Энергоэффективная GSM-сигнализация на основе Arduino. Сборка. Прошивка. Тест.

Весна, как известно, сопровождается всевозможными обострениями и вот главное «обострение» повылазило из своих нор на улицу, дабы присвоить себе то, что ему не принадлежит. А значит тема защиты своего имущества становится, как никогда, актуальной.
На сайте уже есть несколько обзоров на самодельные GSM-сигнализации. Они конечно функциональны, однако у всех имеется общая особенность — зависимость от розетки. Если с недвижимостью, где уже подведено электричество, это не проблема, то как быть с имуществом, где розетка далеко или окрестности вовсе обесточены? Я решил пойти другим путём — собрать долгоживущий, максимально простой и независимый от сетевого питания девайс, который будет всё время отсыпаться, а при проникновении грабителей, запускаться и отзваниваться хозяину на телефон, сигнализируя простым звонком о тревоге.

Предметы обзора

Покупные:
1. Макетная плата односторонняя 5x7 см: гетинакс — 1.72$/10шт. или стеклотекстолит 3.53$/10шт.
*- стеклотекстолит намного качественнее гетинакса.
2. Модуль Neoway M590 — 1.55$, с антенной на текстолите — 2.25$
3. Arduino Pro Mini «RobotDyn» ATmega168PA 8MHz 3.3V — 2.45$
4. Плата контроля заряда-разряда лития — 0.36$

Добытые на развалах цивилизации:
1. Стойки для платы, выпиленные из корпусов приборов — 6шт.
2. Аккумулятор литиевый плоский 1300mAh
3. Скобы, используемые для фиксации кабеля к стене
4. Ластик канцелярский
5. Медная проволока толщиной 1.5мм
6. Приборный корпус с местного радиорынка — 1.5$
7. Пара светодиодов разного цвета (взял с VHS-плеера)
8. Антенна и кнопка с колпачком (взял с Wi-Fi роутера)
9. 4-х контактный клеммник (взял со с диммера)
10. Разъём питания (взял со старого зарядника для 18650)
11. Разъём 6-пиновый (взял с DVD-привода)
12. Жестяная банка (из-под кофе например)

Arduino Pro Mini «RobotDyn» Atmega 168PA 3.3V 8MHz

Технические характеристики:
Микроконтроллер: ATmega168PA
Рабочее напряжение прямое: .8 — 5.5 В
Рабочее напряжение через стабилизатор LE33: 3.3 В или 5 В (в зависимости от модели)
Рабочая температура: -40°C… 105°C
Входное напряжение: 3.35-12 В (модель 3.3 В) или 5-12 В (модель 5 В)
Цифровые Входы/Выходы: 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11)
Аналоговые входы: 6
Таймеры-счётчики: два 8-битных и один 16-битный
Режимы энергосбережения: 6
Постоянный ток через вход/выход: 40 мА
Флеш-память: 16 Кб (2 используются для загрузчика)
ОЗУ: 1 Кб
EEPROM: 512 байт
Ресурс записи/стирания памяти: 10,000 Flash/100,000 EEPROM
Тактовая частота: 8 МГц (модель 3.3 В) или 16 МГц (модель 5 В)
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK)
I2C: A4 (SDA) и A5 (SCL)
UART TTL: 0 (RX) и 1 (TX)
Даташит: 48PA/88PA/168PA

