Modemy GSM

Wykorzystanie istniejącej infrastruktury sieci komórkowych, co celów transmisji danych i realizacji komunikacji między urządzeniami (M2M) zawsze było atrakcyjnym pomysłem technicznym. Ale dopiero od kilku lat możemy mówić o pełnej dostępności tych produktów na rynku, za którą odpowiada zarówno, dobre pokrycie sieci GSM jeśli chodzi o zasięg, spadek cen modemów jak i cen połączeń.

Stare wersje modemów umożliwiały transmisje danych w standardzie CSD z prędkością 9,6kbps, tak jak zwykłe telefoniczne modemy analogowe, co przy minutowej taryfikacji stosowanej przez operatorów było silnym bodźcem hamującym rozwój rynku. Drogie SMS-y blokowały rozwój usług telemetrycznych ograniczając zastosowania do zastosowań w aplikacjach takich jak ochrona mienia.

Skąd wynika duża popularność modemów GSM? Rafał Tutaj, Elmark Automatyka Modemy GSM cieszą się dużą popularnością głównie z uwagi na szeroko dostępną sieć komórkową. Na początku klientom wystarczała sygnalizacja za pomocą przesyłania sms-ów, potem wielu z użytkowników korzystało z przesyłania programów i prostego monitoringu poprzez wdzwanianie się do zdalnego urządzenia. Takie rozwiązanie było i jest bardzo pomocne przy systemach rozproszonych (oczyszczalnie ścieków, ujęcia wody itp.). Obecnie – z uwagi na szerszą dostępność usług – użytkownicy zwracają uwagę na możliwość komunikacji z wykorzystaniem GPRS. Taki transfer zapewnia większą prędkość przy zmniejszeniu kosztów utrzymania takiego połączenia. Dlatego też modemy GPRS stały się prawie standardowym wyposażeniem sterowników dostarczanych do instalacji bezobsługowych. Czy klienci szukają modemów pozwalających na większe szybkości transferu danych? Większe prędkości transmisji są ściśle związane z możliwościami samych sieci komórkowych. Wprowadzane aktualnie rozwiązania (jak EDGE) są dostępne jedynie w dużych miastach, gdzie zwykle dostępne są inne szybkie media. W jakich zastosowaniach nie warto korzystać z sieci GSM? Szerokopasmowe modemy radiowe pracujące na częstotliwości 2,4GHz są moim zdaniem idealnym rozwiązaniem dla rozległych terenowo zakładów przemysłowych, takich jak elektrownie, huty czy rafinerie. Przy dopuszczalnej prawnie mocy i wielkości anten można takimi modemami pokryć obszary o promieniu od kilku do kilkunastu kilometrów. Oferowane pasmo przesyłu pozwala na stosowanie konwerterów nie tylko z RS 232/485, ale i z sieci Ethernet. Generalnie tego typu połączenie jest zazwyczaj droższe niż w pozostałych dwóch pasmach 440 MHz i 900 MHz, ale – jak wynika z naszych doświadczeń – zapewnia lepszą jakość i niezawodność połączenia.

Dlatego oferowane dzisiaj na rynku modemy GSM bez wyjątku obsługują pakietową transmisję danych GPRS, co rozwiązuje problem z przepłacaniem za wysyłanie danych i pozwala na osiągnięcie większej szybkości przesyłu rzędu 30-80 kbps. Technologia HSCSD umożliwiające jednoczesną pracę za pośrednictwem 4 kanałów z szybkością 57kbps i ulepszona wersja transmisji pakietowej GPRS o nazwie EDGE zapewniająca blisko 0,5Mbps pozwalają na realizację łączności za pomocą sieci telefonii komórkowej o wydajności wystarczającej dla ogromnej grupy aplikacji, co widać po szybkości, z jaką rozwija się ten segment rynku. Potencjał drzemiący w rynku M2M dostrzegli również operatorzy, którzy wspierają aplikacje związane z transportem i logistyką, monitoringiem oferując sprzęt i dopasowane usługi itp.

