MICRO GPRS-GPS ALL-IN-ONE - MANUALE HARDWARE
Micro gprs-gps
all-in-one con datalogger
Manuale hardware
Rev.1309
Pag.1 di 14
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INDICE
1.
IL MICRO GPRS-GPS SIRF-IV ALL-IN-ONE CON DATALOGGER ..................................................... 3
1.1.
INTRODUZIONE ........................................................................................................................................... 3
1.2.
IL RICEVITORE GPS ...................................................................................................................................... 4
1.3.
L’ENGINE GSM-GPRS ................................................................................................................................... 5
1.4.
IL DATALOGGER .......................................................................................................................................... 6
1.5.
LA SEZIONE D’ALIMENTAZIONE .................................................................................................................. 7
1.6.
IL MICROCONTROLLORE E GLI I/O ............................................................................................................... 8
1.6.1. Gli ingressi digitali – descrizione e modalità d’accesso ....................................................................... 9
1.6.2. Gli ingressi adc – descrizione e modalità d’uso .................................................................................. 10
1.6.3. Le uscite digitali .................................................................................................................................. 11
1.7.
LE CONNESSIONI AUDIO ............................................................................................................................ 12
1.8.
DIMENSIONI E CONTENITORI ..................................................................................................................... 13
1.9.
PASSI OPERATIVI D’AVVIO ........................................................................................................................ 14
Gprs-gps all-in-one
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1. IL MICRO GPRS-GPS SIRF-IV ALL-IN-ONE CON DATALOGGER
1.1.
Introduzione
Il micro gprs-gps sirf-IV all-in-one con datalogger (d’ora in avanti denominato semplicemente micro
gprs-gps) è un dispositivo di localizzazione che integra in un unico circuito un rice-trasmettitore
gsm-gprs ed un ricevitore satellitare gps: la tecnologia gsm-gprs utilizza le reti di telefonia mobile
per comunicare a distanza le coordinate rilevate dal ricevitore gps integrato.
Le applicazioni di questo dispositivo sono molteplici e generali e trovano ampio campo d’impiego
in tutti i casi in cui sia necessario localizzare a distanza persone e/o mezzi in movimento o
monitorarne l’avvenuto spostamento.
La funzione datalogger consente di memorizzare un quantitativo enorme di dati utilizzando come
supporto fisico le memorie micro SD, diffusissime e di uso comune in dispositivi quali cellulari,
palmari, macchinette fotografiche, lettori mp3…
Rispetto agli altri modelli a catalogo, dotati di due processori distinti, che curano separatamente le
funzionalità gsm-gps e la gestione della memoria microSD, il micro gprs-gps integra la logica
elaborativa di tutte le componenti in un unico e più potente processore, da cui la denominazione
“all-in-one”.
Il nuovo micro gprs-gps utilizza le tecnologie lga di nuova generazione; grazie all’uso esclusivo di
componenti a montaggio superficiale, risulta più sottile, più solido e compatto, più affidabile e
performante rispetto alle versioni precedenti.
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1.2.
Il ricevitore gps
Il micro gprs-gps è basato sul noto chip sirf-IV prodotto dalla SirfStar, dal quale eredita tutta la vasta
gamma di funzionalità e le eccellenti prestazioni che ne hanno determinato la fama.
Tra le caratteristiche principali di questo localizzatore di nuova generazione si segnalano le
seguenti:
Sensibilità sino a -163db (contro i -159db del precedente SirfIII)
Funzione anti-jammer - capacità di rilevare, mitigare ed eliminare sino ad 8 sorgenti di radiodisturbo
Funzionalità di risparmio energetico quali ad es. la modalità di funzionamento SirfAware –
consente consumi bassissimi (500uA) e dati satellitari sempre aggiornati
Amplificatore d’antenna integrato – supporta l’uso di antenne gps sia attive che passive
Il circuito d’antenna è ottimizzato per antenne con tensione di lavoro pari a 3.3V, come quella
fornita di serie; in alternativa è possibile richiedere un connettore adattatore da pannello con attacco
sma per il collegamento di prolunghe d’antenna esterne.
Le antenne gps devono essere orientate in modo da “vedere il cielo”, ossia non devono essere
schermate da ripiani metallici posti al di sopra del campo di ricezione.
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1.3.
L’engine gsm-gprs
Il micro gprs-gps riceve impostazioni e comandi e trasmette risposte e dati di localizzazione a
distanza, mediante messaggi sms, chiamate telefoniche, e trasmissioni dati csd e gprs.
