Схема. Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат

Данная разработка предназначена для владельцев автомобилей, желающих с помощью мобильного телефона в любой момент узнавать местоположение своего транспортного средства. Устройство способно позвонить или отправить SMS-сообщение со своими координатами на номер мобильного телефона владельца по его SMS-запросу или автоматически при срабатывании любого из трех контактных датчиков. Это даст возможность определить координаты автомобиля в случае его угона.

Сигнализатор несложен по схеме и построен на доступных для приобретения недорогих элементах. Эксплуатационные расходы заключаются лишь в своевременном пополнении платежного баланса установленной в нем SIM-карты, причем тариф может быть выбран самым дешевым из предлагаемых операторами сотовой связи.

Для приема запросов владельца и передачи ему информации о координатах автомобиля и состоянии охранных датчиков сигнализатор использует сотовую сеть стандарта GSM. Причем в нем применен не мобильный телефонный аппарат этого стандарта, а специализированный автономный GSM-мо-дуль, работоспособный даже при отрицательной температуре (до минус 20 °С), когда автомобиль стоит зимой на улице или в неотапливаемом помещении.

Имеющийся в сигнализаторе модуль приемника GPS (глобальной спутниковой системы позиционирования) дает возможность включать в формируемые SMS-сообщения, кроме информации о состоянии охранных датчиков, географическую широту и долготу места, где находится объект, оснащенный сигнализатором (автомобиль), кроме того, точное время, дату, а также сведения о направлении и скорости движения объекта.

Приемник GPS, работая на частоте 1575,42 МГц, принимает сигналы со всех спутников системы, находящихся в пределах его видимости. Сигнал каждого из них содержит информацию о его положении на орбите и точное время. На основании этой информации вычислитель приемника решает навигационную задачу и получает географические координаты и параметры движения объекта, на котором он установлен. Минимальное число спутников, необходимое для определения координат, — 4.
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
Для сигнализатора выбран двадцатиканальный GPS-модуль LR9552 фирмы LEADTEC [1] с встроенной антенной (рис. 1). Он выполнен на специализированной микросхеме SiRFStar III, имеет высокую чувствительность (-158дБм в режиме слежения, -142 дБм в режиме поиска). Размеры модуля — 25x25x8,9 мм. Поставляется в комплекте с соединительным кабелем X03G0039 и разъемом K10G0025. Модуль выдает пользователю информацию согласно протоколу NMEA-0183 [2]. Все параметры используемого сигнализатором сообщения RMS этого протокола описаны в табл. 1 в порядке их следования в сообщении. Некоторые параметры (например, информация о магнитном склонении) могут отсутствовать, но ограничивающие их запятые остаются. Подсчет контрольной суммы производится сложением по модулю 2 всех ASCII-кодов символов, заключенных между знаками «$» и «*». Согласно заводским установкам, модуль LR9552 настроен на выдачу информации в свой последовательный порт А со скоростью 4800 Бод при восьми информационных разрядах без проверки на четность и одном стоповом разряде.
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
Для передачи сообщений сигнализатора по сети GSM пользователю могут быть применены следующие протоколы:
SMS — передача коротких текстовых сообщений. Максимальная длина сообщения зависит от используемого алфавита: 160 символов латиницы или 70 символов кириллицы;
CSD — канал занимается цифровой информацией на все время сеанса связи (как при разговоре). Ее можно передавать время от времени или непрерывно с максимальной скоростью 9600 бит/с;
GPRS — пакетная передача информации получателю, имеющему IP-адрес в сети Интернет.

Передача и прием могут происходить в нескольких (до четырех) временных слотах одновременно, что увеличивает максимальную скорость приема до 85600 бит/с;
EDGE — то же, что и GPRS, но с дополнительной модуляцией сигнала, что позволило повысить скорость почти в три раза, она доходит до 230000 бит/с на прием.
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
В описываемом устройстве использованы SMS-сообщения. Чтобы передать координаты объекта и состояние тревожных датчиков, 160 символов вполне достаточно. Работу в сети GSM обеспечивает модуль SIM300 фирмы SIMCOM [3], изображенный на рис. 2. Его размеры — 40x33x3 мм. На снимке указано место подключения выносной антенны. Интерфейсный 60-контактный разъем находится в нижней части модуля.
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
Схема сигнализатора показана на рис. 3. Его работой управляет микроконтроллер ATmega162-16AI (DD1), основные задачи которого — принимать навигационные данные от GPS-приемника U1, по запросу GSM-модуля U2 формировать и загружать в этот модуль тексты SMS-сообщений, а также реагировать на сигналы датчиков SF1—SF3.

