Tecnología GSM aplicada en automatización a través de micro-controladores

El documento reúne información acerca del funcionamiento de la tecnología GSM, el lenguaje de programación de los módulo GSM. La aplicación de estos módulos que junto con los micro-controladores, nos introducen en campos como la automatización. Así como también el diseño del proyecto que consiste en comunicar un micro-controlador PIC18F4550 con un modulo GSM/GPRS M12Z111 cuatri-banda, para la recepción/envió de SMS para ejecutar una orden de acuerdo al contenido del mismo.

Index Terms—Automatización, Comandos AT, Módulo GSM, Micro-controladores.

I. INTRODUCCIÓN.

Las telecomunicaciones es un campo dinámico, y en los últimos años su exponente ha sido la telefonía celular, surgió como evolución de los tradicionales sistemas de RF por VHF o UHF al contarse con dispositivos semiconductores capaces de operar a frecuencias cada vez mayores, la disponibilidad de redes de comunicaciones y de sistemas de cómputo más poderosos y económicos.[1]

Con la aparición de nuevas normas de transmisión también aparecieron nuevas funcionalidades y por ende áreas de aplicación que han excedido a la simple telefonía. El caso del GSM, a través de sus facilidades de transmisión de datos, es un claro ejemplo. [3]

Actualmente en el mundo existe una total penetración de la telefonía móvil. En nuestro país más del 90 % del territorio cuenta con cobertura GSM debido al fácil acceso, el bajo costo y el gran número de usuarios, permitiendo de esta forma desarrollar aplicaciones con el uso de esta red , que no solo permitan comunicación sino desarrollo tecnológico como la automatización, que es la aplicación de este proyecto.

El presente documento está estructurado de la siguiente manera: II. Tecnología GSM, III. Comandos AT, IV. Dispositivos utilizados, V. Pruebas y resultados, VI. Diseño del sistema, VII. Implementación física y características del proyecto, VIII. Conclusiones, IX Referencias.

II. TECNOLOGÍA GSM.

La telefonía celular digital, es el sistema de comunicaciones móviles más utilizado. La tecnología GSM utiliza técnicas de tiempo y por división de frecuencia (TDMA y FDMA) para optimizar la capacidad de carga de una red inalámbrica.[2]

Los terminales GSM pueden operar en al menos dos bandas de frecuencia, una casi el doble que la otra, lo que mejora las posibilidades de comunicación. Las frecuencias hoy en uso son de 850MHz y 900 MHz (frecuencias bajas, con hasta 2W de potencia) y 1,8GHz y 1,9GHz en frecuencias altas (con hasta

1W de potencia), no existiendo un uso de frecuencias común a todos los países, esto plantea una limitación de compatibilidad para terminales bi-banda o tri-banda, por lo que la tendencia es hacia módulos cuadri-banda.[3]

GSM propuso el uso de técnicas de compresión de voz y de transmisión de datos en forma digital que no estaban aún disponibles en el momento de la especificación, y que significaban un enorme cambio respecto a los sistemas preexistentes analógicos como AMPS (Advanced Mobile Phone Service, utilizado entonces en USA) y TACS (Total Access Communication System, usado entonces en Inglaterra). [1]

GSM usa TDMA (cada canal de RF de 200kHz es dividido en 8 períodos de tiempo, permitiendo de este modo 8 conversaciones simultáneas en la misma frecuencia de radio; también permite dividir ese tiempo en 16 secciones (time-slots) con un régimen de datos inferior (half-rate).[3]

En frecuencias bajas, para GSM se asignan 50MHz de ancho de banda, 25MHz para el enlace de subida (uplink) y otros 25MHz para el enlace de baja (downlink), es decir 125 canales de subida y otro tanto de bajada; en frecuencias altas se asignan 100MHz, 50MHz para uplink y 50MHz para downlink, resultando en el doble de canales disponibles. [2]

El servicio más importante y utilizado que presenta GSM son los mensajes cortó SMS. El servicio de mensajes cortos SMS permite él envió/recepción de mensajes breves de texto, el tamaño máximo es de 160 caracteres. Al recibir el mensaje además del texto se obtiene una serie de datos como es el remitente, la hora y la fecha de recepción.[2]

El SMS usa un protocolo sin conexión, cuando se trasmiten un mensaje no se produce ninguna conexión directa entre el terminal que envía y el que recibe.

