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Realizziamo un dispositivo che consente la connettività GPRS tramite la porta USB di qualsiasi PC o dispositivo host USB.
La connettività Internet tramite rete telefonica cellulare è ormai una realtà estremamente diffusa e molti di noi ne fruiscono in modo trasparente e inconscio utilizzando oggetti di uso comune come tablet e smartphone.
Tuttavia non un fatto così scontato perché in alcuni dispositivi embedded o anche nei Personal Computer utilizzati in particolari situazioni, si può ottenere solo ricorrendo al classico modem esterno; per esempio quando non si dispone di un’infrastruttura WiFi o dell’accesso cablato a Internet, ovvero quando occorra stabilire una connessione punto-punto per software dedicati che per indisponibilità del supporto o riservatezza non fanno passare i loro dati dal web e dai suoi server e servizi correlati.
Per questa ragione abbiamo realizzato il circuito che trovate in queste pagine, che sostanzialmente è un completo modem GPRS implementato grazie all’utilizzo di un modulo cellulare SimCom SIM800C montato su un’apposita basetta che ne semplifica l’integrazione e che risparmia, a chi non è attrezzato adeguatamente, di doverlo saldare; la scheda con il modulo già montato si trova qui a fianco con il codice FT1308M.
Il modulo viene interfacciato con un converter USB in grado di consentirne la gestione e la comunicazione attraverso una qualsiasi porta USB di un computer, di un tablet o di un apparato che disponga dell’interfaccia USB di tipo host, ivi compresi parecchi microcontrollori (Microchip, per esempio) che la integrano.
Come tutti i modem GSM/GPRS, consente sia l’accesso a Internet mediante la pacchettizzazione dei dati da e verso un indirizzo del web, sia l’instaurazione diretta di una comunicazione tra esso e un altro modem, di rete fissa o cellulare che sia, allo scopo di scambiarsi dati che non possono o non devono passare attraverso il web; chiaro che in quest’ultimo caso la connessione non è particolarmente veloce, avvenendo di fatto in modalità dati GSM e potendo quindi spingersi fino a un massimo di 19.200 bps.
La comunicazione diretta ha quindi senso solo quando il limitato data-rate è sufficiente: per esempio per ricevere o trasmettere i record di un localizzatore GPS con connettività GSM, inviare dati di sensori remoti ecc. che trasmettono periodicamente, scambiarsi informazioni su file riservati e comunque dove bastino i 19.200 bps consentiti.
Inoltre, non meno importante è la possibilità di utilizzare il nostro modem per realizzare, insieme a un PC, una SMS machine, quindi abbinarlo a un software dedicato che permetta, tramite comandi AT, di inviare ad un database di numeri telefonici una serie di messaggi (non dimenticando i limiti imposti dal GDPR).
L’utilizzo per l’invio di SMS da Personal Computer è, insieme alla possibilità di stabilire connessioni punto-punto, ciò che rende il nostro modem non sostituibile da una pur prestante chiavetta 4G.
Schema elettrico del modem GSM
Diamo dunque uno sguardo a questo piccolo e compatto modem, che è sostanzialmente composto dal modulo SimCom SIM800C (Fig. 1) montato sull’apposita scheda adattatrice, dal convertitore TTL/USB siglato U2 e da un regolatore di tensione; tra modulo e convertitore TTL/USB si trova il classico adattatore di livelli logici, utile perché U2 lavora a 5 volt mentre la porta seriale del modulo opera con livelli logici 0/3,3V.
La scheda adattatrice (Fig. 2) contiene, oltre al modulo, il socket per la SIM e il connettore MMCX cui collegare l’antenna, eventualmente tramite un cavo adattatore MMCX/SMA.
Fig. 1 Il modulo SIM800C.
Fig. 2 Il modulo SIM800C montato sulla scheda adattatrice FT1308M.
Dalla configurazione appare evidente che il modulo SimCom viene interfacciato all’USB mediante la porta seriale UART di cui è dotato, facente capo ai segnali TX ed RX, attraverso cui riceve i comandi di controllo (i comandi AT normali più gli estesi specifici per il modem integrato) e tramite la quale passano i dati in trasmissione e ricezione.
Il SIM800C è un modulo GSM/GPRS-edge tri-band (900, 1.800, 1.900 MHz) GPRS multi-slot classe 10 (default) o 12 compatibile con lo standard GSM fase 2/2+ (2G/2,5G) capace quindi di comunicare con un data-rate teorico fino a 115 kbps (tipicamente la SimCom garantisce qualcosa di meno, ossia 85,6 kbps simmetrica, cioè sia in downlink che in uplink); può supportare gli SMS e la comunicazione vocale, a patto di connettergli un microfono e un altoparlante ai piedini preposti, che sono MIC1IN e MIC2IN (ingresso differenziale) per il microfono (da connettere al jack siglato MIC nello schema elettrico) e SPK (-, L, R) per l’altoparlante (si tratta di un’uscita a ponte, quindi sollevata da massa e pertanto da non portarne il negativo a massa).