Выбор пал на данную атмегу совершенно случайно. на одном форуме, где обсуждались энергоэкономичные проекты, в комментариях попался совет использовать именно 168-ю атмегу.
Однако пришлось повозится, чтобы такую плату отыскать, поскольку сплошь и рядом все лоты были завалены 328-ми атмегами на частоте 16МГц, работающими от 5В. Для моего проекта такие характеристики были избыточны и неудобны уже изначально, поиски усложнились.
В итоге набрёл на 3.3-вольтовую версию Pro Mini на Atmega 168PA на eBay, причём не простую китайскую, а под брендом RobotDyn от российского разработчика. Да, у меня тоже сначала, как и у вас, возникло зерно сомнения. А зря. Когда проект уже был собран, а AliExpress ввёл обязательную платную доставку для дешёвых товаров (после которой посылки стали теряться гораздо чаще), тo позже заказал обычную Pro Mini Atmega168 (без PA) 3.3V 8MHz. Я немного экспериментировал с режимами энергосбережения c обеими платами, прошивая в каждую специальный скетч, погружающий микроконтроллер в максимальный режим энергосбережения и вот что вышло:
1) Arduino Pro Mini «RobotDyn»: при подаче питания на стабилизатор напряжения (вывод RAW) и выпаянном светодиоде потребляемый ток составил ~250мкА
2) Arduino Pro Mini «NoName»: при подаче питания на стабилизатор напряжения (вывод RAW) и выпаянном светодиоде потребляемый ток составил ~3.92мА


— как вы поняли, разница в энергопотреблении почти в 16 раз, всё потому, что в NoName'мовской Pro Mini используется связка Atmega168+AMS1117, из которых сам МК ест всего 20мкА тока (это я проверил отдельно), всё остальное обжорство приходится на линейный преобразователь напряжения AMS1117 — даташит это только подтверждает:

В случае с платой от RobotDyn связка уже несколько иная — это Atmega168PA+LE33 — здесь применён уже другой LDO-стабилизатор, чьи характеристики в плане энергосбережения оказались более приятными:

Выпаивать я его не стал, поэтому не могу сказать, сколько Atmega168PA потребляет тока в чистом виде. В данном случае мне хватило ~250мкА при питании от нокиевского литиевого аккумулятора. Однако если выпаять AMS1117 c NoName'мовской платы, то ATmega168-я обычная, в чистом виде, как я и сказал выше, потребляет 20мкА.
Светодиоды, стоящие по питанию можно сковырнуть чем-то острым. Это не проблема. Стабилизатор выпаивал феном. Однако не у каждого есть фен и навыки работы с ним, поэтому оба вышеприведённых варианта имеют право на существование.

Модуль Neoway M590E

Технические характеристики:
Частоты: EGSM900/DCS1800 Dual-band, or GSM850/1900 or Quad-band
Чувствительность: -107dBm
Максимальная мощность передачи: EGSM900 Class4(2W), DCS1800 Class1(1W)
Пиковый ток: 2А
Рабочий ток: 210мА
Ток в спящем режиме: 2.5мА
Рабочая температура: -40°C… +85°C
Рабочее напряжение: 3.3V… 4.5V (рекомендуемое 3.9V)
Протоколы: GSM/GPRS Phase2/2+, TCP/IP, FTP, UDP etc.
Интернет: GPRS CLASS 10
Даташит: M590

Самый дешёвый GSM-модуль, что можно найти на рынке, как правило б/у, выпаянный не всегда ловкими китайскими руками с оборудования. Почему не всегда ловкими? Да всё из-за выпайки феном — нередко людям эти модули приходят с закороченным плюсом и минусом, что является одной из причин их неработоспособности. Поэтому первым делом необходимо прозванивать контакты питания на короткое замыкание.

Примечание. Отдельный немаловажный, на мой взгляд, момент хотелось бы отметить — эти модули могут приходить с круглым коаксиальным разъёмом под антенну, что позволяет отдельно заказать антеннку посерьёзнее и без плясок с бубном её к модулю подключить. А могут приходить и без этого разъёма. Это если говорить о самых дешёвых наборах. Если не хочется уповать на счастливую случайность, то есть наборы чуть подороже, где этот разъём присутствует + в комплекте идёт внешняя антенна на текстолитовой плате.