Для правильной работы в сигнализаторе конфигурационные разряды микроконтроллера должны быть запрограммированы в соответствии с табл. 2, а в его программную память и EEPROM загружены коды из приложенных к статье файлов (соответственно GSM-GPS_v1 .hex и GSM-GPS_v1 .eep).
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
Микроконтроллер выбранного типа имеет в своем составе два блока DART, необходимых для обмена информацией с GPS- и GSM-модулями, и достаточное для решения поставленных задач число линий ввода-вывода общего назначения. Так как DART должны работать со скоростью 4800 и 115200 Бод, частота кварцевого резонатора ZQ1 выбрана равной 3,6864 МГц, что обеспечивает точную установку обоих значений.
Винтовые зажимы ХТ1—ХТ8 служат для соединения сигнализатора с кнопкой управления SB1, контактными датчиками SF1—SF3 и бортсетью автомобиля.

Поскольку GPS-модуль LR9552 допустимо питать напряжением 3,2…5 В, GSM-модуль SIM300 — 3,4…4,5 В, а микроконтроллер ATmega162-16AI -2,7…5,5 В, общее для них напряжение питания выбрано равным 4,3 В. Его получают из напряжения бортовой сети автомобиля (12… 15 В) с помощью микросхемы импульсного стабилизатора LM2576-ADJ (DA1). Она способна обеспечить ток нагрузки 2 А, потребляемый GSM-модулем во время передачи.

Диод VD1 служит защитой от «переполюсовки» при подключении сигнализатора к бортсети, конденсатор С1 -входной фильтр. Дроссель L1 и диод Шотки VD6 — элементы типовой схемы включения микросхемы DA1. Конденсаторы С4 и С5 сглаживают пульсации ее выходного напряжения. Резисторы R9 и R10 образуют делитель напряжения в цепи обратной связи стабилизатора. Необходимое выходное напряжение (4,3 В) устанавливают на конденсаторе С4, подбирая резистор R10. Эта операция должна быть выполнена до установки в устройство микроконтроллера DD1 и подключения модулей U1 и U2.

Разъем ХР5 необходим для загрузки программы в микроконтроллер без его извлечения из устройства. Перемычкой S1 выбирают способ реагирования на тревогу. Если она находится в положении 1-2, при срабатывании датчиков будет производиться дозвон на телефон владельца, а если в положение 2-3, то ему будет отослано SMS-сообщение. Первый способ бесплатный, зато второй — информативнее. Проверьте оба и выберите наиболее приемлемый.

Резисторы R1—R8 образуют делители напряжения, обеспечивающие на входах микроконтроллера напряжение около 3,3 В при напряжении на входных зажимах 12В. Стабилитроны VD2 — VD5 защищают входы микроконтроллера от повышенного напряжения.
Интерфейсный разъем GSM-модуля имеет 60 контактов, из которых, чтобы не усложнять конструкцию, использованы только самые необходимые — цепи питания, индикации, включения модуля, подключения к нему SIM-карты и последовательного интерфейса. Так как ток потребления этого модуля может достигать 2 А, плюс напряжения питания на него поступает через восемь выводов, а минус — через шесть.

Модуль SIM300 формирует на выводе 30 (NET_LED) импульсы длительностью 64 мс, продолжительность пауз между которыми свидетельствует о режиме его работы:
800 мс — модуль не может найти сеть;
3000 мс — модуль зарегистрирован в сети;
300 мс — идет передача информации по протоколу GPRS.

Для облегчения отладки и контроля работы модуля к этому выводу через усилитель на транзисторе VT1 подключен светодиод HL1.
Как уже было сказано, необходимая для работы в сети GSM SIM-карта DS1 может быть приобретена у любого сотового оператора. Ее подключают к предназначенным для этого выводам модуля U2, вставляя в специальный держатель. Поскольку вывод 16 (SIM PRESENTS) разъема Х4 соединен с общим проводом, модуль U2 всегда считает, что SIM-карта в держателе имеется. На работу сигнализатора это не влияет, зато упрощает его схему и программу микроконтроллера.

В SIM-карте, используемой в сигнализаторе, необходимо запрограммировать запрет запроса PIN-кода. Для этого карту временно вставляют в любой сотовый телефон, включают его и вводят PIN-код, если телефон его запросит. Затем, войдя в меню «Настройка» телефона, выбирают пункт «Безопасность» и далее — «Проверка PIN». Здесь выбирают режим «Выключена» и подтверждают выбор, после чего телефон еще раз предложит ввести PIN-код и, получив правильное значение, запишет в SIM-карту признак запрета проверки в дальнейшем. Хотя этот алгоритм проверен с помощью телефона фирмы Samsung, он справедлив и для телефонов других марок.