Il dispositivo di telecomunicazione utilizzato è un engine gsm-gprs Cinterion (ex-Siemens) di classe
10, quad-band (850/900/1800/1900 Mhz), in grado di operare in qualsiasi continente.
Il gprs-gps richiede l’uso di una sim telefonica valida con credito non nullo; la sim va inserita nel
connettore duale sim-sd posto sulla superficie inferiore del circuito, con i contatti elettrici rivolti
verso il basso e l’angolo smussato verso l’esterno.
Il modulo gprs viene fornito di default collegato all’antenna gsm integrata, costituita dalla pista a
forma di serpentina, stampata sul lato della basetta, di fianco al modulo gsm.
Il connettore miniatura posto sulla linea d’antenna, consente il collegamento di connettori sma/fme
da pannello per l’uso di antenne esterne; in questo caso, l’antenna integrata deve essere scollegata
rimuovendo la piccola saldatura di collegamento posta di fianco all’interruttore jumper.
Il circuito stampato è inciso in modo da poter essere piegato per eliminare l’antenna integrata,
riducendo ulteriormente le dimensioni del circuito.
L’attività dell’engine è evidenziata dai flash del piccolo led posto sul lato inferiore della scheda.
Il led lampeggia lentamente all’accensione, poi riduce la durata dei flash una volta effettuata la
connessione in rete, sino a spegnersi, quando il gsm entra in modalità power-save.
In questo stato, il gsm limita l’assorbimento a soli 3mA e consente una elevata autonomia delle
batterie; il led riprenderà ad emettere dei rapidi flash quando il gsm viene risvegliato dalla ricezione
di un evento esterno (messaggio o chiamata) o deve inviare un dato (via sms o gprs).
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1.4.
Il datalogger
Il micro gprs-gps è in grado di storicizzare un elevato quantitativo di dati di localizzazione, grazie
all’adozione delle memorie micro SD, un supporto fisico dalla capacità enormemente maggiore
rispetto alle memorie eeprom utilizzate in passato.
L’inserimento della micro SD si effettua lateralmente nel connettore duale utilizzato anche per la
sim card telefonica; la memoria va introdotta con i contatti rivolti verso l’alto, nel verso indicato in
foto (sarebbe comunque impossibile inserirla in qualsiasi altro verso), spingendola delicatamente
sino ad avvertire il blocco del meccanismo a molla interno che trattiene la scheda.
Analogamente, per estrarre la memoria, occorre spingere delicatamente la µSD dentro al connettore,
sino ad avvertire che il meccanismo a molla interno al connettore ha rilasciato la scheda,
spingendola verso l’esterno.
Il processore crea sulla memoria SD un file di testo chiamato “gpslog.TXT” sul quale vengono
accodati i dati da memorizzare, per la precisione le sentenze nmea di tipo $GPRMC.
Le memorie nuove vengono solitamente fornite già pronte all’uso, perciò non occorre effettuare
alcuna operazione di formattazione o inizializzazione preliminare.
Il micro gprs-gps può essere utilizzato anche senza micro SD, in questo caso ovviamente non è
possibile utilizzare le funzioni specifiche correlate al log dei dati.
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1.5.
La sezione d’alimentazione
Il micro gprs-gps funziona normalmente alimentato con una batteria tampone, che viene caricata
mediante una tensione esterna, e che consente diversi giorni di autonomia anche al venir meno della
fonte di ricarica esterna.
I due pin-strip in serie alla batteria, chiusi dal jumper, costituiscono l’interruttore d’accensione.
Grazie alla porta di alimentazione micro-usb, il circuito può essere ricaricato collegandolo ad un
carica-batterie per cellulari, alla porta usb di un computer, ad un alimentatore di rete con uscita usb
o alla presa dell’accendi sigari mediante un carica-batterie da auto.
-massa +HiVcc
+5Vcc -massa
In alternativa, è possibile alimentare il circuito di carica con una tensione a 5Vcc, collegando i fili di
alimentazione sulla coppia di ingressi posti in parallelo alla porta usb, facendo attenzione alla
polarità, come indicato in foto.
Uno stadio stabilizzatore ulteriore, in grado di tollerare tensioni comprese tra 6 e 30Vcc, conferisce al
circuito grande flessibilità d’alimentazione, particolarmente apprezzabile negli impieghi sui veicoli
operanti a 12/24Vcc.