Para el envió de un SMS, es necesario que el dispositivo GSM tenga configurado el número telefónico del centro de mensajes propio del operador. Una vez enviado el SMS es transmitido desde la red hacia el teléfono destino. Si este permanece apagado o fuera de cobertura, la red reintentara enviar el mensaje durante 48 horas pasado este lapso de tiempo el sms no se entrega

En el estándar GSM hay especificados dos tipos diferentes de SMS.[1]

SMS point to point: enviar un texto de un teléfono GSM a otro.

SMS cell broadcast: enviar uno o más mensajes simultáneamente.

III. COMANDOS AT

Los comandos AT son instrucciones codificadas que conforman un lenguaje de comunicación entre el hombre y un terminal MODEM.[8]

La finalidad de los comandos AT es la comunicación con módems, la telefonía móvil GSM también ha adoptado este lenguaje para poder comunicarse con sus terminales. De esta forma, todos los teléfonos móviles GSM poseen un juego de comandos AT específico que sirve de interfaz para configurar y proporcionar instrucciones a los terminales, permiten acciones tales como realizar llamadas de datos o de voz, leer y escribir en la agenda de contactos y enviar SMS, además de otras opciones en la configuración del terminal.[7]

El envío de comandos AT requiere la siguiente estructura:

Figura 1. Estructura de envió comandos AT,: Carriage return, más conocido como la tecla ENTER (?)

Lista de Comandos AT importantes.[7] Comandos generales

AT+CGMI: Identificación del fabricante. AT+CGSN: Obtener número de serie. AT+CIMI: Obtener el IMSI.

AT+CPAS: Leer estado del modem. Comandos del servicio de red

AT+CPMS: Seleccionar lugar de almacenamiento de los SMS.

AT+CMGF: Seleccionar formato de los mensajes SMS. AT+CMGR: Leer un mensaje SMS almacenado. AT+CMGL: Listar los mensajes almacenados AT+CMGS: Enviar mensaje SMS.

AT+CMGW: Almacenar mensaje en memoria. AT+CMSS: Enviar mensaje almacenado

AT+CSCA: Establecer el Centro de mensajes a usar. AT+ WMSC: Modificar el estado de un mensaje. AT+CSQ: Obtener calidad de la señal.

AT+COPS: SeleccióDomótica,n de un operador. AT+CREG: Registrarse en una red.

AT+WOPN: Leer nombre del operador. Comandos de seguridad:

AT+CPIN: Introducir el PIN

AT+CPINC: Obtener el número de reintentos que quedan

AT+CPWD: Cambiar password

Comandos para la agenda de teléfonos AT+CPBR: Leer todas las entradas. AT+CPBF: Encontrar una entrada.

AT+CPBW: Almacenar una entrada.

AT+CPBS: Buscar una entrada. Comandos para SMS

AT+CPMS: Seleccionar lugar de almacenamiento de los SMS.

AT+CMGF: Seleccionar formato de los mensajes SMS. AT+CMGR: Leer un mensaje SMS almacenado. AT+CMGL: Listar los mensajes almacenados AT+CMGS: Enviar mensaje SMS.

AT+CMGW: Almacenar mensaje en memoria. AT+CMSS: Enviar mensaje almacenado

AT+CSCA: Establecer el Centro de mensajes a usar. AT+ WMSC: Modificar el estado de un mensaje.

IV. DISPOSITIVOS UTILIZADOS

Entre los dispositivos que se uso en el diseño del proyecto se encuentran: Modulo GSM/GPRS M12Z111, Microcontrolador PIC18F4550, Modulo MAX232.

IV-A. Módulo GSM/GPRS M12Z111

El módem GSM M12Z111 Fig.2 es pequeño en dimensiones (80x33x10 mm), capaz de establecer no sólo comunicaciones de voz, sino también canales de datos para el envío de mensajes diferidos (SMS) o enlaces de datos de alta velocidad por conmutación de paquetes.

Este módulo es utilizado debido a sus prestaciones y el costo accesible.

Figura 2. Módulo GSM/GPRS M12Z111

Características:[6]

Interfaz de comando AT . Soporta GSM/GP RS.

