Принципы построения систем контроля удаленных объектов на базе GSM-канала

Бахмутский А.А., Волков С.В. , Сазыкин П.А. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ ОЭМ-КАНАЛА

Развитие систем сотовой связи и ее доступность широким слоям населения позволяют создавать гибко настраиваемые системы контроля и управления на базе сотового GSM-канала. Подобные системы уже применяются для охраны квартир, офисов, гаражей, дач, складских помещений и автомобилей, а также для управления удаленными объектами [1,2,3]. Рассмотрим основные отличительные особенности и достоинства таких систем. Во-первых, это низкие цены на трафик (сотовая связь доступна широким слоям населения). Во-вторых, огромные зоны охвата (ни одна обычная радиосистема не могла и не сможет покрыть подобные пространства, т.е. охранное предприятие практически не имеет территориальных ограничений для оказания услуг дистанционной охраны). В-третьих, простота использования (передатчик находит сеть практически везде - об этом оператор сотовой связи уже позаботился). Кроме того, сразу предусмотрены дополнительные сервисы (сопутствующие сервисы сотовой связи, такие как SMS, позволяют оказывать дополнительные услуги, дистанционная охрана выходит на новый качественный уровень). Еще один плюс - относительно невысокая себестоимость системы.

Обобщенная структурная схема (рис. 1) реализации системы контроля удаленных объектов на базе GSM-канала содержит:

мобильный телефон (в качестве радиостанции GSM); датчики и исполнительные устройства;

контроллер, осуществляющий обмен данными с мобильным телефоном, опрос состояния датчиков и управление исполнительными устройствами;

DTMF-декодер для дистанционного управления исполнительными устройствами.

Датчики

^Т-команды

Котроллер

-\

V

Исполнительные

устройства

DTMF-сигнал

DTMF

декодер

Рис.1

При срабатывании какого-либо датчика устройство (рис. 1) дозванивается и\или рассылает SMS-сообщения по списку телефонов, предварительно записанному в SIM карте, через сеть сотовой связи GSM. Устройство может контролировать состояние подключенных датчиков и управлять выходами для исполнительных устройств.

В текст отсылаемого сообщения могут быть включены GPS данные. В любой момент вы можете получить информацию о состоянии датчиков на объекте, о состоянии подключенных к системе исполнительных устройств. Если пропадет напряжение в сети, система и датчики перейдут на питание от встроенного аккумулятора, вы получите уведомление SMS-сообщением. Микрофон используемого мобильного телефона позволит прослушать ситуацию на контролируемом объекте и, при необходимости, возможно включить громкую связь. Посредством встроенных ключей, контроллер может коммутировать электрические цепи по команде владельца (DTMF сигналы), SMS команде или автоматически, по совокупности событий.

В качестве радиостанции GSM, из соображений минимальной стоимости и доступности, выбирается мобильный телефон стандарта GSM, например, модель фирмы SIEMENS x55, x65, x75. Телефоны указанных модельных рядов снабжены 12-ти пиновым разъемом для подключения аксессуаров, и имеют возможность обмена данными (управления) по последовательному интерфейсу (с уровнями, близкими к уровням TTL) . Назначение выводов разъема приведено в таблице 1.

Таблица 1

Номер вывода (Pin №) Наименование (Name) Направление сигнала (IN/OUT) Назначение

1 POWER - Зарядка аккумулятора

2 GND - Общий провод

3 TXD O Линия передачи данных к внешнему устройству

4 RXD I Линия приема данных от внешнего устройства

5 CTS I Проверка кабеля

6 RTS I Готовность к приему данных

7 DCD I/O Сигнал "несущей" на линии

8 STEREO L O Левый звуковой стереоканал

9 GND - Общий звуковой для гарнитуры

10 STEREO R O Правый звуковой стереоканал

11 GND MIC - Общий провод микрофона гарнитуры

12 MICEA AC I Сигнальный провод микрофона гарнитуры

В качестве датчиков, в зависимости от назначения устройства, могут применяться любые пассивные или активные датчики, согласованные по выходу с уровнями TTL (датчики охранных систем, систем пожарной сигнализации и т.д.). Исполнительные устройства: приборы звуковой и световой сигнализации, системы пожаротушения, различного рода системы управления механизмами.

