УДК 681.5

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАНАЛА СВЯЗИ GSM В ПРОМЫШЛЕННЫХ КОНТРОЛЛЕРАХ ДЛЯ СИСТЕМ УДАЛЕННОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

 

Бычков В.И., студ.; Суков С.Ф., проф., к.т.н.

(Донецкий национальный технический университет,

г. Донецк, ДНР)

 

С развитием и распространением  беспроводных телефонных технологий GSM канал связи стал активно использоваться для систем автомобильных, дверных сигнализаций, в системах «умного дома» и т.д. Вначале в качестве каналообразующего оборудования использовались мобильные телефоны, которые подключались к устройствам через интерфейс RS-232 и управлялись AT-командами. Данное решение было очень ненадежным, так как могло привести к ошибкам и сбоям телефонов или произойти отключение, кроме того, условия эксплуатации мобильных телефонов не предусматривали работу в сырых и неотапливаемых помещениях, что существенно ограничивало область их применения. Производители оборудования мобильной связи выпускают специализированные GSM-модемы для построения на их основе беспроводных систем безопасности. Данное решение существенно повысило надежность работы системы, а также предоставило разработчикам данных систем дополнительные возможности по работе с сервисами GSM. В этих системах реализуются либо одна, либо несколько функций удаленного мониторинга и управления: сигнализации, контроля и управления, где

- сигнализация – информирование об изменении дискретных или аналоговых входов;

- контроль – получение информации о состоянии дискретных и аналоговых входов по запросу оператора;

- управление – изменение состояния дискретных и аналоговых выходов по запросу оператора.

Запрос от оператора осуществляется совершением звонков (режим DTMF) и отправкой SMS-сообщений на GSM-модем, который используется для формирования GSM канала связи.

Данные устройства можно использовать в качестве промышленного контроллера, только в узкоспециализированных системах автоматизированного управления,  поскольку в этих системах не заложены возможность использования всех функций (сигнализация, контроль, управление) и наличие модулей входов и выходов, которые могут отличаться типом – по току и/или по напряжению, и/или аналоговым и дискретным типами. Они являются не универсальными системами, поэтому  их применение ограниченно. В связи с широким распространением мобильных телефонов и возможности пользователя при помощи элементарных действий  связаться с устройством, GSM канал начал использоваться в промышленных контроллерах. На рисунке 1 представлено “классическая” топология системы удаленного управления оборудования по сетям GSM.

Рисунок 1 - “Классическая” топология системы удаленного управления оборудования по сетям GSM

Управление GSM-модемами осуществляется при помощи АТ-команд. AT-команды — набор команд, разработанных в 1977 году компанией Hayes для собственной разработки, модема «Smartmodem 300 baud». Набор команд состоит из серий коротких текстовых строк, которые объединяют вместе, чтобы сформировать полные команды операций, таких как набор номера, начала соединения или изменения параметров подключения.

Для того, чтобы модем распознал эти команды, они должны быть записаны в специфической форме. Каждая команда всегда начинается буквами AT или at, дополненных одной или больше командой и завершаемой в конце нажатием клавиши «Enter». Команды воспринимаются модемом только тогда, когда он находится в «командном режиме» или «offline».

Для настройки (активации, деактивации и перенастройки установок) модема, Hayes-команды могут использовать различные профили модема. Набор команд и архитектура оказались весьма удачными и неоднократно расширялись и дополнялись. ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) выпустил ряд стандартов описывающих управление мобильными телефонами и модемами стандарта GSM, таких как GSM 07.05 и GSM 07.07. Некоторые производители коммуникационного оборудования дополняют стандартный набор AT-команд своими собственными расширениями.

Стандартные АТ-команды разработанные фирмой Hayes, которые являются универсальными, т.е. применимы для всех модемов существующих фирм производителей. На рисунках 2 и 3 представлены некоторые стандартные АТ-команды и АТ-команды GSM 07.07.

Рисунок 2 – Стандартные АТ-команды

 

Рисунок 3 – АТ-команды GSM 07.07

 

Например, АТ-команды фирмы Siemens для расширенных функций. Эти команды не должны реализовываться в соответствии с официальным синтаксисом. Поэтому последовательность символов «+С» замена на «^S». На рисунке 4 представлен список АТ-команд для модемов Siemens.

Рисунок 4 – Специальные АТ-команды фирмы Siemens

 

Для задач сигнализации, контроля и управления широкое распространение получила функция SMS-сообщений. Такая популярность обуславливается низкой стоимостью (абонентская плата) и простотой эксплуатации.

Для передачи извещений посредством SMS сообщений используется самый известный GSM-сервис мобильных операторов. И одновременно самый простой в реализации метод. GSM модемы с SMS-передатчиком имеют доступную цену, в тоже время просты в настройке, а пультовым приемным устройством может являться любой сотовый телефон.

