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Neste tutorial iremos demonstrar uma forma prática para montar um sistema de monitoramento remoto para utilização em áreas onde não há sinal de redes Wifi utilizando um modulo GPRS (General Packet Radio Service) / GSM (Global System for Mobile Communications). A imagem abaixo ilustra uma visão geral da montagem.

Figura 1 – Visão geral da montagem

Os dados obtidos nesta aplicação serão enviados a um banco de SQL, na nuvem, e indicados através de um gráfico utilizando APIs escritas em PHP e HTML. Um sistema de Login também foi implementado para reservar o acesso somente aos autorizados.

MATERIAIS

  • (1x) Arduino Nano (Atmega 328);
  • (1x) Módulo GSM / GPRS Goouuu Tech IOT-GA6;
  • (1x) Conversor DC/DC buck/boost ou Boost (Dependendo da bateria de alimentação) para 2A de pico;
  • (1x) Sensor de temperatura e umidade DHT22;
  • (2x) Resistor de 4,7K Ohms;
  • (1x) Protoboard;
  • Cabos para ligação em protoboard.

Tecnologia GSM / GPRS

O que é sinal GSM?

O GSM (Global System for Mobile Communications, ou Sistema Global para Comunicações Móveis) é um sistema para comunicação móvel surgido na Europa nos anos 80 com o intuito de padronizar os métodos e tecnologias de modulação e serviços oferecidos aos usuários.

É uma tecnologia digital de transmissão de dados e utiliza um modelo de modulação denominado 0,3MSK que é uma variante do FSK (Frequency Shift Key). Foi implantado no Brasil em 2002 com uma tecnologia ocupando 200 KHz de Largura de faixa para cada canal de comunicação e permitindo 8 usuários por canal dependendo do padrão implantado.

O que é sinal GPRS?

A segunda geração de telefônica celular, já digital, implantada através do GSM transmitia dados pela tecnologia de comutação de circuitos, isto é, uma conexão entre dois aparelhos era estabelecida e em seguida a comunicação era feita de forma ininterrupta ponto a ponto através de um canal de comunicação. Não permitia a transmissão de dados por pacotes como era um requisito principal do protocolo IP.

Diante da necessidade, a tecnologia GPRS (General Packet Radio Services ou Serviços Gerais de Pacotes por Rádio) foi criada com a finalidade de possibilitar o tráfego de dados por pacotes para que as redes de telefonia celular pudessem ser integradas às redes de internet. O sistema GSM integrado ao GPRS recebeu então o nome de geração 2.5G. O GPRS permite taxas de transferência em torno de 40 kbps.

Com o advento do GPRS, passou a se utilizar a comunicação de dados por comutação de pacotes nos dispositivos móveis, onde a informação é dividida em vários pacotes na origem, transmitida e remontada no destino. Cada pacote leva o endereço do destino bem como a informação para montagem do mesmo no dispositivo final. Cada pacote é transmitido pela rede de telefonia celular (e internet se for o caso), até chegar ao destino, através de caminhos diferentes (estipulados pelos roteadores). A própria Internet é baseada nesse princípio, de quebra em pacotes, para envio de dados entre origem e destino. A vantagem deste método é que os recursos de transmissão são utilizados apenas quando os usuários estão enviando ou recebendo dados. Ao invés de dedicar um canal para um usuário por um determinado período de tempo, como na comutação por circuitos, o canal pode ser compartilhado entre vários usuários.

Modens GSM / GPRS

Os modems GSM / GPRS foram criados no intuito de disponibilizar formas de comunicação sem fio a dispositivos antes dependentes de linhas telefônicas cabeadas.

Um módulo ou modem GSM é um equipamento que opera sobre as redes wireless das operadoras de telefonia celular. Seu comportamento é parecido com os antigos modems de discagem, onde a troca de dados se dava sobre uma linha telefônica cabeada. Outra semelhança está nos comandos AT (Abreviação de Attention) utilizados em ambas plataformas e com set de comandos com funcionalidades semelhantes.

De forma parecida a um aparelho de telefonia celular, os modens / modulos GSM necessitam de um cartão SIM para operar através da rede de uma operadora.

Já um modem GPRS (General Packet Radio Service) é nada mais do que um modem GSM com capacidade de transmissão de dados utilizando os protocolos de internet tradicionais como o IP (Internet Protocol), UDP (User Data Protocol), PPP (Point-to-Point Protocol) e conexões com o X25 (Protocolo para redes comutadas por pacotes). A imagem do módulo utilizado neste tutorial está indicada abaixo.

Figura 2 – Imagem do módulo utilizado neste tutorial

MÓDULO GOOUUU TECH

O módulo que utilizamos neste tutorial foi fabricado pela empresa chinesa Goouuu Tech. Ideal para aplicações M2M (Machine to Machine) onde equipamentos “conversam” com outros dispositivos.