Tabela 2. Zestawienie zbiorcze ofert polskich producentów i dystrybutorów radiomodemów i modułów do radiowej trensmisji danych

Typowy modem GSM/GPRS, jaki obecnie jest oferowany na rynku obsługuje wszystkie dostępne usługi telefonii, a więc transmisję głosu, SMS-y, faksy transmisję danych. Poza protokołami charakterystycznymi dla sieci GSM oprogramowanie sterujące modemem coraz częściej wspiera funkcje związane z Internetem, a więc protokół TCP/IP i powiązane usługi nadrzędne, takie jak protokół przesyłania plików FTP czy protokoły poczty elektronicznej POP3 i SMTP.

Urządzenia w obudowie komunikują się ze światem zewnętrznym za pośrednictwem interfejsu szeregowego RS232 lub uniwersalnego portu I/O pozwalającego na prostą integrację z urządzeniem nadrzędnym. O wiele większe możliwości dają moduły GSM/GPRS do zastosowań embedded, czyli mówiąc innymi słowami wersje bez obudowy przeznaczone do wbudowania w większe urządzenie. Producenci starają się w maksymalny sposób ułatwić konstruktorom integrację modułów z resztą urządzenia i wkładają wiele wysiłku, aby zminimalizować zasoby sprzętu potrzebne do obsługi komunikacji.

Modem GSM jest urządzeniem złożonym technicznie i w każdym przypadku zawiera zintegrowany „w sobie” mikroprocesor, pamięć i układy interfejsu zapewniające łączność ze światem zewnętrznym. Prosta aplikacja telemetryczna zawierająca np. czujnik temperatury spalin wypływających z wysokiego komina, w ogólnym przypadku wymaga użycia trzech elementów: sensora z układem kondycjonowania sygnału, modułu komunikacyjnego i mikroprocesora przesyłającego w odpowiednich interwałach czasowych dane z czujnika do modułu komunikacji.

Taki naturalny sposób konstrukcji charakteryzuje się niepotrzebnym skomplikowaniem, gdyż w wielu prostych, a nawet średnio skomplikowanych zastosowaniach, wydajność wewnętrznego procesora w modemie jest całkowicie wystarczająca do obsługi takich podzespołów. Przykładowy czujnik można więc podłączyć bezpośrednio do modułu GSM korzystając z dostępnych w nim portów I/O i procesora i pamięci Flash, jak również przetworników analogowo-cyfrowych, interfejsów USB, SPI, I2C.

Jakie przesłanki wpływają na akceptację standardu Zigbee przez przemysł? Jakub Husarzewski, menadżer produktów Automatyzacja skomplikowanych procesów technologicznych wymaga zwiększenia liczby punktów monitorowania. Rośnie także znaczenie zdalnego monitoringu domów, magazynów, ulic, urządzeń AGD. Proces ten wymaga niewyobrażalnej liczby czujników, połączonych ze sobą w sieci o rozłożonej inteligencji i zapewnienia bezprzewodowej wymiany danych i standaryzacji protokołu. Założenia te w warunkach przemysłowych najlepiej spełnia ZigBee. Zainteresowanie rynku tym standardem zwiększa fakt utworzenia stowarzyszenia ZigBee przez takich potentatów jak m.in. Philips, Motorola, Siemens, Mitsubishi. Co więc wyróżnia ZigBee? Podstawowa cecha to gwarantowana transmisja ze stałą szybkością do 250kbps. Ponadto ZigBee zapewnia niski pobór prądu – wystarczy, że urządzenie się zaloguje do sieci i może wyłączyć nadajniki do momentu, kiedy będzie miało coś do „powiedzenia”. Znakomicie wydłuża to czas pracy urządzeń bateryjnych i rozwiązuje pośrednio problem zasilania rozrzuconych punktów pomiarowych. Najbardziej rewolucyjną cechą ZigBee jest jednak możliwość pracy w sieci typu MESH. Oznacza to, w sytuacji, gdy wybrana droga przesyłu informacji staje się niedrożna (zakłócenia lub awaria), sieć ma zdolność do automatycznej rekonfiguracji połączeń między punktami tak, aby mimo problemów przekazać informację. Jakie są problemy ograniczające szybkie upowszechnienie się tego standardu? Jak na razie w ZigBee zdefiniowano tylko najniższe warstwy protokołu, dlatego każdy producent sprzętu wykorzystującego ten sposób wymiany informacji zmuszony jest opracować własne algorytmy wyższych warstw, a w konsekwencji urządzenia różnych producentów mogą nie być w stanie współpracować ze sobą. Prawdziwy wysyp urządzeń ZigBee nastąpi w momencie, gdy zdefiniowane zostaną standardowe profile pracy urządzenia tak, aby urządzenia dowolnych producentów były w stanie się komunikować między sobą.