Сигнализатор собран на двусторонней печатной плате, размеры которой выбраны исходя из ее размещения в пластмассовом корпусе KM-31N размерами 110x78x32 мм (рис. 4). Для крепления корпус снабжен двумя «ушками». Чертежи печатных проводников на двух сторонах платы приведены в масштабе 1:1 на рис. 5, а схема размещения деталей на ней показана на рис. 6.
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат
Элементы для поверхностного монтажа и модуль U2 устанавливают с одной (условно верхней)стороны, а те элементы, выводы которых предназначены для монтажа в отверстия, и модуль U1 — с нижней. Плата имеет выступ, входящий в отверстие корпуса. Это обеспечивает удобное подключение соединительных проводов к расположенным здесь зажимам ХТ1—ХТ8, в качестве которых автор использовал сдвоенные винтовые колодки DG300, но можно применить и другие с шагом зажимов 5 мм.

Микроконтроллер ATmega162-16AI — в плоском корпусе TQFP-44 с шагом выводов 0,8 мм. Резисторы и конденсаторы (за исключением оксидных С1 и С4) — типоразмера 0805 для поверхностного монтажа. Дроссель L1 -RCH8011 или любой другой индуктивностью 100 мкГн, рассчитанный на ток минимум 1,5 А. Диод Шотки 1N5822 может быть заменен на MBR360, а диод 1N4007 — любым, выдерживающим прямой ток не менее 1 А. Стабилитроны BZV55-B/C4V7 можно заменить другими на напряжение 4,7 В в малогабаритном корпусе для поверхностного монтажа. Вместо светодиода L-424HDT подойдет и любой другой в корпусе диаметром 3…5 мм. Самовосстанавливающийся предохранитель FU1 — RXE030.

Разъем ХР5 — штыревая колодка PLS-6. Для перемычки S1 (джампер MJ-0-6) на плате установлена колодка PLS-3. Подходящие в качестве разъема ХЗ держатели SIM-карт автор встречал под названиями WSCD-06ACP1U4 [4] и SIM VI-SIMA-D-06. Вероятно, есть и другие.

GPS-модуль U1 крепят к плате, припаяв его металлическое основание в нескольких точках к специально оставленным на плате участкам фольги. Вилку питания и интерфейса модуля соединяют с установленной на верхней стороне платы вилкой Х1 (K10G0025 [5]) переходником U1.1 — семипроводным плоским кабелем X03G0039 с одинаковыми розетками на обоих концах. Для его прохода в плате предусмотрено окно.
Для установки GSM-модуля U2 на плате монтируют вилку Х4 — — JXT 210-106001-001. Она имеет 60 контактов, расположенных с шагом 0,5 мм в два ряда. Практика показывает, что изготовить плату с таким шагом контактов в домашних условиях вполне возможно, если, например, напечатать рисунок проводников на лазерном принтере, а затем приложить рисунок к заготовке платы и проглаживать его обратную сторону утюгом до полного переноса красителя на фольгу. Такая «лазерно-утюжная» технология неоднократно описана в радиолюбительской литературе. Те контакты разъема, которые согласно схеме сигнализатора не используются, можно оставить неприпаянными.

Модуль 112 надевают на разъем, при этом имеющиеся на корпусе модуля лепестки должны войти в специально предназначенные для этого отверстия платы, где их крепят пайкой. К антенным контактам модуля (см. рис. 2) присоединяют разъем GCS переходника RF300 (оснащенного разъемами отрезка сверхтонкого коаксиального кабеля длиной 100 мм). Разъем SMA переходника закрепляют гайкой в отверстии, просверленном в стенке корпуса. К этому разъему подключают внешнюю антенну WA1 с входным сопротивлением 50 Ом, работающую в частотных диапазонах 900 и 1800 МГц. Это может быть GSM-антенна 2J520 [6] или другая подобная. Такой вариант дает возможность поместить антенну в любом удобном месте, где обеспечивается достаточный уровень сигнала базовых станций сети GSM.

Можно обойтись без антенного переходника, использовав, например, малогабаритный антенный модуль 2J550 [7] и припаяв его кабель непосредственно к контактным площадкам модуля U2. В этом случае антенну можно расположить внутри корпуса сигнализатора. Это хуже с точки зрения качества связи, но обеспечивает дополнительную скрытность установки сигнализатора.
В любом случае располагать сигнализатор в автомобиле следует так, чтобы между ним и небесной полусферой не было металлических преград. Наилучшее, по моему мнению, место установки — под полкой за задним сиденьем.