Conector de antena 50? interfaz SM A hembra. Velocidad de transmisión 1200 ~ 115200 bps. LED: indicación de estado.

Interfaz DB9: RS232/RS485/T T L Adaptador de voltaje 110 VAC-9VDC. Organismo de control (software y hardware). Detector de cobertura.

Carcasa de acero contra interferencia electromagnética. Ventajas de modulo GSM/GPRS M12Z111.

Diseño industrial con capacidades de software inteligente, la solución móvil fiable para la recopilación y transmisión de datos

Plug-and-play de fácil de usar interfaz de software para una fácil integración.

Fácil de manejar y controlar los dispositivos remotos distribuidos a través del aire.

Monitor remoto de datos y control.

Confiable conectividad de red GSM / GPRS, proporcionando amplia cobertura.

Manejo de voz, GPRS, SMS.

Aplicaciones del módulo GSM/GPRS M12Z111: Monitor remoto de datos y control.

Lectura automática de medidores.

Supervisión de la estación y el control. Gestión de flotas.

Red de supervisión de distribución de energía. Sistema de supervisión de calefacción central.

IV-B. Micro-controlador PIC18F4550

El Micro-controlador utilizado para realizar el mando del módulo GSM/GPRS M12Z111 así como para las demás funciones de automatización es el PIC18F4550. Se utiliza este dispositivo por su fácil acceso, altas prestaciones y características como memoria, numero de pines,asi tambien lleva incorporado un modulo de comunicación serie indispensable para la interfaz del micro-controlador y el dispositivo GSM.

En la Fig.3 se presta el pinout del micro-controlador

PIC18F4550.[5]

Figura 3. Micro-controlador PIC18F4550

La plataforma de programación usada es MikroC de la empresa Mikroelektronica, por su desarrollo en librerías así como la información que proporciona a cerca de su software. IV-B1. MÓDULOS DE COMUNICACIÓN SERIE: El USART es uno de los primeros sistemas de comunicación serie. Las versiones nuevas de este sistema están actualizadas y se les denomina EUSART.

El EUSART integrado en el PIC18F4550 posee las siguientes características:

Transmisión y recepción asíncrona en modo Full-duplex. Caracteres de anchura de 8 – 9 bits programables. Detección de dirección en modo de 9 bits.

Detección de errores por saturación del búfer de entrada. Comunicación Half Duplex en modo síncrono.

IV-C. Módulo MAX232

El módulo MAX232 es un circuito integrado que convierte las señales de un puerto serie RS-232 a señales compatibles con los niveles TTL de circuitos lógicos. El MAX232 sirve como interfaz de transmisión y recepción para las señales RX, TX.

Sólo necesita una alimentación de 5V, ya que genera internamente algunas tensiones que son necesarias para el estándar RS232. Otros integrados que manejan las líneas RS232 requieren dos voltajes, +12V y -12V.

El MAX232 soluciona la conexión entre el puerto serie de una PC y cualquier otro dispositivo con funcionamiento en base a señales TTL/CMOS, como el micro-controlador que se maneja con señales TTL.[4]

El circuito integrado posee dos conversores de nivel TTL a RS232 y otros dos que, a la inversa, convierten de RS232 a TTL, la Fig.4 muestra su conexión, es aconsejable utilizar todos los condensadores de 1&µF .

Figura 4. Modulo MAX232

V. PRUEBAS Y RESULTADOS

Las pruebas para comprobar el funcionamiento del dispositivo GSM a través del Hyperterminal son necesarias para comprobar los comandos AT, y sus respuestas.

Insertar la tarjeta SIM que este en funcionamiento, para el caso se inserta una SIM de la operadora Movistar, que sirve como numero asignado al modulo GSM para así poder realizar el control de la transmisión de datos.

Colocar la tarjeta SIM como se muestra en la Fig.5.

Figura 5. Tarjeta SIM colocada

Colocada la tarjeta SIM, conectar la antena además del cable serial del modulo a la PC, Fig.6, luego de esto energizar.

Figura 6. Conexión del módulo al PC

Luego de esto abrir el hyperterminal, se recomienda utilizar el que viene en el paquete de Windows XP, ya que presenta un mejor funcionamiento. aparece una ventana similar, Fig.7.

Figura 7. Ventana Inicio Hiperterminal

Nombrar la conexión, escoger el puerto de comunicación, Fig.8.