Этот модуль к тому же ещё и капризен до питания, поскольку в пике он потребляет до 2А тока, а диод, идущий в комплекте, вроде как задуман для понижения напряжения с 5В (почему и написано на самой плате 5В) до 4.2В, но судя по жалобам народа, он создаёт больше хлопот, чем пользы.
Допустим этот модуль у вас уже собран, а вместо диода впаяна перемычка, поскольку мы не собираемся подавать на него напряжение 5В, а будем питать его напрямую от литиевого аккумулятора, что укладывается в пределы допустимых напряжений 3.3-4.2В.
Надо будет его как-то ещё подключить к компьютеру, и проверить на работоспособность. Для этого случая лучше заранее прикупить себе USB-TTL-конвертер на CP2102 — посредством него мы будем общаться с модулем и платами Arduino по последовательному интерфейсу UART (USART).
Подключение показано ниже на картинке (нарисовал, как умею):
TX модема >>> RX конвертера
RX модема <<< TX конвертера
Плюс аккумулятора — Плюс модема
Минус литиевого аккумулятора объединён с GND модема и GND конвертера
Для запуска модема вывод BOOT через резистор 4.7 кОм подать на GND

Тем временем, на компьютере запустить программу Terminal v1.9b. Обратить внимание на настройки:
1) Выбрать COM-порт, к которому подключен TTL-конвертер, в моём случае это COM4, у вас может быть другой.
2) Выбрать скорость обмена данными. (Тут есть нюанс, ибо сами модули могут быть настроены под разные скорости, чаще всего 9600 бод или 115200 бод. Здесь нужно подбирать опытным путём, выбрав какую-то скорость, соединившись, и отправив команду АТ, если в ответ приходят крякозябры, то отключится, выбрать другую скорость и повторить команду. И так, пока не придёт в ответ ОК).
3) Выбрать длину пакета (в данном случае 8 бит), бит чётности отключен (none), стоп-бит (1).
4) Обязательно поставить галку +CR, и тогда к каждой посылаемой нами на модуль команде в конце будет автоматически добавляться символ переноса каретки — модуль понимает команды только с этим символом в конце.
5) Соединение, тут всё понятно, нажали и можем работать с модулем.


Если нажать на «Соединение» и после этого запустить модуль, подав BOOT через резистор 4.7К на землю, то сперва в терминале высветится надпись «MODEM:STARTUP», затем, через некоторое время надпись"+PBREADY", означающая, что была прочтена телефонная книга, несмотря на то, что она может быть пустой:

Под этим спойлером АТ-команды с примерами

Печатаем команду AT — в ответ модуль нам присылает нашу команду, поскольку включен режим эха, и OK:


Проверим статус модема командой AT+CPAS — в ответ опять наша команда, +CPAS: 0 и ОК.
0 — означает, что модуль готов к работе, но в зависимости от ситуации могут быть и другие цифры, например 3 – входящий звонок, 4 – в режиме соединения, 5 – спящий режим. По 1 и 2 информации не нашёл.


Изменение скорости передачи данных по UART происходит командой AT+IPR=9600 — это если нужна скорость 9600. Если какая-то другая, аналогично AT+IPR=19200 к примеру или AT+IPR=115200.


Проверим сигнал сети. AT+CSQ, в ответ приходит +CSQ: 22,1 — значение до запятой имеет диапазон 0… 31 (115… 52дБл) — это уровень сигнала, чем больше, тем лучше. Но 99 означает его отсутствие. Значение после запятой — качество сигнала 0… 7 — здесь уже наоборот, чем число меньше, тем лучше.


Отключим режим эха, отправив команду ATE0, чтобы дублирующие команды не мешались. Обратно этот режим включается командой ATE1.


Посмотреть версию прошивки AT+GETVERS

Эти и многие другие команды можно посмотреть здесь.

Совмещение плат

Если Pro Mini припаять к макетной плате труда не составляет, то с GSM-модулем дело обстоит несколько сложнее, т.к. контактная гребёнка у него расположена только лишь с одной стороны и если припаять только её, то другая сторона платы останется просто висеть в воздухе. Тогда, опять же на глаз пришлось сверлить дополнительные 3 отверстия возле трёх углов на плате. Затем области вокруг каждого из отверстий были зачищены от маски. Для удобства, на беспаечную макетную плату (белую) поместил разъединённые выводы от гребёнки и, установив на них плату GSM-модуля нормально запаял:


Позже пришлось делать ещё одно отверстие, в моём случае на букве «I», где написано «Мade In China», с краю платы.