Anche in questo caso occorre rispettare la polarità di alimentazione, tuttavia l’ingresso high voltage
(+HiVcc) è protetto e le tensioni inverse non provocano danni.
Poiché la sezione d’alimentazione è unica, i punti d’ingresso (porta usb, ingresso +5V e +HiVcc) non
possono essere utilizzati per collegare contemporaneamente più fonti di tensione esterne.
La batteria al litio in dotazione ha una capacità di 1000mA ed è dotata di un connettore sagomato,
che ne obbliga l’inserimento secondo la polarità corretta.
E’anche possibile alimentare il circuito con batterie al litio non ricaricabili o con una tensione di
valore compreso tra 3.3 e 4.2V, in grado di erogare picchi di corrente di almeno 2A, per non rischiare
lo spegnimento del modulo gsm.
In questo caso, i cavi di connessione al micro gprs-gps devono essere corti e di sezione adeguata.
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1.6.
Il microcontrollore e gli I/O
Il micro gprs-gps è un dispositivo controllato da un unico e potente microprocessore PICmicro®
Microchip, che gestisce tutta la logica funzionale delle componenti integrate sulla scheda (il gsmgprs, il gps, la scheda microSD), conferendo al prodotto prestazioni eccezionali a fronte di
dimensioni e costi ridotti.
Alcuni pin del pic sono disponibili per l’utente per usi specifici che saranno dettagliati più avanti:
2 uscite digitali telecontrollabili a distanza mediante messaggi sms
4 ingressi digitali: interrogabili a distanza mediante messaggio sms, di cui
- 1 controllo della sezione allarme
- 2 ingressi d’allarme, inviano un alert (sms/squillo al variare dello stato logico)
- 1 ingresso per l’interfacciamento del sensore di movimento
1 uscita di controllo del sensore di movimento
2 ingressi adc per la lettura di valori analogici
1 ingresso adc-voltmetro interno, riservato ad applicazioni custom, senza batteria, con
alimentazione diretta a 12V
Gli I/O sono disponibili sulla basetta sotto forma di fori di connessione, sui quali è possibile saldare
direttamente fili di cablaggio o montare i connettori pin-strip; in foto da sx a dx:
2 pin d’uscita (out2, out1)
3 pin di servizio (reset-pin, Vcc micro 3.3V, massa)
2 pin d’ingresso analogici (adc1, adc2)
massa
1 pin di enable (in1, ingresso di controllo della sezione allarmi)
2 pin d’ingresso digitali (in3, in2)
sensore di movimento (2 pin, uscita di controllo ed ingresso sensore in4)
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1.6.1. Gli ingressi digitali – descrizione e modalità d’accesso
Gli ingressi digitali della scheda sono configurati come ingressi di controllo o come ingressi per la
rilevazione di una condizione d’allarme.
Normalmente si trovano allo stato logico alto, grazie ad un pull-up interno al microcontrollore che li
polarizza alla tensione +Vcc micro.
Lo stato logico dell’ingresso di controllo “in1” determina l’abilitazione o meno della sezione
d’allarme: posto al livello basso inibisce le segnalazioni di allarme, posto allo stato alto abilita la
sezione allarmi e questa è anche la condizione di normalità, dato che come si è detto, gli ingressi
normalmente assumono il livello logico alto.
Tale ingresso serve a facilitare il controllo del sistema; consente ad es. di disabilitare la sezione
allarme in presenza del proprietario del mezzo su cui è posto il localizzatore, riattivandola quando il
proprietario si allontana.
L’ingresso può essere controllato in modo manuale (con un comune interruttore), in modo
automatico (con sistemi a trasponder) ed in modalità remota (via sms), pilotandolo mediante una
delle uscite telecontrollabili collegata sull’ingresso.
Se in1 si trova a livello alto, ogni commutazione di stato (dal livello basso ad alto o viceversa) degli
ingressi in2 ed in3 scatena l’invio di un allarme ai numeri impostati, come di seguito descritto.
Per poter determinare in che modo pilotare gli ingressi, occorre specificare alcuni aspetti hardware.
Accesso diretto
I pin di ingresso sono i pin del microcontrollore resi direttamente disponibili sul connettore d’uscita,
pertanto l’accesso a tali pin è detto “diretto”.
