№1 / 2014 / статья 6

Новые GSM/3G/LTE-модули AirPrime HL: одна платформа на все времена

Алексей Васильев (г. Москва)

Sierra_logoИз необычных технических решений диагностика и управление электрооборудованием через сети мобильной связи стали массовым явлением. Но, вместе с широким распространением, появилась и проблема замены модулей сотовой связи при совершенствовании телекоммуникационных стандартов. Компания Sierra Wireless предложила оригинальное решение этой проблемы.

 

Технический прогресс в области сетей сотовой связи идет быстрее, чем во многих других отраслях. На бытовом уровне это не представляет большой проблемы, так как потребители обычно меняют мобильные телефоны как минимум раз в два-три года. Но если речь идет о профессиональном оборудовании, то здесь уже совершенно другие критерии продолжительности жизни устройств. Например, современные уличные светодиодные светильники рассчитаны на срок службы не менее 50000 часов. При эксплуатации в условиях средней полосы это означает, что менять светильники нужно один раз в 10 лет.

А что такое 10 лет для систем мобильной связи? Например, в России в период с 2003 по 2013 годы сотовая связь прошла путь от 2,5G (GPRS) до 4G (LTE). Причем путь этот не был прямолинеен. В частности, 4G-сети сначала строились на основе технологии WiMax, которая потом была полностью заменена на LTE.

Если экстраполировать эти изменения на случай со светильниками, то, возможно, оборудование для управления ими пришлось бы за указанный период менять не один раз.

Кроме развития сотовой связи, возникают новые задачи. Продолжая пример с уличными светильниками, за 10 лет, пока они стоят, могут измениться задачи. Появится необходимость не только в сборе данных о техническом состоянии светильников, но и, скажем, в мониторинге дорожной обстановки. Значит, придется повышать скорость передачи данных. Здесь есть два выхода — или опять полностью менять оборудование, или закладывать в системы управления по сетям сотовой связи некоторую избыточность из расчета задач, которые, возможно, встанут перед ними в будущем. Оба варианта дорогостоящие, ориентация на них не позволяет говорить об управлении и мониторинге через сотовую связь как о массовом, недорогом решении.

Проблему можно решить, сделав модуль, непосредственно отвечающий за сотовую связь, сменным. Важно, чтобы процедура смены модуля была максимально простой и доступной персоналу, обслуживающему оборудование. Также разъемное соединение (сокет), в которое устанавливается модуль, должно быть универсальным, пригодным для модулей, которые еще не производятся и даже не разработаны. При этом в случае появления новых стандартов сотовой связи требуется всего лишь поменять телекоммуникационный модуль и загрузить новое программное обеспечение.

Дополнительное преимущество, которое дает сменный модуль — возможность для производителя или даже поставщика гибко менять комплектацию оборудования в зависимости от того, в какой регион она поставляется. Рассмотрим в качестве примера автомобильные противоугонные системы. Они могут поставляться в регионы, где не развито покрытие 3G, при этом нет единого оператора, охватывающего всю область использования системы. Тогда целесообразно устанавливать модуль без 3G, но с двумя SIM-картами. Другой вариант — регион с развитыми сетями 3G, полностью покрываемый одним оператором. Для него не нужно использовать две SIM-карты, но вот поддержка 3G позволит расширить функциональность и повысить надежность связи, так как добавляется еще один частотный диапазон. В такой регион целесообразно поставлять аппаратуру с 3G-модулями.

Этот подход был реализован компанией Sierra Wireless в ее модулях беспроводной связи серии AirPrime HL. Компания в конце 2013 года начала выпуск модулей AirPrime HL6528 с поддержкой двух SIM-карт и GSM/GPRS, а в середине 2014 года начнется серийный выпуск AirPrime HL8548 с поддержкой одной SIM-карты и GSM/GPRS/EDGE/HSDPA/HSUPA. Кроме этого, модули могут выпускаться как в варианте с поддержкой GPS и Глонасс (индекс G в названии), так и без нее. Предлагаются варианты с интерфейсами ввода-вывода 1,8 В и 2,8 В (индекс 2,8V в названии). Итого имеем восемь вариантов модулей. В будущем ожидается выпуск модулей серии AirPrime HL с поддержкой LTE, совместимых с предыдущими моделями (рисунок 1).