La sua gestione avviene tramite comandi AT estesi standard GSM (set GSM07.07, 07.05) e proprietari SimCom (gli “extended AT SIMCOM command”) inviati all’UART.
Il modulo è internamente coordinato da un microprocessore che gestisce la comunicazione telefonica, quella dati (mediante uno stack TCP/IP integrato) e il dialogo (tramite un UART e un’interfaccia seriale TTL) con il circuito cui il cellulare si interfaccia, ovvero con il Personal Computer.
Il processore si occupa anche della gestione di una SIM da 3 o 1,8 V da montare all’esterno del modulo.
Oltre a quanto detto, il SIM800C integra un’interfaccia analogica, un A/D converter, un RTC, un bus SPI, uno I²C, ed un modulo PWM. La sezione radiomobile è compatibile GSM fase 2/2+ ed il suo trasmettitore come potenza irradiata rientra in classe 4 (2 watt) a 850/ 900 MHz (GSM 850 e EGSM 900) e in classe 1 (1 watt) a 1800/1900 MHz (DCS 1800 e PCS 1900).
La parte modem supporta il PBCCH, lo stack PPP, la modalità CSD fino a 14,4 kbps e gli schemi di codifica CS 1, 2, 3, 4.
L’alimentazione prevista per il modulo è a tensione continua di 3,9 V riferita a massa e l’assorbimento alla massima potenza in trasmissione raggiunge 1 ampere.
L’interfaccia seriale TTL serve sia a comunicare i dati relativi agli SMS ricevuti che quelli in arrivo durante le sessioni TCP/IP in GPRS (il data-rate è quello previsto dal GPRS classe 10: max. 85,6 kbps), sia a ricevere i comandi dal circuito (nel nostro caso, dal PIC che governa il telecontrollo) che possono essere sia gli AT standard, sia quelli del set proprietario SIMCom enhanced AT.
Il modulo si alimenta a tensione continua di valore compreso fra 3,4 e 4,5 V ed assorbe un massimo di 0,8 A in trasmissione; l’alimentazione viene applicata ai contatti 17 e 19 (Vcc) rispetto alla massa, facente capo ai contatti 18 e 20.
L’ingresso per il microfono MIC è filtrato da condensatori riferiti a massa e tra i due pin di input in modo da limitare la banda e trattenere eventuali disturbi captati dai collegamenti; l’uscita per l’altoparlante è anch’essa filtrata da condensatori in configurazione similare, necessari, stavolta, a sopprimere impulsi spurii derivanti dalla conversione digitale/analogica del segnale audio.
Il piedino ON/OFF del modulo serve ad accenderlo (1 logico) o a mandarlo in standby (livello basso) e in questo caso, non desiderando alcuna gestione dall’esterno lo colleghiamo alla rete R/C formata da R5 e C11, in modo da ottenere il soft-start, vale a dire da mantenerlo spento quando si applica l’alimentazione e lasciarlo accendere e diventare operativo dopo circa 6 secondi, che è mediamente il tempo di avvio.
L’uscita siglata LED serve a pilotare il LED di stato chiamato LINK nello schema, che di fatto corrisponde al LED di campo del cellulare, con il quale vengono segnalati la presenza della rete GSM, lo stato di connessione del modulo (assenza segnale di rete, presenza rete ecc.).
Passiamo adesso all’UART, il quale fa capo alle linee TXD (uscita) ed RXD (ingresso) interfacciate al convertitore USB/TTL mediante i traslatori di livello realizzati con Q1 e Q2, dei quali spieghiamo il funzionamento a partire dalla linea RXD e quindi dal traslatore facente capo al MOSFET Q1: quando il piedino 2 del converter U2 è a livello logico alto, il diodo di protezione interno al MOSFET Q1 (posto tra drain e source) è interdetto perché il source si trova negativo (è a 3,6 volt) rispetto al drain (che è mantenuto a 5 volt dal resistore di pull-up R9) e malgrado l’impulso non giunge all’RXD del modulo, quest’ultimo è mantenuto ad 1 logico dal proprio resistore di pull-up R8, alimentato con gli stessi 3,6V dei piedini Vcc.
Invece quando il contatto TX del converter USB passa a zero logico (0 V), il MOSFET è ancora interdetto (perché il suo gate è polarizzato con 3,6 volt) ma conduce il suo diodo di protezione, dato che il source è a 3,6 V mentre il catodo è a zero, quindi il livello basso sul catodo stesso trascina a zero logico (0,6V per l’esattezza) il contatto 14 del modulo GSM. Il canale RXD è unidirezionale, quindi la situazione opposta non si presenta e pertanto non è il caso di analizzarla.