Questa caratteristica ha il pregio di consentire la variazione dello stato di un input in modo molto
semplice, è sufficiente un pulsante o interruttore che colleghi un ingresso a massa: ad interruttore
chiuso, il pin di input si porta allo stato logico basso, aprendo l’interruttore invece, il pin di input
torna automaticamente al livello logico alto (senza dover applicare una tensione esterna, grazie al
pull-up del microcontrollore).
I pin sono pilotabili anche mediante tensioni low TTL (con tensioni tra 0 e Vcc micro=3.3V).
Accesso indiretto
Gli ingressi non possono essere pilotati direttamente con una tensione di valore superiore a Vcc
micro (3.3V); disponendo di una tensione elevata, occorre utilizzare accorgimenti specifici riservati
ai più esperti, per pilotare gli ingressi in modo indiretto.
E’possibile usare un relè, un optoisolatore, un partitore o un semplice transistor npn, ponendo il
collettore sull’ingresso, l’emettitore a massa ed una resistenza di alcune decine di Kohm sulla base.
In figura è proposto un semplice schema con un bc547 ed un resistore da 47k.
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1.6.2. Gli ingressi adc – descrizione e modalità d’uso
Gli ingressi adc (adc1 e adc2) sono particolari ingressi in grado di rilevare il valore di una tensione
variabile, esprimendone il valore acquisito mediante un numero.
Più in generale, i convertitori adc sono in grado di leggere qualsiasi grandezza fisica misurabile; in
commercio sono disponibili innumerevoli tipi di sensori in grado di trasformare una grandezza
naturale (temperatura, umidità, pressione…) in una tensione proporzionale e che possono essere
collegati agli ingressi adc del micro gprs-gps.
I convertitori adc hanno un range di funzionamento compreso tra 0V e Vref. = 3.3V, che è il valore
di fondo scala misurabile ed anche il limite di tensione massimo applicabile per non danneggiare il
processore.
La risoluzione dei convertitori adc è di 10bit, perciò la tensione letta è espressa mediante un numero
compreso tra 0 e 1023 (il valore numerico decimale rappresentabile con 10bit).
Dividendo l’intervallo 0V÷3.3V in 1023 intervalli, si ottiene la sensibilità dei convertitori, ossia
l’incremento minimo di tensione che aumenta di una unità il valore acquisito da un convertitore
(circa 3,3mV).
La lettura dei convertitori adc viene espressa in forma assoluta mediante un valore numerico, ed è
compito dell’utente ricavare il valore della grandezza fisica in base alla relazione di proporzionalità
del sensore utilizzato.
Ad esempio, il sensore di temperatura LM35 ha una uscita in tensione proporzionale ai gradi
centigradi; per ogni aumento di grado di temperatura, l’uscita del sensore LM35 aumenta di 10mV.
Considerando la risoluzione di 3.3mV, per ogni grado centigrado di temperatura il convertitore
incrementa di 3 unità il valore letto, perciò si avrà una lettura di 0075 a 25°C, 0030 a 10°C e così via.
Per rendere la lettura più intuitiva è possibile utilizzare sull’ingresso un partitore resistivo di valore
adeguato ed ottenere il valore di lettura espresso direttamente nell’unità di misura della grandezza
misurata (ossia fare in modo ad es. che 0010 corrisponda a 10°C, 0033 a 33°C)…
Un partitore resistivo è stato integrato sulla scheda per consentire al convertitore interno (adc3) di
rilevare la tensione di alimentazione esterna applicata ai morsetti del circuito di alimentazione /
carica-batterie documentato in seguito.
Il partitore ha un rapporto di attenuazione pari a 1/10, ed è stato predisposto per monitorare la
tensione della batteria o dell’alternatore (range 0-33V) quando il micro gprs-gps è utilizzato come
dispositivo veicolare.
I convertitori adc non collegati ad alcun sensore, assumono uno stato indefinito ed un valore di
lettura casuale.
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1.6.3. Le uscite digitali
Il micro gprs-gps è dotato di due uscite telecontrollabili via sms, che possono essere utilizzate per
inviare a distanza un segnale low ttl ad un’altra apparecchiatura connessa.
Per un dispositivo miniaturizzato come il micro gprs-gps, pensato principalmente come personal
tracker, è improbabile utilizzare tali uscite per pilotare carichi di potenza (ci sono a catalogo altri
dispositivi più specifici adatti allo scopo), ad ogni modo, per completezza, si cita la possibilità di
utilizzare le uscite telecontrollate per attivare a distanza apparecchiature elettriche ed elettroniche,
ad es. i dispositivi acustici e luminosi di una auto-vettura (clacson, frecce…).