Основу устройства составляет контроллер, который может быть реализован, например, на базе микроконтроллера фирмы ATMEL AT90S2313 [4]. Данный чип содержит достаточные для решения основных задач объе-

мы ПЗУ и ОЗУ, а так же снабжен встроенным последовательным портом, имеет два внешних прерывания и широкий спектр функциональных возможностей. Запись управляющей микропрограммы осуществляется путем непосредственного подключения выводов микроконтроллера к LPT-порту компьютера. Для расширения функциональных возможностей устройства (увеличения количества подключаемых датчиков и исполнительных устройств) в

качестве контроллера можно использовать микротоковую ПЛИС, например, фирмы XILINX серий CoolRunner XPLA3 или CoolRunner-II.

GSM-телефоны, в т.ч. и указанные выше модели SIEMENS, по умолчанию общаются с внешними устройствами по определенном протоколу, который известен как «BFB» [5]. Согласно этому протоколу, каждая команда-посылка имеет структуру:

[type] [len] [chk] [data] <CR>,

где:

- параметр [type] определяет тип команды (тип данных в поле [data]), например:

0^01 последовательность данных для смены интерфейса и скорости обмена;

0^02 отдельные байты, используемые для соединения и загрузки данных;

0^05 нажатие клавиш телефона;

0x06 посылка AT- команды;

0^14 блокировка записи-чтения внутреннего ПЗУ EEPROM;

- параметр [Len] - содержит количество следующих байт поля [data], включая символ <CR> (значения от 1 до 32 максимум) ;

- параметр [Chk] - своеобразная контрольная сумма, равная результату сложения «по модулю два» первых

двух параметров: [Chk]=[type] XOR [len].

На каждую правильно сконфигурированную команду процессор телефона выдает ответ-отклик определенного формата, команды с ошибками формирования (например, ошибки в байтах длины или контрольной суммы) игнорируются. Функционал АТ-команд, применяемых для управления встроенными контроллерами сотовых телефонов определен стандартом ETSi 07.07 [6]. Их конкретизированный перечень для телефонов SIEMENS приведен в

документации фирмы, например в [7]. Легко просматривается почти полная аналогия с АТ-командами, используемыми для управления телефонными модемами передачи данных. Изучение форматов ответных сообщений процессора телефона на посылаемые команды можно провести опытным путем, - при подключении телефона (через преобразователь уровней на ИС МАХ232) к последовательному порту компьютера. При этом используется обычная терминальная программа, например, Hyper Terminal или AT command scanner. На рис. 2 показан пример выполнения телефоном SIEMENS A60 АТ-команды : <ATD112;> (позвонить по номеру 112). В подтверждение выполнения команды телефон отвечает <ОК>, а по окончании вызова <N0 CARRIER>.

Hiiu.ii'iii.Mii.imiii-Ufc.ii   -inixi

Single Command j Command Scan | Script | Options | Info |

Command Commands

|ATD112; 2І

ATI

|  Send :| AT+CPBS=?

OK AT+CPBW=? ATD112;

NO CARRIER 0x41 0x54 0x44 0x31 0x31 0x32 ОхЗВ 0x4F 0x4B

0x4E 0x4F 0x20 0x43 0x41 0x52 0x52 0x49 0x45 0x52 zl

J 1Ґ

Close | Want help? |

COM1 open COM1/9600/8/N/1

Рис. 2

Ниже на рис.2 показан обмен посылками при выполнении этой же команды в шестнадцатиричном коде. Таким образом, для выполнения АТ-команды <АТБ112;> на процессор телефона посылается комбинация из семи восьмибитовых посылок: 0x41 0x54 0x44 0x31 0x31 0x3 2 0x3В, причем первая (0x41) соответствует символу (А) в коде АБСИ, вторая (0x54) символу (Т) и так далее.