Passiamo adesso alla linea TXD, unidirezionale anch’essa, spiegando che quando il contatto 12 del modulo GSM è a uno logico, il diodo di protezione del Q2 conduce e riporta tale livello all’RX dell’U2; il MOSFET rimane interdetto perché source e gate sono equipotenziali. Invece a livello logico basso sul TXD, il MOSFET va in conduzione perché il suo source ora è negativo rispetto al gate, mantenuto a +3,6V e il rispettivo drain trascina a massa la linea RX dell’U2, che pertanto ripete lo zero logico.
Restiamo ora un momento sul converter CH340 per analizzarne la porzione circuitale: si tratta di un device USB che realizza la funzione di convertitore bidirezionale da TTL a USB alimentato dal lato USB mediante i 5 volt dell’host giunti tramite il connettore USB1. Il componente supporta lo standard USB USB 2.0 ed ha un’interfaccia seriale UART full-duplex, buffer di ricezione e trasmissione integrato e supporta data-rate da 50 bps a 2 Mbps.
Inoltre gestisce lato UART (anche se noi nel nostro progetto ne facciamo a meno) i segnali di controllo RTS, DTR, DCD, RI, DSR e CTS dello standard RS232. Il clock necessario al funzionamento dell’integrato viene ricavato dall’oscillatore interno, mentre il C12 è utilizzato per filtrare la tensione del regolatore interno.
Su ciascuna delle linee TX ed RX è applicato un LED di stato polarizzato attraverso un resistore, il tutto collegato al positivo dei 5V: ciascun LED segnala l’attività dei canali dati di ricezione e trasmissione sull’interfaccia UART.
Concludiamo l’analisi circuitale con il regolatore di tensione U1, qui utilizzato per ricavare l’alimentazione del modulo GSM a partire dai 5 volt disponibili sull’USB; il componente è un LC3406 e si tratta di un DC/DC step-down ad alta efficienza (96%) di tipo buck, capace di erogare una corrente di ben 1,2 A (necessaria, visto che il modulo alla massima potenza in trasmissione assorbe circa lo stesso).
L’integrato accetta tensioni continue d’ingresso nel range tra 2,6V e 7V e fornisce una tensione d’uscita definita dal partitore resistivo R6/R7, il quale riporta una porzione della tensione d’uscita (prelevata a valle dell’induttore di filtro L1, pilotato dall’uscita SW) all’ingresso di retroazione FB; il campo della tensione d’uscita può variare da 0,6V e il valore applicato tra il piedino IN e massa.
In virtù dell’elevata frequenza di commutazione (ben 1,5MHz) i componenti di filtro L1 e C3-C4 possono avere valori e quindi dimensioni molto contenuti, a tutto vantaggio della miniaturizzazione del circuito.
L’integrato LC3406 contempla una modalità di standby attivabile mediante il piedino EN, che permette di lasciare il componente alimentato, disattivandolo o rendendolo operativo mediante applicazione di un livello logico ad esso; per l’esattezza, ponendo EN al potenziale di ingresso U1 si attiva, mentre va in standby, assorbendo una corrente trascurabile (inferiore al microampere), quando EN si trova a zero volt, ossia al potenziale del piedino GND o comunque a meno di 0,6V.
L’integrato LC3406 è incapsulato in un package SOT23-5 per montaggio superficiale.
Il modulo SIMCom SIM800C
Il modulo che realizza la connessione GSM/GPRS e quindi il cuore del modem è il SIM800C della SIMCom: si tratta di uno dei più recenti moduli cellulare Quad-band compatibili GSM/GPRS, operante sulle frequenze di 850/900/1800/1900MHz, utilizzabile sia per accessi a Internet, sia per comunicazione vocale (a patto di collegargli un microfono e un piccolo altoparlante) che SMS.
Esternamente si presenta in un package grande 24mm x 24mm x 3 mm con contatti posti sui quattro lati e sagomati ad L in modo da poter essere saldati di lato e sotto.
Il modulo è internamente gestito da un processore AMR926EJ-S che gestisce la comunicazione telefonica, quella dati (mediante uno stack TCP/IP integrato) e il dialogo (tramite un UART e un’interfaccia seriale TTL) con il circuito cui il cellulare si interfaccia.
Il processore si occupa anche della gestione di una SIM da 3 o 1,8 V da montare all’esterno del modulo.
Oltre a quanto detto, il SIM800C integra un’interfaccia analogica, un A/D converter, un RTC, un bus SPI, uno I²C, ed un modulo PWM.