Per tale tipo di impiego sono disponibili schede relè accessorie utilizzabili nelle installazioni
permanenti, in quanto richiedono una fonte di alimentazione di capacità e tensione adeguata,
tipicamente la batteria a 12V di un veicolo.
La scheda accessoria va alimentata alla tensione di lavoro dei relè (12Vcc) facendo attenzione a
NON invertire la polarità.
I segnali delle uscite out1 ed out2 vanno riportati su due pin d’ingresso della scheda relè (dall’alto,
pin strip maschi 2 e 6), come dallo schema sottostante.
I relè hanno una portata di 10A / 220Vac.
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1.7.
Le connessioni audio
Il micro gprs-gps può essere dotato di una capsula microfonica accessoria ad alta sensibilità e basso
rumore, tramite la quale è possibile utilizzare la funzione di ascolto ambientale.
Per facilitare il collegamento del microfono, le connessioni audio sono state rese disponibili sotto
forma di fori di connessione, sui quali saldare il cavo audio schermato.
Gli ingressi audio-mic dell’engine gsm e i pin d’alimentazione (tensione microfono Vmic e massa
analogica agnd) sono posti in prossimità del connettore per l’antenna esterna e sono disposti nel
modo seguente (in foto, da sx a dx): massa analogica, mic+ in, mic- in, Vmic.
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1.8.
Dimensioni e contenitori
Il circuito stampato del micro gprs-gps misura 62x53mm, includendo l’antenna, dunque mantiene le
stesse dimensioni delle versioni precedenti (che però avevano l’antenna esterna).
Eliminando la parte di circuito con l’antenna pcb e collocandola lateralmente, è possibile arrivare al
limite, irriducibile, di 54x53mm.
Lo spessore minimo incomprimibile, derivante dallo spessore del modulo gsm, del circuito
stampato e del connettore porta sim, è di soli 7mm, misurato con l’antenna gps posta di lato, il
sensore in posizione esterna alla basetta e la batteria saldata direttamente sul circuito.
Nel caso peggiore, con l’antenna gps (2.5mm) posta sul lato superiore (come nella foto in copertina)
e la batteria (6.5mm) sul lato inferiore, si ottiene invece una altezza di massima di soli 16mm.
Tra i possibili contenitori esistenti sul mercato, idonei a contenere il micro gprs-gps, ne sono stati
selezionati due modelli, proposti sul negozio on-line.
Entrambi hanno base 72x85mm e si differenziano per l’altezza: uno ha lo spessore esterno di 24mm
(18mm interno); l’altro di 30mm (2.3mm interno), indicato eventualmente per il montaggio di
batterie a capacità e dimensioni maggiori.
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1.9.
Passi operativi d’avvio
Per utilizzare il micro gprs-gps occorre:
dotarsi di una sim telefonica valida (con un credito sufficiente, se prepagata, o con un
abbonamento attivo)
disabilitare il pin di accensione della sim (se presente), utilizzando un comune cellulare
cancellare tutti i messaggi presenti sulla sim (qualora fosse già stata usata)
inserire la sim nel vano porta sim (le operazioni di inserimento e di estrazione devono
essere effettuate a modulo spento)
inserire la micro SD se si vuole utilizzare le funzioni di datalogger
accendere il dispositivo inserendo il jumper interruttore
Se i passi precedenti sono stati eseguiti correttamente, il led presente sul circuito, utilizzato per
segnalare alcuni eventi salienti (ad es. l’invio di messaggi di posizione e l’invio di stringhe http/tcp),
emette alcuni flash e resta acceso sino al completamento della fase di start-up.
Anche il led gsm, posto sul lato inferiore della basetta, emette alcuni flash lenti che diventano rapidi
se il campo gsm è ok ed il gsm è connesso in rete, sino a spegnersi quando il gsm entra in modalità
di risparmio energetico.
Chiamando il numero della sim utilizzata, si sentirà uno squillo di telefono e la chiamata verrà
immediatamente rifiutata; il led gsm emetterà alcuni flash per segnalare l’evento.
Il micro gprs-gps è ora pronto per essere utilizzato come descritto sul manuale funzionale.
Se il gsm invece risulta irraggiungibile, significa che la fase di avvio si è arrestata; può dipendere dal
fatto di non aver seguito le avvertenze precedenti (ad es. è stata usata una sim con pin) oppure la
batteria non è sufficientemente carica ed il gsm si è spento.
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