatkowych wydatków na zmiany w projektach.

Dotyczy to w szczególności modułów GSM - spełniających kluczową rolę w urządzeniach M2M. Tylko niektórzy dostawcy zapewniają najnowsze funkcjonalności, rozwój technologiczny, oraz ciągłość dostaw - także w przyszłości, oraz w rozumieniu kompatybilności kolejnych wersji modułów, które nie będą wymagać zmian w projektach.

Odpowiedni dobór dostawcy modułów GSM ma ogromny wpływ na długoterminową rentowność przedsięwzięcia, a aspekty biznesowe zostały już na dobre wpisane na listę parametrów, jakimi powinny charakteryzować się moduły GSM przeznaczone do użycia w aplikacjach M2M.

Robert Panufnik
Microdis Electronics
www.microdis.net