Модуль AirPrime HL с поддержкой LTE

Рис. 1. Модуль AirPrime HL с поддержкой LTE

Модули AirPrime HL выполнены в формфакторе LGA, размеры каждого из них 22x23x2,5 мм. Напряжение питания 3,7 В. Модули способны работать при температуре -40…85°C. Поддерживаются аудиокодеки HR, FR, EFR, AMR. Имеется поддержка интернет-протоколов TCP+UDP+FTP+HTTP+HTTPS, а также FOTA (Firmware Over The Air — получение прошивки по воздуху) через облачный сервис AirVantage. Кабель, соединяющий с антенной сотовой связи, должен иметь волновое сопротивление 50 Ом. Для повышения устойчивости работы спутниковой навигации возможно подключение активной антенны. Другие технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение технических характеристик модулей AirPrime HL
Тип модуля AirPrime HL8548
AirPrime HL6528
Стандарты сотовой связи GSM/GPRS/EDGE/HSDPA/HSUPA GSM/GPRS
Рабочие диапазоны, МГц 800/850/900/1800/1900/2100 850/900/1800/1900
Потребляемый ток в выключенном состоянии, мкА 40 35
Потребляемый ток в спящем режиме, мА 1,2 1
Потребляемый ток в режиме GSM/GPRS, мА 360 360
Потребляемый ток в режиме HSDPA/HSUPA, мА 560
Аудиовыходы цифровой аналоговый/цифровой
Интерфейсы UART (8 линий); USB; ADC (2 канала); GPIO (8 каналов); индикаторный светодиод; звуковая сигнализация; индикация режима TX Burst UART (8 линий); SPI; ADC (2 канала); GPIO (8 каналов); звуковая сигнализация (2 канала)
Наличие драйверов под операционные системы Linux; Android; Windows CE; Windows 7; Windows XP Linux; Windows CE

 

LGA-формфактор

Серия AirPrime HL использует LGA-формфактор с 146 контактными площадками. Данная серия также относится к семейству модулей с типоразмером CF3. В это семейство входят модули беспроводной связи, имеющие одинаковые размеры и расположение контактных площадок, что обеспечивает определенную совместимость между ними. Выводы модуля делятся на три категории:

  • основные – выводы, используемые для реализации базовых функций. Они одинаковы для всех модулей типоразмера CF3. При выполнении только базовых функций обеспечивается прямая и обратная совместимость в пределах семейства;
  • расширенные – выводы, используемые для реализации расширенных функций, они одинаковы в пределах серии;
  • специфические для данной модели – используемые для определенных функций только в данной модели модуля.

Совместимость модулей в пределах семейства AirPrime HL обеспечивается благодаря тому, что в архитектуре предусмотрен только один вывод, специфический для определенной модели, и он в настоящее время зарезервирован. Все остальные выводы, которые используются в моделях с более широким набором функций, просто не задействованы в моделях с небольшим набором функций (рисунок 2).

Назначение контактных площадок в модуле AirPrime HL6528  (основные выводы обозначены зеленым, расширенные – желтым, специфический для данного модуля – оранжевым).

Рис. 2. Назначение контактных площадок в модуле AirPrime HL6528 (основные выводы обозначены зеленым, расширенные – желтым, специфический для данного модуля – оранжевым).

 

Корпуса модулей AirPrime HL предназначены для установки на плату посредством пайки. Тем не менее, учитывая изначально заложенную в семействе высокую степень совместимости, Sierra Wireless разработала для данных модулей механический сокет, который позволит многократно заменять модули. Следует отметить, что это отнюдь не изобретение Sierra Wireless – возможность применения механического соединения сокетом вместо пайки изначально заложена в концепцию CF3.

 

Особенности архитектуры

Для связи модулей AirPrime HL с центральным процессором системы или же с персональным компьютером используется последовательный интерфейс UART1 с восемью линиями, совместимый с RS-232. То есть модуль AirPrime HL воспринимается компьютером как модем в COM-порте. Поддерживаются скорости передачи 1200 бит/с…1 Мбит/с (рисунок 3).

Архитектура модуля AirPrime HL6528

Рис. 3. Архитектура модуля AirPrime HL6528

 

В AirPrime HL8548 дополнительно предусмотрен USB-интерфейс. Его наличие позволяет подключать устройство к компьютерам на платформе Windows для настройки параметров, загрузки программ и данных. Также USB-интерфейс может использоваться для отладки программного обеспечения. В модуле AirPrime HL6528 для отладки программного обеспечения вместо USB используется SPI-интерфейс, характерный для бюджетных микроконтроллеров.

В модуль серии AirPrime HL встроены два 10-битных аналого-цифровых преобразователя. Диапазон входного напряжения – 0…3 В, максимальная частота отсчетов — 200 кГц. Производитель модуля предлагает использовать функцию аналого-цифрового преобразования для работы с датчиками температуры. Тем не менее, высокие параметры цифроаналоговых преобразователей делают возможным их использование и для других применений. Но подавать звуковой сигнал непосредственно на вход аналого-цифрового преобразователя не следует, так как в модуле на этом входе отсутствуют фильтр и дискретизатор.