Получилось так, что добавленный контакт, который по сути является GND, стал находится рядом c GND платы Pro Mini, и тем самым появилась возможность объединить землю GSM-модуля и Pro Mini каплей припоя (длинный вывод посередине и справа от него вывод Pro Mini) — стрелочками их отметил. Кривовато конечно вышло, зато надёжно теперь держится:



Между платами осталось некоторое пространство — в него я поместил плату контроля заряда разряда лития с предварительно выпаянным microUSB-разъёмом и припаянными проводами.


Платка входит туда очень плотно, при этом свечение светодиодов сбоку будет хорошо заметно через небольшое отверстие в корпусе.

Стойки для платы

Чтобы надёжно закрепить плату внутри корпуса, пришлось потратить пару дней на раздумия, как это можно реализовать. Вариант с термоклеем не рассматривался по нескольким причинам — он может отвалиться, деформироваться и самое главное — конструкция получилась бы трудно разбираемой.
Пришёл к мысли, что самым простым и правильным вариантом здесь будет применить стойки, которых естественно у меня не было. Однако было пару нерабочих зарядников, откуда было выпилено по одной длинной стойке с резьбой под саморезы. Каждая стойка была распилена пополам допилена напильником до примерно 9.5мм — именно при такой высоте расположенный под платой аккумулятор имеет достаточный запас, примерно в 2мм — это сделано для того, чтобы паянные контакты платы своими остриями не касались него и чтобы была возможность вложить между ними кусочек поролона для фиксации.
Что касается прикрепления платы непосредственно к корпусу, то здесь нарезал четыре полоски из банки из-под кофе, на концах которых просверлил по отверстию, затем закрепил их на тех же саморезах, которые вкручены в стойки. Ниже на фото посмотрите, как это выглядит.
Следующий этап — прикрутить пару стоек с другой стороны платы, то есть сверху, чтобы при закрытом корпусе, крышка слегка упиралась в эти стойки, создавая дополнительную фиксацию. Чуть позже, под это дело мне в руки попался корпус из-под советского пропагандистского радио (если бы он нашёлся раньше — все стойки взял бы отсюда), где нашёл парочку более-менее подходящих по высоте, но сперва я их по центру рассверлил дрелью под саморезы. Потом спилил их и также допилил напильником, убрав излишки. Тут у меня вышла одна тонкость — на фото можно заметить, что одна белая стойка прикручена к гетинаксовой плате с краю, а другая белая — непосредственно к плате модуля, т.к. с одного края плата модема полностью закрывает собой плату нижнюю, а с противоположного края — наоборот — выглядывает уже нижняя. При этом в обеих платах пришлось дополнительно рассверливать отверстия, чтобы шляпки саморезов могли свободно пройти.
Ну и наконец, осталось сделать так, чтобы плата всегда была параллельна корпусу — под это дело замечательно подошли скобы, которые применяют для фиксации проводов и кабелей на стене, гвозди из них я предварительно извлёк. Скобы хорошо цепляются к плате вогнутой стороной без каких-либо дополнительных приспособлений, единственное — справа от SIM-карты, ширина скобы оказалась избыточной и пришлось её также отшлифовать.
Все детали подгонялись на глаз и опытным путём, ниже фото всего вышесказанного:

Разъёмы. Светодиоды. Кнопка.

Так как гребёнка у меня закончилась, пришлось с платы DVD-привода демонтировать 6-пиновый разъём, который припаял затем к Pro Mini, это для удобства перепрошивки платы. Рядом же припаял круглый разъём (нокиевский 3.5мм) для заряда лития.


Корпус 6-пинового разъёма немного допилил напильником, ибо его края немного выступали над корпусом. Гнездо зарядки идеально плотно упёрлось в стенку корпуса.