SMS (англ. Short Message Service - служба коротких сообщений) - система, позволяющая посылать и принимать сообщения в виде текста при помощи мобильного телефона.

Текст может состоять из алфавитно-цифровых символов. Максимальный размер сообщения в стандарте GSM - 140 байт. Таким образом, при использовании 7-битной кодировки (латинский алфавит и цифры) можно отправлять сообщения длиной до 160 символов. При использовании 8-битной кодировки (немецкий, французский язык) можно отправлять сообщения длиной до 140 символов. Для поддержки других национальных алфавитов (китайского, арабского, русского и др.) используется 2-байтная кодировка UTF-16 (Unicode). Таким образом, SMS-сообщение, написанное кириллицей, не может превышать 70 знаков. Что весьма ограничивает использование данного сервиса в охранном оборудование. Для работы с SMS-сообщениями используется стандарт АТ-команд GSM 07.05. На рисунке 5 приведен список АТ-команд GSM 07.05. и их краткое описание.

Рисунок 5 - АТ-команды GSM 07.05

 

Для функций сигнализации, контроля и управления выделим список АТ-команд из стандартных, GSM 07.05 и GSM 07.07. Для задачи сигнализации потребуются следующие АТ-команды:

«ATD+<номер телефона пользователя>;» - совершает звонок на указанный номер пользователя;

«AT+CMGF=0» - включает модем в цифровой режим, поскольку большинство модемов поддерживают этот режим;

«AT+CMGS=<длина сообщения>» - указывает длину SMS-сообщения. После этой команды появляется символ «>», после чего указывается само SMS-сообщение в цифровом формате. Сообщение должно заканчиваться шестнадцатеричным кодом 1А, что соответствует комбинации клавиш <Ctrl+Z>.

Для задач контроля и управления потребуются следующие АТ-команды:

«ATA» – поднять трубку, т.е. ответить на звонок;

«АТН» – положить трубку;

«АТ+CLIP=1» - позволяет определить номер входящего звонка;

«AT+CPMS=”ME”» - сохраняет входящие SMS-сообщения в памяти телефона;

«AT+CNMI=<параметры>» – включает перехват SMS-сообщений, т.е. модем будет отчитываться в приходе нового SMS–сообщения. В поле параметры указываются цифры через запятую в определенном порядке;

«AT+CMGR=<номер>» – позволяет считать СМС-сообщение из памяти телефона под указанным номером;

Все АТ-команды должны заканчиваться шестнадцатеричным кодом 0D, что соответствует клавиши <Enter>.

В DTMF при нажатии на клавишу кнопочного телефона раздается звук (тон), который является комбинацией двух тонов, высоко - и низкочастотного. Система сигналов DTMF 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.

Использование DTMF форматов предъявляет дополнительные требования к проработке звукового тракта GSM-модема. Аналого-цифровые преобразования влекут за собой искажения при передаче сигнала. Из-за этого могут происходить сбои при приеме отчетов от объектового оборудования. И хотя сигнал не потеряется в сети (большинство систем контролируют передачу данных, запрашивая подтверждение приема), но значительно увеличится время прохождения сигнала.

На сегодняшний день беспроводные системы на базе GSM получили достаточно широкое распространение благодаря их относительно невысокой стоимости и простоте установки и эксплуатации. Однако существенным недостатком подобных систем является низкая помехозащищенность. Легкая подавляемость GSM-канала, да и работа сети GSM не всегда отличается высокой стабильностью и может отказать в самый неподходящий момент. Указанные недостатки ограничивают применение оборудования подобного класса при построении систем удаленного управления. В большей степени данные системы применяются в качестве резервных (дополнительных) каналов связи или для построения систем мониторинга удаленных объектов и для сбора телеметрической информации.

Эффект от использования технологий беспроводной передачи данных в системах промышленной автоматики, на первый взгляд, очевиден – экономия материальных и человеческих ресурсов, снижение убытков от простоя оборудования, увеличение точности измерений. Однако этот стандарт передачи данных, кроме явных преимуществ, имеет также целый ряд ограничений. Например, использование GSM технологий не подходит для потоков данных, критичных ко времени доставки. Поэтому сотовую связь не рекомендуется использовать при построении ответственных управляющих систем, тем более систем управления реального времени. В первую очередь это связано с тем, что качество сотовой связи зависит от загруженности сети, удаленности от базовых станций, количества активных абонентов сети.

 

Перечень ссылок

 

1.      http://www.specautomatik.ru/index.php/article/210-gsm-channel-signaling

2.      http://controlengrussia.com/bezopasnost/gsmgprs-tekhnologii-v-sistemakh-promyshlennoi-promyshlennoi/

3.      www.telescada.ru/files/gsm/m20rus.pdf