Для работы со звуком в AirPrime HL6528 предусмотрен аналоговый аудиовход. Он рассчитан таким образом, что к нему можно напрямую подключать электретный микрофон. Поддерживается режим дифференциального входа, что позволяет практически полностью избавиться от паразитных наводок на провода микрофона. Функции подавления шумов и эхо-сигналов реализованы в самом модуле. Чувствительность микрофона можно регулировать через AT-команды.

В обоих модулях есть дуплексный цифровой аудиоинтерфейс, позволяющий передавать и принимать звуковые сигналы с импульсно-кодовой модуляцией (PCM), разрядность — 8 или 16 бит.

Шина I2C может быть организована через интерфейс UART или мультиплексированием интерфейса GPIO. Через шину I2C к модулю можно подключить ЖК-дисплей.

 

Набор разработчика

Для серии AirPrime HL компания Sierra Wireless уже выпустила комплект из платы и программного обеспечения для отладки приложений (рисунок 5). Пока доступен вариант только для модулей, не поддерживающих функцию спутниковой навигации.

Плата для отладки приложений

Рис. 5. Плата для отладки приложений

На плате имеются разъемы для интерфейсов UART, GPIO и USB. С компьютером отладчик соединяется через интерфейс RS-232. Для «общения» используется эмулятор терминала на компьютере, например, HyperTerminal. Что же касается USB-интерфейса, то он используется для передачи данных по протоколу NMEA, для этого в компьютере создается виртуальный COM-порт. Необходимость в такой функции для данной версии отладчика сомнительна, так как модули с GPS/Глонасс пока не поддерживаются. Но не будем забывать, что протокол NMEA используется для передачи не только данных о геопозиционировании, но и другой информации на некоторых транспортных средствах. Есть разъем для подключения телефонной трубки или гарнитуры (в комплект входит трубка, как у обычного проводного телефона), отладчик позволяет совершать голосовые звонки в сети мобильной связи.

 

Облачный сервис AirVantage

В модулях AirPrime реализована поддержка, то есть обновления прошивки по беспроводной связи через облачный сервис AirVantage, которым владеет Sierra Wireless. Помимо FOTA, этот сервис позволяет дистанционно настраивать беспроводные модули и управлять ими. В частности, через AirVantage осуществляется автоматическое конфигурирование устройств, подключаемых к сети связи.

Облачный сервис AirVantage позволяет интегрировать в единую систему разнообразные устройства, подключенные к различным операторам связи. В «облаке» может происходить не только обмен информацией, но и хранение данных. Безопасный доступ к данным может осуществляться через web-браузер в любой точке земного шара.

 

Перспективы развития

Инновационность AirPrime HL, позволяющая обеспечить совместимость имеющихся сейчас и готовящихся к выпуску в будущем изделий, заключается в соединении самодостаточной конструкции модуля и концепции CF3. Выводы AirPrime HL — это, в основном, не линии, ведущие к каким-то внешним чипам для реализации тех или иных функций, а стандартные интерфейсы, применяемые в компьютерной и телекоммуникационной отраслях. Набор этих интерфейсов достаточно стабилен на протяжении многих лет, поэтому можно ожидать, что в будущем назначение контактных площадок не поменяется.

Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов, что расположение контактных площадок модулей AirPrime HL – пока отнюдь не открытый стандарт, поддержанный рынком, а всего лишь инициатива одного из производителей беспроводных модулей. Поэтому дальнейшая совместимость модулей AirPrime HL всецело находится в руках компании Sierra Wireless. История развития компьютерной индустрии знает немало примеров, когда, разработав сокет и успешно используя его много лет, компания-производитель переходит на другой сокет по маркетинговым причинам, например, чтобы уйти от преследования конкурентов, заваливших рынок дешевой совместимой продукцией. В данном случае такая опасность есть, так как Sierra Wireless не может запатентовать сокет, выполненный в формфакторе CF3. Тем не менее, перспектива возможности апгрейда, вплоть до LTE, уже объявлена, а какие стандарты будут приняты после LTE, пока достоверно не известно. В любом случае, наличие семейства совместимых модулей беспроводной связи облегчает жизнь производителям, позволяя им гибко подстраиваться под конкретных клиентов без перестройки производства.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка – e-mail: wireless.vesti@compel.ru

Sierra_Wirreless_01_14

Наши информационные каналы

О компании Sierra Wireless

Канадская компания Sierra Wireless, основанная в 1993г., — один из мировых лидеров в разработке решений для беспроводной передачи данных, беспроводных модемов для мобильных компьютеров и М2М, ведущий разработчик и производитель продуктов на основе новейших технологий 3G, GSM/GPRS/EDGE, Ethernet и WLAN. Sierra Wireless - ключевой поставщик на рынке ведущих мобильных сетевых операторов, а также - производителей оборудования для мобильных компьютеров, сетевой и промышленной автоматизации и энер ...читать далее