Este módulo é compacto, leve e de baixo custo comparado a outros da mesma categoria como o SIM800L da SIM Com ou o A6 da empresa AI Thinker. Outra vantagem deste módulo é a operação Quad band, ou seja, este módulo pode operar com todas as operadoras de telefonia do mundo, sendo as frequências em GSM 850 MHz, EGSM 900 MHz, DCS 1800 MHz e PCS 1900 MHz.

O módulo utilizado neste Tutorial está operando com um SIM card da TIM na frequência de 1800 MHz. Uma imagem da descrição dos pinos está indicada abaixo.

Figura 3 – Pin out módulo GPRS

Abaixo destacamos algumas especificações técnicas deste módulo:

  • Temperatura de operação: -30°C a +80°C
  • Temperatura limite de operação: -40 a -30 °C e +80 a +85°C
  • Tensão de operação: 3,5V a 4,2V (Para o módulo standalone)
  • Tensão de boot: > 3,5V
  • Consumo no modo Sleep: 0,9 mAh
  • Consumo registrado no pico de transmissão de 400mA
  • Quad Band (850, 900, 1800, 1900 MHz)
  • Suporta chamada de voz
  • Suporta SMS
  • GPRS máximo download de 85,6Kbps e 42,8Kbps de upload
  • Possui duas portas seriais: Comandos AT e Download de firmware
  • Suporta analógico e digital áudio sendo HR, FR, EFR AMR e codificação de voz.

De todas as características, a que mais importa para esta aplicação é a de aceitar comandos AT de forma standard e a de enviar dados via GPRS.

Os documentos referentes ao desenvolvimento desta placa estão neste link. O set de comandos AT será explicado na sessão referente ao algoritmo proposto.

Particularmente, analisando o esquemático deste módulo de desenvolvimento em particular, observei que para as plataformas da mesma categoria, a apresentada neste tutorial é a mais estável pois apresenta um circuito (SMF05C) para proteção contra ESD nos terminais de conexão com o SIM card, um conversor Buck utilizando o MP1584 na própria placa para regulagem da tensão de alimentação em 4,2V para o módulo, permitindo assim a liberdade de alimentação da placa até em 28V e também um MOSFET tipo N para o reset do modem diretamente pelo terminal do microcontrolador. O esquema de desenvolvimento desta placa está indicado abaixo.

Figura 4 – Esquema da plataforma de desenvolvimento com o MODEM

ESQUEMA DE LIGAÇÃO

O esquema de montagem desta aplicação está indicado abaixo. O módulo utilizado pode ser alimentado com 5V pois já possui embarcado um circuito DC/DC Buck que reduz para 4.2V o nível de tensão. Nível este comum aos modens GPRS.

Para alimentação geral, o usuário deve definir qual conversor irá utilizar em função da alimentação. Se utilizar baterias de Li-On, com valor típico de 3,8V, deverá montar um conversor Boost para elevar a 7V o nível de tensão e conectá-lo a entrada Vin do Arduino.

Lembramos também que no momento da transmissão dos dados os modens podem apresentar picos de até 2A por um instante pequeno de tempo dependendo da “força” do sinal. Logo as baterias ou fontes de alimentação devem ter esta capacidade de fornecimento de corrente.

Durante os testes, a porta USB do computador não foi suficiente para alimentar este módulo durante a transmissão de dados. Foi necessário montar uma fonte externa.

Outro ponto importante a se observar são os valores dos resistores do divisor de tensão. O valor máximo para a entrada de um canal AD do Atmega328 é 5V, logo a configuração destes resistores não pode permitir uma tensão maior na saída do divisor em função da tensão de alimentação da entrada do conversor.

Figura 5 – Esquemático de montagem

Algoritmo – Lado Arduino

O algoritmo que implementa este sistema de obtenção dos dados está destacado abaixo. Várias funções e comentários foram elaboradas com o intuito de facilitar o entendimento da lógica aplicada.

Link para download de todos os arquivos: https://git.io/fjDsf

Algoritmo – Lado Servidor

A API para desenvolvimento do servidor é composta por 10 arquivos e uma imagem que é apresentada na tela de login.

A descrição da montagem do banco de dados foi apresentada nos dois vídeos explicativos deste tutorial. São precisamente dois bancos de dados, sendo um deles denominado usuario, onde serão armazenados os dados para a credencial de acesso ao gráfico, e o outro denominado gprsArduinoTest que receberá todos os dados enviados pelo Arduino. Destacamos aqui somente o arquivo index.php . Os outros arquivos estão indicados na pasta do repositório deste tutorial no github.

Link para download de todos os arquivos: https://git.io/fjDsf

Conclusão

Neste tutorial discutimos a implementação de um sistema de obtenção dos dados remotamente utilizando a tecnologia GPRS, muito útil para áreas onde não há possibilidade de redes Wifi.

São vastas as gamas de aplicação da ideia apresentada neste tutorial, cabendo ao leitor expandir a aplicação e os conhecimentos.

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