Drahtlose Machine-to-Machine-Kommunikation Erste Schritte mit GSM/GPRS-Modems

Während viele Anwender mit Netzen für den Nahbereich wie Bluetooth, ZigBee oder WLAN vertraut sind, sind M2M-Mobilfunkmodems für die meisten doch ein neuer Bereich. Evaluierungsboards helfen dabei, sich mit der Technik vertraut zu machen und eine eigene Applikation zu entwickeln.

Die meisten typischen Anwendungen aus dem Machine-to-Machine-Bereich (M2M) stellen heute und auch wohl in den nächsten Jahren noch keine großen Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit und die Menge der übertragenen Daten. Bei Track&Trace, Meter-Reading und POS (Point-of-Sales) werden nur einige hundert Byte bis wenige Kilobyte versendet.

Zudem wird auf gute Abdeckung und weltweite Verfügbarkeit Wert gelegt - und hier haben GSM/GPRS (noch) klar die Nase vorn. Bei Smartphones geht es um Bilder, Audiodateien, Videos, Life-Streaming, wodurch die Forderung nach dem neuesten Mobilfunkstandard LTE begründet ist. Zudem stellen industrielle Applikationen andere Anforderungen an Temperaturbereich, Langzeitverfügbarkeit und Ausfallsicherheit.

Selbst bei einem jährlich prognostizierten Wachstum von 25% wird der M2M-Markt dem Consumer-Markt immer hinterherhinken. Zwar werden mehr und mehr Maschinen mit Mobilfunkmodems ausgerüstet, jedoch arbeitet das Modem dann über sieben oder mehr Jahre, während der typische Smartphone-Nutzer durchschnittlich nach zwei Jahren ein neues Gerät kauft.

Studien zeigen auch, dass erst in knapp fünf Jahren UMTS/WCDMA-Module gegenüber GSM/GPRS-Modulen vorn liegen werden. Für die Übermittlung kleiner Datenmengen wurde in den frühen Jahren auch die in der Consumer-Welt beliebte SMS eingesetzt. In vielen Anwendungen ist das auch noch heute so. Mit dem Aufkommen von GPRS und der Möglichkeit, TCP/IP-Verbindungen zu nutzen, bietet sich hier nun technisch der Vorteil, praktisch in Echtzeit zu kommunizieren.

Das Protokoll ist zudem aus den Bereichen Ethernet oder Wi-Fi bekannt. Somit ist das übermittelnde Netz für die Applikation transparent geworden, was die Softwareentwicklung vereinfachte. Natürlich mussten auch entsprechende Tarife zur Verfügung stehen. Heute verfügbare Flatrates, günstige Roaming-Angebote und eben die praktisch weltweite Verfügbarkeit des GSM/GPRS-Standards ermöglichen einen kostengünstigen Einsatz.

Mit Evaluierungsboards wie dem »M10« von Quectel (Vertrieb: Atlantik Elektronik) mit GSM/GPRS-Modul »M95« des Herstellers können sich Anwender generell mit der Technik und den spezifischen Eigenschaften eines Modems im Einzelnen auseinandersetzen. Sie sind zusammen mit den dazugehörigen Unterlagen auch eine gute Basis für ein eigenes Design. Vor allem können sie dem Entwickler das Leben vereinfachen. Er bekommt alles an die Hand, was für erste Versuche notwendig ist. Denn zu einem Modem gehören auch Spannungsversorgung, SIM-Kartenhalter, Antenne und in zweiter Linie eventuell noch Peripherieanschlüsse beispielsweise für Mikrofon und Lautsprecher.

Start-up des Modems

Daneben gibt es entsprechende Tools auf PC-Seite, um Kommandos und Daten verschicken zu können. Der Aufbau ist damit sehr einfach. Natürlich ist eine freigeschaltete SIM-Karte nötig, die in den entsprechenden Kartenhalter gesteckt wird, zudem muss eine Antenne angeschlossen sein. Nun ist noch ein serielles Kabel von der RS-232-UART-Schnittstelle des Boards direkt oder über einen UART/USB-Umsetzer an den PC anzustecken.

Nachdem dann die Spannungsversorgung angeschlossen ist und das Board eingeschaltet wurde, kann sofort mit dem Modem über einen echten oder virtuellen COM-Port kommuniziert werden. Natürlich müssen COM-Port-Nummer, die mit dem Gerätemanager geprüft werden kann, und die Einstellungen (in erster Linie die Baudrate) stimmen.

Zur Kommunikation kann zunächst das Hyperterminal oder jedes andere Terminalprogramm verwendet werden. Um zu sehen, ob die Kommunikation funktioniert und ob das Modem lebt, genügt es, zunächst einfach »AT« zu schicken. Das Modem sollte mit »OK« antworten - und schon kann es weitergehen. Mit diesem ersten Kommando haben wir auch eine Haupteigenschaft der Mobilfunkmodems kenngelernt: die Kommunikation mittels AT-Kommandos.