Работа сигнализатора

После подачи на микроконтроллер сигнализатора питающего напряжения производится инициализация его стека, настройка линий ввода—вывода, UART. Затем выполняется предварительная настройка GPS- и GSM-модулей (модуль SIM300 по умолчанию настроен на скорость обмена информацией с микроконтроллером 115200 Бод, однако в процессе инициализации программа перестраивает его на 4800 Бод). Сигнализатор переходит в режим «Ожидание».

Режим «Охрана» включают нажатием на кнопку SB1. Обратите внимание, что напряжение 12 В на эту кнопку и контактные датчики SF1—SF3 подано с зажима ХТ5, подключенного к цепи +12 В через самовосстанавливающийся предохранитель FU1, что предотвращает последствия случайных замыканий соединительных проводов на «массу» автомобиля. Датчики SF1—SF3 могут быть любыми, важно лишь, чтобы в тревожной ситуации на их выходах, соединенных с зажимами ХТ2—ХТ4, появлялось напряжение +12 В относительно общего провода (зажима ХТ6), а в отсутствие тревоги оно было близким к нулю.
После нажатия на кнопку SB1 сигнализатор некоторое время (около трех минут) не анализирует состояние датчиков. Это дает возможность выйти из автомобиля, запереть его, выполнить другие необходимые действия. По истечении указанного времени сигнализатор реагирует на следующие события:

1. При срабатывании любого датчика и появлении напряжения +12 В на соответствующем зажиме отправляется SMS-сообщение или (в зависимости от положения перемычки S1) начинается дозвон по хранящемуся в EEPROM микроконтроллера DD1 телефонному номеру.
Этот номер необходимо записать в EEPROM при первом включении сигнализатора. Для этого немедленно после включения режима «Охрана» следует послать на номер SIM-карты сигнализатора SMS-сообщение с паролем (вопросительным знаком без каких-либо предшествующих пробелов или кавычек). По номеру телефона, с которого послано это сообщение, сигнализатор будет в дальнейшем дозваниваться и отправлять свои SMS-сообщения.

2. При получении SMS-сообщения с верным паролем на номер его отправителя отправляется ответное сообщение с копией информации, полученной от системы GPS и описанием состояния датчиков, а телефонный номер, хранящийся в EEPROM, заменяется номером отправителя. SMS-сообщения, не содержащие верного пароля, игнорируются.

3. При звонке с номера, который записан в EEPROM микроконтроллера, происходит переход из режима «Охрана» в режим «Ожидание». Звонки с других номеров отклоняются.
Пример SMS-сообщения , которое отсылается по сети GSM, приведен в табл. 3. Оно означает, что 5 января 2009 г. в 12 ч 40 мин 34,43 с сигнализатор находился в точке с координатами 50 град. 2,9101 мин северной широты, 36 град. 13,1214 мин восточной долготы (северо-западная окраина г. Харькова) и двигался со скоростью 19,8 узла (около 36,7 км/ч) курсом 265,26 град, (приблизительно на запад). Ни один из датчиков не сработал (сработавший отмечается буквами AL вместо ОК). Состояние AL запоминается в памяти микроконтроллера и заменяется ОК только при снятии сигнализации с охраны звонком «хозяина» либо при аппаратном перезапуске.

Таблица 3
$GPRMC,124034.430,А,5002.9101,N,
03613.1214,Е,19.80,265.26,050109,,*52
BXOD#1-OK
BXOD#2-OK
BXOD#3-OK

Практика использования сигнализатора показала, что необходимо время от времени проверять его работоспособность, отправляя SMS-запрос или перед тем, как открыть автомобиль, не снимая с охраны. Такая проверка даст уверенность в исправности устройства. Она же своевременно напомнит, что пора пополнить платежный баланс SIM-карты.

ЛИТЕРАТУРА
4. SIM card 6 pin holder with post. —   www.macrogroup.ru/content/data/store/images/f_158_2365_1.pdf
5. Wafer Connector 1 mm pitch RC.B. mount SMT type. —    www.macrogroup.ru/content/data/store/images/f_107_2381_   1.pdf
6. Patch    antenna    2J520.    — —      www.    www.macrogroup.ru/content/data/store/images/f_456_1522_1.pdf               www.2j-antennae.com/images/products/2J520.pdf
7. 2J550    module.          www.2j-antennae.com/images/products/2J550-module.pdf

Прилагаемые файлы:    08_36_30__23_04_2010.zip

В. ВАЩЕНКО, г. Харьков, Украина
«Радио» №8-9 2009г.

1 thought on “Схема. Автомобильный GSM-сигнализатор с определением координат

  1. СРОЧНО нужны схема принципиальная, трассировка и перечнем элементов в AutoCAD или
    SolidWorks для данного устройства.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *