XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Микроконтроллеры используются во всех сферах жизнедеятельности человека, устройствах, которые окружают его. Простота подключения и большие функциональные возможности. С помощью программирования микроконтроллера можно решить многие практические задачи аппаратной техники.

Arduino – это простая в использовании открытая электронная платформа, включающая так называемые стартовые наборы разработчика (starter kit) и открытое программное обеспечение и предназначенная для быстрого создания интерактивных электронных устройств. Она была создана группой энтузиастов, которые позиционировали свою разработку как платформу для быстрой реализации небольших проектов. Arduino строится на базе микроконтроллеров Atmel и используется для получения сигналов от аналоговых и цифровых датчиков, управления различными исполнительными устройствами и обмена информацией с компьютером при помощи различных интерфейсов.

Во многих приложениях необходимо оперативно передавать информацию о состоянии объекта мониторинга по беспроводным каналам связи. Одно из наиболее распространенных и удобных для этого средств – GSM-модуль, который встраивается в датчики, размещаемые на объекте.

В качестве датчика температуры выбран LM335, так как это один из самых надежных и не дорогих датчиков, которые могут быть легко откалиброваны.

Модуль для работы микроконтроллерных устройств Arduino и аналогичных в сетях сотовой связи по стандартам GSM и GPRS. Ориентирован на использование в системах автоматики и управления. Обмен данными с другими модулями происходит через интерфейс UART. Модуль собран на модуле SIM900, имеет антенну, слот для SIM карты и 2 гнезда 3,5 мм. GSM/GPRS shield представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – GSM/GPRS shield с антенной

Для разработки системы сбора данных о температуры был проведен анализ требований пользователя, в результате которого определены следующие требования:

сборка должна отправлять SMSсообщения на телефон;

сервис должен быть доступен на известных мобильных платформах;

сервис должен находиться в специальном облаке от разработчика;

приложение должно отображать уровень сигнала от модуля;

Разрабатываемое устройство должно удовлетворять следующим техническим требованиям:

иметь функцию регистрации температуры в диапазоне –40 °C до +100 °C;

иметь функцию обмена данными с использованием канала GSM по средствам AT-команд;

питаться от внешнего источника питания 5в 1 А.

Устройство GSM/GPRS shield, позволяющей Arduino работать в сетях сотовой связи по технологиям GSM/GPRS для приёма и передачи SMS с показанием изменения температуры.

Рекомендуемое номинально напряжение данного модуля лежит в диапазоне 4,8–5,2 В, было решено использовать преобразователь напряжения на основе LM, он запитывает схему постоянным напряжением 3,5 вольт. Так как потребление GSM-модуля в момент регистрации равна 2 Ампера, мы будем использовать адаптер 5 В 2 А. Ниже, на рисунке 2 представлена функциональная структура системы.

Рисунок 2 – Функциональная схема системы подключения

В соответствии с техническим заданием требуется разработать принципиальную схему системы. Основой системы является плата Arduino и модуль SIM900. Обмен данными между модулями происходит посредством интерфейса UART. Ниже приведены порты платы Arduino и модуля SIM900.

Таблица 1 – Порты Arduino

Обозначение порта	Тип порта	Значение	Уровень напряжения
5V		Выход 5 В	5 В
3.3V		Выход 3.3 В	3.3 В
Vin		Внешнее напряжение	От 6 до 20В
Reset		Сброс	0 В
GND		Земля
A0	Аналоговый вход	Вход АЦП
A1	Аналоговый вход	Вход АЦП
A2	Аналоговый вход	Вход АЦП
A3	Аналоговый вход	Вход АЦП
A4	Аналоговый вход	Вход АЦП
A5	Аналоговый вход	Вход АЦП
PIN0	Цифровой порт	Вывод RX Serial порта	5 В или 0 В
PIN1	Цифровой порт	Вывод TX Serial порта	5 В или 0 В
PIN2	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN3	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN4	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN5	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN6	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN7	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN8	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN9	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN10	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN11	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN12	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В
PIN13	Цифровой порт	Цифровой вход-выход	5 В или 0 В

Таблица 2 – Порты модуля SIM900

Обозначение порта	Тип порта	Значение	Уровень напряжения
V	Порт питания	Порт питания модуля	От 4,8–5,2 В
GND	Земля	Земля модуля	Земля
GND	Земля	Земля слота SIM	Земля
SIM_TXD	Цифровой порт	Вывод TX Serial порта	От 2.5 – до 3 В
SIM_RXD	Цифровой порт	Вывод RX Serial порта	От 2.5 – до 3 В
RST	Сброс	Перезагрузка модуля	От 1 – до 4 В

Принципиальная схема системы представлена ниже.

Рисунок 3– Принципиальная схема системы

На управляющей плате помимо микроконтроллера ATmega328 стоит модуль питания, выполненный на преобразователе LM, он запитывает схему постоянным напряжением 3,5 вольт. В принципе подойдет любой другой источник питания, главное, чтобы он был способен кратковременно вытянуть до 2 ампер.

Линия Control идущая от коллектора транзистора Q2 к выводу PortD.4 микроконтроллера добавлена для перестраховки и нужна за тем чтобы следить включен ли модуль. Так как порог выключения у SIM900 составляет 3,2 вольта то даже при незначительной просадке напряжения модуль автоматически выключится, тогда как микроконтроллер продолжит работать и выполнять программу (порог сброса у ATmega328 2,7 вольта). В рабочем состоянии на этой линии находится низкий уровень. Если микроконтроллер обнаружит что на этой линии высокий уровень, выполнится функция повторного запуска GSM модуля.

За измерение температуры отвечает датчик LM328, он подключается к выводу PortD.0 микроконтроллера.

Алгоритм, представляет собой бесконечный цикл, выполнение которого прекращается при вводе непредусмотренного значения.

Рисунок 3 - Алгоритм МПС

На блок- схеме показаны функции, которые помогают отправить SMS сообщение об изменении температуры окружающей среды:

в строке currStr хранится текущая строка, которую передает нам плата;

AT+CMGF – задаёт режим работы, 1-текстовый. Эта команда будет вызываться первой, от этого зависит формат последующих команд и ответов модема;

AT+IFC=1,1 – программный контроль передачи данных;

AT+CPBS=SM – выбор основной памяти сим-карты. Данный режим стоит по умолчанию;

AT+CNMI – разрешение индикационного содержимого SMS сообщений.

Скетч у нас выглядит таким образом, что Arduino отправляет sms-сообщение с данными температуры только при получении приходящего сообщения с текстом «temp». Результат работы показан на рисунке 5.

Рисунок 5 – Результат работы

Таким образом, в данной работе было произведено проектирование аппаратной части, разработана принципиальная схема устройства, разработан алгоритм программного обеспечения, реализация которого осуществлена на языке Arduino C++ (программный код опущен). В конечном итоге была разработана система сбора данных о температуре.

Список использованных источников:

Arduino gsm модуль: принцип работы, популярные модели [Электронный ресурс]. URL: https://bezopasnostin.ru/gsm-signalizatsiya/gsm-moduli-arduino.html#i-3

LMx35, LMx35A Precision Temperature Sensors [Электронныйресурс]. https://components101.com/asset/sites/default/files/component_datasheet/LM335-Temperature-Sensor.pdf

АРДУИНО - КИТ [Электронный ресурс]. URL: https://arduino-kit.ru/catalog/id/shield-gprs-gsm-sim900-s-antennoy

Код для цитирования: Скопировать