Figura 8. Puerto de conexión

Establecer los parámetros de conexión, Fig.9, ya que el modulo tiene una tasa de transferencia propia, es necesario realizar varia pruebas para saber la tasa de transferencia del modulo, esta se puede modificar a través de comandos AT.

Para este caso el modulo esta configurado a 9600 bps.

Figura 9. Parámetros de conexión

Una vez configurado la conexion del hyperterminal, aparece una pantalla en blanco. Aparecen la respuesta del módulo GSM que nos indica que esta configurado y listo para su uso.

Figura 10. Configuración exitosa del Módulo.

Digitar los comandos que realizan alguna acción en especifico.

Para este ejemplo, Fig.11: digitar AT, que es un comando de comprobación, el modulo devuelve la palabra OK, además el comando ATD072862213, que es el numero de la Universidad Politécnica Salesiana, este comando realiza una llamada telefónica al numero que se especifique.

Figura 11. Respuesta de los comandos AT.

Recepción de un SMS a través del dispositivo GSM que ejecuta la orden asignada de acuerdo al contenido. Fig.12.

Figura 12. Recepción de un SMS.

Las tramas de comunicación se las observo en un osciloscopio.Fig.13.

Figura 13. Tramas de comunicación.

VI. DISEÑO DEL SISTEMA

Es necesario conocer la estructura del hardware que se va a utilizar para realizar una programación adecuada, el diagrama a bloque, Fig.14, expone la composición de lógica que se debe seguir para la programación del micro-controlador.

Figura 14. Diagrama a Bloques Proyecto.

Bajo este criterio la configuración tiene la siguiente lógica. Fig.15.

Figura 15. Lógica de programación del micro-controlador.

VII. IMPLEMENTACIÓN FÍSICA Y CARACTERÍSTICAS DEL PROYECTO

El funcionamiento del proyecto consiste: Mediante un SMS desde cualquier teléfono celular se le indica el modulo que cumpla una orden, el mismo comparte esta orden con el Microcontrolador el cual la procesa y hace posible la ejecución de dicha orden.

Una característica del proyecto, es que además de cumplir la orden remotamente, el modulo devuelve un SMS al usuario confirmando que se cumplió o si existo alguna anomalía en la ejecución de la misma.

La implementación realizada es la apertura y cierre de la cubierta de la maqueta,Fig.16, mediante SMS, teniendo éxito en el cumplimento de la orden.

Figura 16. Implementación para proyecto.

VIII. CONCLUSIONES

[1] Una vez encendido el modulo tiene un tiempo de reconocimiento de red y para la conexión tarda alrededor de 20 segundos. Se aconseja esperar unos 10 segundos mas para que la sincronización con el micro-controlador sea la adecuada.

[2] En la recepción de SMS se recibe destinatario, fecha y se almacenan en un vector de datos, la dirección que debe considerarse para su reconocimiento es la posición 46, a partir de aquí los datos son validos y sirven para procesarlos.

[3] La velocidad de transferencia del modulo GSM así como la del micro-controlador deben ser la mismas para que exista sincronía en el envió y recepción de datos.

REFERENCIAS

[1] Tecnologia GSM, Cooperativa Telefónica de Villa, Gdor. Gálvez Ltda. Enric Forner Clavijo, www.coopvgg.com.ar.

[2] Control de modem GSM desde microcontrolador, Cristian Paniagua; Universidad de Roviera, Junio 2008

[3] Módulos gsm/gprs/(gps) de Siemens G. Jaquenod, Componentes Electrónicos ELKO, 2008

[4] Datasheet, Max232, Texas Instrument, SLLS047I, www.ti.com. [5] Datasheet, PIC18F2455/2550/4455/4550 , Microchip, DS39632B,www.microchip.com.

[6] User Manual, M1 Series Wireless Modem, 2/24/2010, Forwell Wireless Co., Ltd., Shandy Feng, www.forwellwireless.com

[7] AT Command Manual For ZTE Corporation"s ME3000 Module, ZTE Corporation.

[8] M12 GPRS Modem Datasheet, Forwell Wireless Co., Ltd., Shandy Feng, www.forwellwireless.com

Autor:

Julio Cesar Montesdeoca Contreras

David Valencia Redrovan