La sezione radiomobile è compatibile GSM fase 2/2+ ed è di casse 4 (2 W) a 850/ 900 MHz e di classe 1 (1 W) a 1800/1900 MHz. L’interfaccia UART (seriale TTL) serve sia a comunicare i dati relativi agli SMS ricevuti che quelli in arrivo durante le sessioni TCP/IP in GPRS (il data-rate è quello previsto dal GPRS classe 10: max. 85,6 kbps), sia a ricevere i comandi dal circuito (nel nostro caso, dal PIC che governa il telecontrollo) che possono essere sia gli AT standard, sia quelli del set proprietario SIMCom enhanced AT.
Il modulo si alimenta a tensione continua di valore compreso fra 3,4 e 4,5 V ed assorbe un massimo di 0,8 A in trasmissione.
Piano di montaggio del modem GSM
Elenco componenti
R1, R2, R3: 470 ohm (0603) R4 - R5: 56 kohm (0603) R6: 560 kohm (0603) R7: 100 kohm (0603) R8, R9, R10, R11: 10 kohm (0603) C1, C3, C12: 1 µF ceramico (0603) C2, C4, C11: 220 µF 6,3 VL elettrolitico (Ø 6mm) C5, C6, C7, C8, C9, C10: 47 pF ceramico (0603) C13, C14: - XT1: - Q1, Q2: BSS138W-7-F MIC, SPK: Connettore Jack 3.5 da CS USB1: Connettore micro-USB GSM: Modulo GSM SIM800C (FT1308M) TX: LED rosso (0805) RX: LED giallo (0805) LINK: LED verde (0805) L1: Bobina 2,2 µH U1: LC3406 U2: CH340C Varie - Connettore 2x10 vie passo 2mm
Collaudo
La scheda base del modem completa di modulo SIM800C.
Il modem può essere inserito in un contenitore in plastica tipo quello che vedete nelle foto del prototipo in queste pagine: si tratta di un box in plastica delle dimensioni di 20x40x73 acquistabile con il codice prodotto SC-703, che dovrete lavorare come visibile nelle fotografie, ossia ricavando la finestrella per il connettore microUSB più i fori per i jack su una delle facce piccole e il foro per il connettore dorato della scheda GSM sulla faccia opposta.
La Fig. 3 fornisce un’idea di come montare il circuito nel contenitore suddetto e in che modo lavorare il contenitore per ricavare le aperture del caso; tra queste non figura quella per la SIM-Card in quanto la stessa si inserisce nel lettore della scheda GSM prima di chiudere il contenitore.
Per l’alimentazione utilizzerete lo stesso connettore microUSB, che oltre che per la comunicazione con il computer o altro dispositivo host, servirà per fornire l’elettricità che serve.
Per l’utilizzo del modem con i Personal Computer dovete scaricare da Internet i driver del convertitore USB CH340 dove li trovate per i sistemi operativi Windows, Linux e MacOS.
Una volta scaricati i driver e collegato il modem tramite un cavo USB adatto, quando verrà indicato che è stato trovato nuovo hardware procedete selezionando il percorso di ricerca e installando i driver. Questa è la procedura per Windows, mentre in Linux e MacOS le cose possono differire.
Ricordate che come tutti i modem cellulari, anche il nostro richiede che il modulo GSM/GPRS sia dotato di una SIM attiva e, se ricaricabile, contenente credito a sufficienza; la SIM-Card deve inoltre essere abilitata al traffico dati, cosa che di norma nelle SIM moderne è implementata senza bisogno di interventi esterni, richieste di attivazione ecc.
Conclusioni
Il modem qui descritto rappresenta una soluzione pratica e portatile per dotare di connettività GSM e Internet, sia pure di velocità che oggigiorno può essere considerata limitata (non dimentichiamoci che siamo nell’era dell’LTE, dove data-rate di decine di Mbps sono facilmente ottenibili), Personal Computer utilizzati sul campo o dove non vi sia la rete cablata per l’accesso a Internet o in mobilità, ma in generale per tutti quei dispositivi che non integrano una connessione cellulare nativamente, come gli smartphone e i moderni tablet.
La praticità di poterlo alimentare tramite la stessa porta USB utilizzata per la connessione dati e le ridottissime dimensioni (superiori a quelle di una “chiavetta modem ma pur sempre contenute) e il peso contenuto, lo rendono un utile accessorio da portare con sé negli interventi sul campo o nelle località sprovviste di connessione cablata.
Il modem non nasce per competere con le più recenti chiavette 5G ed LTE ma piuttosto per applicazioni dove serva la connessione occasionale o serva un apparato GSM capace di mettersi in contatto con uno analogo (o altro modem GSM) per instaurare un collegamento punto a punto attraverso cui ricetrasmettere quantità limitate di dati, cosa che con le chiavette non è fattibile perché nascono per l’accesso a Internet e il supporto al protocollo TCP/IP e non alla comunicazione diretta modem-modem.
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