С другой стороны платы припаял кнопку для перезагрузки устройства и два светодиода для отладки прошивки — красный светодиод подключен к GSM-модулю, второй зелёный светодиод к 10-му выводу Pro Mini — по нему мне проще отлаживать программу.

Доработка аккумулятора

Плоский нокиевский аккумулятор от телефонов Nokia не менее распространённый элемент, чем 18650, однако многие попросту отказываются от его использования из-за неудобства подключения контактов, которые на самом аккумуляторе утоплены вглубь. Паять их нежелательно, поэтому решено было воспользоваться способом, предложенным этими весёлыми ребятами, а именно сделать из канцелярского ластика и медной проволоки (толщиной 1.5мм) контактную колодку самому.
Сперва проткнул кусочек ластика двумя проволоками с предварительно зачищенными концами, и прикинул к контактам аккумулятора, чтобы расстояние между ними совпадало,
кончики загнул, залудил паяльником, а за длинные концы чуть вытащил назад, чтобы полученные контакты оказались утоплены в ластик.



Примерка на аккумуляторе:


Закрепить контактную колодку можно канцелярской резинкой или замотать синей изолентой, что я и сделал в итоге.

Сборка.

Основная часть работы сделана, осталось всё это собрать и зафиксировать.
Между аккумулятором и платой вложил кусочек поролона, чтобы тот не елозил потом внутри корпуса. На питание модуля я дополнительно припаял конденсатор на 2200 мкФ.


При подключенной зарядке:

Корпус. Внешний клеммник.

Корпус заимел на местном радиорынке примерно за 1.5$, если перевести в доллары, размером 95x60x25мм, практически с пачку сигарет. В нём я просверлил несколько отверстий. Сперва для 4-х контактного клеммника, взятого от неработающего диммера.
Два крайних контакта я полностью освободил от болтов с прокладками, просверлил отверстия под более длинные болты, на которых весь клеммник и будет держаться на корпусе. На самом же корпусе, понятно дело, два крайних отверстия будут большими, а два посередине поменьше — в них будут продеты контакты, один из которых подключен к VCC Pro Mini, а второй контакт к пину 2.


Сверление отверстий хоть и простое на первый взгляд занятие, но всё же не менее трудоёмкое, очень легко промахнуться, поэтому делал это сначала сверлом меньшего диаметра, потом побольше.


Для тактовой кнопки я подобрал колпачок со слегка вогнутой вершиной, чтобы через узкое отверстие в корпусе по ней удобно было попасть спичкой или скрепкой.


Плата в корпусе с подключенным шлейфом USB-TTL конвертера:


Про антенну.
Антенна, как вы могли заметить по ходу обзора, постоянно менялась, так как я экспериментировал с разными самодельными антеннами. Изначально на плате модуля присутствовал круглый коаксиальный разъём, но на пятый раз его использования под внешнюю антенну он просто развалился, поэтому имейте ввиду, что он хлипкий. В итоге выдрал из старого роутера антенну на текстолите, её и припаял к плате модуля, т.к. она немного лучше ловит сеть, чем пружинка и проволока.


Ну и совсем в сборе с подключенной зарядкой выглядит так:

Тест. Как это работает:

Помимо тестов с антенками я проверял, как будет себя вести сигнализация на улице, в мороз -15. Для этого я просто поместил внутренности целиком в контейнер и оставлял на балконе на ночь, сигнализация при этом не стартовала, причина оказалась в общем-то очевидна — литий не любит мороз. Это подтвердилось другим тестом, где аккумулятор я оставлял дома, а плату через длинные провода выводил на улицу и оставлял так на сутки в тот же мороз — срабатывание, как ни в чём не бывало. С другой стороны было бы странно, если бы сигнализация не заработала т.к. в даташитах что на атмегу, что на модуль, что на кварц — допустимые температуры работы до -40 градусов.