Wsparcie producentów modemów dotyczy również oprogramowania, gdyż żadna z firm stara się nie zmuszać do pisania oprogramowania w asemblerze dla procesora ARM. Oprogramowanie tworzy się albo w językach wysokiego poziomu, np. w C lub Java lub też za pomocą skryptów i makropoleceń upraszczających do minimum nakład pracy, jaki jest konieczny do przygotowania programu sterującego.

W niektórych konstrukcjach modemów GSM producenci idą jeszcze dalej tworząc otwarte konstrukcje pozwalające na wgranie systemu operacyjnego, także czasu rzeczywistego (RTOS). Zmiany te powodują, że modem GSM nie tylko traci charakter specjalizowanego urządzenia peryferyjnego odpowiedzialnego za komunikację, ale staje się centralnym elementem aplikacji realizującym większość funkcji użytkowych. Modemy GSM integruje się także z odbiornikami GPS. Połączenie to jest naturalne dla większości aplikacji związanych z logistyką w transporcie, systemami bezpieczeństwa w pojazdach i podobnych aplikacji mobilnych.

Zastosowania opisywanych modemów obejmują ogromną liczbę aplikacji, z których najprostsze obejmują systemy powiadomienia o zdarzeniach za pomocą SMS-ów, urządzenia monitoringu i zdalnego sterowania, automaty sprzedaży, rozproszone systemy pomiarowe i telemetryczne. Bardziej złożone aplikacje związane są z transportem (przesyłanie informacji o pozycji, monitorowanie stanu, śledzenie przesyłek, aktywacja systemów alarmowych w pojazdach), elektroniczną bankowością (terminale płatnicze, bankomaty) rozliczaniem zużycia mediów. Warty odnotowania jest silny trend miniaturyzacji – najnowsze moduły GSM zostały tak zminiaturyzowane, że rozmiarami niewiele przewyższają obudowy większych układów scalonych, co sprzyja integracji i kreuje nowe aplikacje.

Popularność modemów GSM na rynku widoczna jest także w dużej liczbie firm, jakie oferują te produkty, do której dołączają z czasem kolejni dystrybutorzy. Wśród dostawców można wyróżnić dwie grupy, z których pierwsza obejmuje producentów gotowych urządzeń komunikacyjnych, a druga dostawców modemów OEM.

Przykładową firmą z pierwszej grupy jest AB-Micro – producent urządzeń i oprogramowania do bezprzewodowych systemów zdalnych pomiarów, rejestracji, monitorowania, sterowania, diagnostyki i lokalizacji. Oferowane urządzenia są zorientowane na zastosowania telemetryczne, z zapewnieniem swobodnej, zdalnej konfiguracji i programowania przez użytkownika jak również łatwej integracji poprzez standardowe interfejsy i protokóły z systemami SCADA, systemami gromadzenia, przetwarzania i analizy danych.

Obok wykonań standardowych na szynę DIN firma oferuje moduły bateryjne o zminimalizowanym zużyciu energii, odporne na trudne warunki środowiskowe. Podobną ofertę ma Biatel - producent inteligentnych sterowników komunikacyjnych CellBOX przeznaczonych do monitoringu sieci wodociągowych, energetycznych, gazowniczych i systemów płatniczych. Grupa dostawców modemów do wbudowania jest znacznie bardziej liczna. Obejmuje ona firmy takie jak Elhurt, który jest dystrybutorem Siemensa, Euro Elektronika - dystrybutora firmy Telit Communications, Macropol i Elproma, które oferują modemy firmy Motorola oraz szereg innych firm, które zostały wymienione w tabeli 1.