При организации котроллера на ПЛИС, формирование требуемых АТ-команд можно реализовать на регистрах сдвига, а анализировать ответы телефона цифровыми компараторами. В данном случае необходимо учесть, что данные передаются асинхронно по интерфейсу RS-232C. Каждый пакет данных содержит один символ кода АБСИ, представленный семью битами плюс бит паритета (четности) . Бит четности содержит 1 или 0 так, чтобы общее число единиц в 8-битной группе было нечетным. Начало пакета данных всегда отмечает низкий уровень стартового бита, последними передаются два стоповых бита рис. 3 (иллюстрирует передачу символа А) .

Стартовый бит Семь бит данных Бит четности

Два стоповых бита

0 I----1 I--------------------1 I----1

0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1

Рис. 3

Пример АТ-команд, используемых при реализации аппаратного GSM контроля, приведен в таблице 2. Таблица 2

АТ-команда Описание Результат

[06] [04] [02]<ATA>[0D] Установить соединение по входящему вызову <[ O0 K6 >] 00 D6 00 A0 o о 0 A]

- Сообщение о поступившем входящем вызове [06] [08] [0E] [0D] [0A] <RING> [0D] [0A]

- Сообщение о завершении соединения A] 0 [ A] ]0 D[ О [ D] 0 8 0> [R E ]I ER 0R [A C 6] O 0N [<

[06] [04] [02]<ATH>[0D] Разорвать связь A] 0 D] о 0A 00 6] D] 00 ] > 6K 0O [<

[0 6] [*] [06 XOR*] <ATD номер;> [0D] Набрать номер [*] - кол-во цифр в номере +6 [06] [06] [00] [0D] [0A] <OK> [0D] [0A]

Поскольку применяемые мобильные телефоны при включении питания имеют установленную по умолчанию скорость передачи данных по последовательному порту 57 600 бит/сек при асинхронном режиме передачи, - к

точности формирования длительности посылок предъявляются достаточно высокие требования. Поэтому частота кварцевого резонатора, определяющая тактовую частоту процессора и тактирование встроенного последовательного порта, выбрана равной 4.608 МГц, - при такой частоте, ошибка формирования длительности битов на указанной скорости - отсутствует.

Дистанционное управление исполнительными устройствами осуществляется с помощью БТМБ-сигналов. В качестве декодера таких сигналов может использоваться микросхема, например, М8870. Тетрада данных, соответствующая декодированной цифре, подается на порты микроконтроллера, а строб-импульс, во время действия которого полученный код считается истинным, - на вход внешнего прерывания. Система сигналов БТМБ включает восемь тонов, которые были специально подобраны таким образом, чтобы передаваться через телефонную сеть без затухания и с минимальным воздействием друг на друга. Поскольку эти звуковые сигналы попадают в частотный диапазон человеческого голоса, были дополнительно введены меры для того, чтобы голос не воспринимался как набор. Одна из таких мер - деление тонов на две группы, высоко- и низкочастотную. Ниже приведена таблица 3 БТМБ-тонов различных цифр (и управляющих клавиш) кнопочного телефона или радиостанции и соответствующих им пар частот.

Таблица 3

Цифра, символ НЧ [Гц] Я ЧГ CQ — Цифра, символ Я F Гч Н[ Я ЧГ CQ —

1 697 1209 7 852 1209

2 697 1336 8 852 1336

3 697 1447 9 852 1477

4 770 1209 0 941 1336

5 770 1336 * 941 1209

6 770 1447 # 941 1477

ЛИТЕРАТУРА

1. http://www.siblink.ru

2. http://www.ohrana-gsm.ru

3. http://ua9fbv.narod.ru/NEWS/DOCs

4. ATMEL AT90S2313 Datasheet http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/DOC0 83 9.PDF

5. Описание протокола BFB http://triq.net/obexftp/bfb.txt

6. European Telecommunication Standards Institute (ETSi), AT command set for GSM Mobile Equipment GSM 07.07 version 7.0.0 Release 1998.

7. atc_command_set_for_l55_platform.pdf http://siemens4u.co.ua/infusions/downloadfront/