Diese Befehle wurden von Hayes Communications entwickelt und zu Beginn der 1980er Jahre erstmals in einem Modem (damals ein Modem für eine normale Telefonleitung) eingesetzt und sind zum Quasi-Standard geworden. AT steht für »attention«. Der Standard-Befehlssatz hat sich seither weiterentwickelt. So ist für Basisfunktionen von Mobilfunkmodems der Standard GSM07.07 weit verbreitet. Die Nutzung des Short Message Service (SMS) und damit das Verschicken von Kurzmitteilungen werden im Standard GSM07.05 beschrieben. Zudem gibt es oftmals auch herstellerspezifische Kommandos, die Besonderheiten des Modems unterstützen.

Passende Arbeitsgrundlage

Das Verschicken einer SMS ist oftmals der zweite Schritt. Dazu verwendet man als Zielnummer einfach das eigene Mobiltelefon. Zunächst ist zu testen, ob die SIM-Karte eingelegt ist und einen PIN benötigt. »AT+CPIN?« liefert hier gleich die richtige Antwort. Eine entsprechende Fehlermeldung kann zeigen, ob die SIM fehlt. Die Antwort »SIM PIN« sagt, dass die SIM auf die Eingabe einer PIN wartet. Diese kann mit »AT+CPIN=xxxx« geschickt werden.

Das Modem antwortet mit »READY«. Als nächstes kann man mit »AT+CREG?« überprüfen, ob das Modul sich im GSM-Netz eingebucht hat: Die Antwort »+CREG: 0,1« bedeutet, dass alles in Ordnung ist. Das Netz lässt sich mit »AT+COPS?« abfragen, die Antwort liefert den Provider in Klartext. Nun ist alles bereit, um eine SMS abzusetzen.

Sicherheitshalber aktiviert man den Textmodus mit »AT+CMGF=1«. Anschließend startet man das Senden einer SMS mit »AT+CMGS=GSM-Nummer«. Im Terminal wird ein »>« angezeigt. Hier kann nun Text eingegeben werden. Abgeschickt wird die SMS dann noch mit einem CTRL+Z. Nun lassen sich weitere Befehle zum Beispiel zum Aufbau einer TCP/IP-Verbindung testen und eventuell schon in einem kleinen eigenen Programm implementieren.

Natürlich spielt das Hardwaredesign ebenfalls eine entscheidende Rolle. Dabei kann es sehr vorteilhaft sein, mit einem Evaluierungsboard eine korrekte Implementierung zur Verfügung zu haben. Die mitgelieferten Schaltpläne sowie detaillierte Applikationsschriften (Application Notes) sind ein ideale Arbeitsgrundlage. Bei Mobilfunkmodems ist die Spannungsversorgung extrem wichtig. Diese muss so ausgelegt sein, dass Spitzenströme von bis zu 1,6 A geliefert werden können.

Auf der anderen Seite gibt es gerade bei batteriebetriebenen Anwendungen die Forderung, dass die Spannungsversorgung selbst möglichst wenig Strom benötigen soll. Neue Module wie beispielsweise das Quectel M95 benötigen für DRx=5 nur noch 0,9 mA. DRx=5 ist dabei ein Maß für den Rhythmus, in welchem eine Basisstation ein Modem im Ruhezustand anfunkt.

Ein anderes kritisches Thema kann die Antenne sein. Externe Antennen sind dabei relativ einfach zu handhaben. Integrierte SMT-Antennen sind dagegen kritischer. Hier ist ein besonderer Wert auf eine genügend große Massefläche (Groundplane) und die richtige Anpassung der Antenne zu legen. Mit dem Evaluierungsboard lassen sich aber auch Schritt für Schritt die eigene Implementierung mit dem funktionierenden Board vergleichen und somit eventuelle Fehler schnell finden. Dazu enthält ein Evaluierungsboard auch entsprechende Testpunkte.

Zugriffe auf erweiterte Funktionen, wie ein Keypad oder ein LCD, lassen sich ebenfalls am Evaluierungsboard austesten. Mit Hilfe der Applikationsschriften lassen sich diese Komponenten einfach an das Board anbinden. Die Zeitersparnis durch Nutzung eines Evaluierungsboards kann immens sein. Man vermeidet unnötige Fehler, verkürzt seine Lernkurve und hat jederzeit eine Referenz für das eigene Design zur Verfügung.

Bei einem ersten Design ist nach wie vor ein Review durch Spezialisten empfohlen. Atlantik Elektronik bietet Hilfestellung rund um das Modem, gerade auch im kritischen Bereich der Antennen und Spannungsversorgung. Für den Einsatz von Mobilfunkmodems muss das eigene System schließlich zugelassen werden. Hier helfen dann auch die begleitenden Unterlagen wie die Zulassungen und Testergebnisse des Modems selbst.

Über den Autor:

Hans Wiedemann ist Business Development Manager bei Atlantik Elektronik.