Принцип работы организован по внешнему прерыванию, изначально пин 2 замкнут на VCC и тем самым на выводе поддерживается логический 1, а контроллер спит. Как только контакт нарушается и на пине 2 появляется 0, микроконтроллер просыпается, опускает 3-й пин (к которому через резистор подключен BOOT модема) к земле — запускается модуль, МК периодически опрашивает модуль на готовность, и как только он поймает сеть, сразу посылает вызов на указанный в коде номер телефона хозяина. После отклонения вызова, девайс отключается, не посылая больше бесконечных вызовов, чем грешат многие китайские сигнализации.

Выводы и мысли. Планы.

Сигнализация используется на даче, работой удовлетворён, однако с дальнейшим изучением AVR, приходит всё больше идей для дальнейшей ей модификации. Ардуино с его лже-языком Wiring меня сильно расстроила, т.к. обнаружился один неприятный момент в работе. Когда я использовал функции для работы с портами digitalWrite(); или pinMode(); — то GSM-модуль почему-то очень часто зависал. Но стоило заменить их на выкрутасы вроде DDRB|=(1<<PB3); — мне стало понятно, почему Ардуино не стоит серьёзно воспринимать.
Только лишь операция прямого обращения к портам заставила заработать девайс, как и было задумано.

По энергосбережению...
Собранный девайс отработал четыре полных месяца без подзарядки и продолжает работать, хотя правильнее сказать «спать». Проверяется это простой перезагрузкой через белую кнопку. При энергопотреблении 250 мкА (через стабилизатор LE33) и аккумуляторе ~1430 mAh, хотя ладно, ввиду неновизны аккумулятора округлим до 1000mAh, получается, что девайс может отсыпаться около 5.5 месяцев без подзарядки. Если всё-таки выпаять стабилизатор, то время работы можно смело умножить в 10 раз. Но в моём случае в этом нет нужды, т.к всё равно нужно раз в три месяца тратить баланс с симки, заодно и девайс можно проверить и подзарядить.
Приведённый в обзоре пример энергосбережения — далеко не предел, т.к. судя по информации из даташита, можно понизить тактовую частоту микроконтроллера (а делается это установкой фьюзов) до 1МГц и, если подать 1.8В напряжения, то потребление опустится ниже планки 1мкА в активном режиме. Весьма недурно! Но если МК при этом будет тактироваться от внутреннего RC-генератора, то появится другая проблема — эфир UART окажется засорен мусором и ошибками, особенно если контроллер нагреть или охладить.

По доработке...
1) Обычная проволока, установленная на разрыв не совсем удобна, планирую поэкспериментировать с датчиком Холла и герконом, хотя про последний говорят, что не шибко надёжен, ибо контакты внутри него могут залипнуть.
2) Неплохо было бы добавить возможность смены «номера хозяина» без участия компьютера и перепрошивки. Это уже с EEPROM придётся поработать.
3) Попробовать прерывания от сторожевого таймера, но не просто любопытства ради, а чтобы микроконтроллер периодически просыпался сам, делал замеры напряжения аккумулятора и отправлял полученное значение по SMS, чтобы быть в курсе насколько аккумулятор разряжен.
4) Солнечная панель может и вовсе избавить от необходимости подзаряжать девайс, это будет актуально особенно для малоёмких аккумуляторов.
5) Ещё давно хотел прикупить LiFePo4 аккумуляторы, которые по отзывам нормально переносят мороз, да вот пока искал годный лот, весна уже незаметно наступила.
6) Поработать над эстетической составляющей

Какую Pro Mini купить?
Если фена нет, то Pro Mini «RobotDyn» Atmega168PA 3.3V, чем-то острым сковыриваете светодиод и имеете ~250мкА.
Если есть фен, то любую плату, выпаиваете стабилизатор и светодиод по питанию — получаете ~20мкА потребления тока.

По основной ссылке Arduino Pro Mini Atmega168PA 3.3V «RobotDyn» — закончился.
Альтернативная ссылка: Ali — 2.54$

На этом пока всё, надеюсь, обзор был интересен и полезен.