RAK13101 WisBlock Wireless модуль сотовой связи и геолокации GSM/GPRS/GNSS

Технические характеристики

• Модель: WisBlock Wireless RAK13101 Ver.B
• Питание GSM
  
  • номинальное напряжение: 4.0В DC
  • допустимый диапазон: 3.3В ~ 4.2В DC
• Питание GNSS
  
  • номинальное напряжение: 3.3В DC
  • допустимый диапазон: 2.8В ~ 4.2В DC
• Уровень логических сигналов, цифровых входов/выходов: 2.8В
• Потребление в режиме (3.8В)
  
  • Ожидание: 110 мА
  • GSM-звонок: 769 мА
  • GPRS-данные: 1170 мА
  • Сон: 1.2 мА
  • Выключенное питание (Power down): 20 мА
• Контроллер: Quectel MC20CE-04-SNN (версия без Audio, без Bluetooth)
• Встроенный малошумящий усилитель для пассивных антенн
• Разъёмы IPEX для антенн GSM и GNSS, импеданс 50 Ом
• Слот карт Micro SIM
• Поддержка ESIM (опционально)
• Встроенный преобразователь уровней USB/UART на чипе CH340
• Порт Micro-USB на скорости 460800 бод для отладки ПО
• Управление с помощью модемных AT команд
• Последовательная шина UART
  • скорость 4800-115200 бод с автоопределением
  • обновление фирменного ПО
• Инструментарий SIM-карты: SAT class 3, GSM 11.14 выпуск 99
• Светодиодная индикация событий
• Интерфейсы: UART, GPIO
• Температура эксплуатации: -35°С ~ +75°С
• Размеры: 45 х 25 мм

GSM/GPRS

• Диапазоны частот
• GSM-850 / EGSM-900 / DCS-1800 / PCS-1900 МГц
• Автопоиск по четырём диапазонам
• Соответствие стандартам GSM Phase 2 / GSM Phase 2+
• Мощность излучения
• Класс 4 (2Вт, 850/900 МГц)
• Класс 1 (1Вт, 1800/1900 МГц)
• GPRS соединение
• GPRS мульти-слотовый класс 12 (по умолчанию)
• GPRS мульти-слотовый класс 1-12 (настраивается)
• Входящая и исходящая скорость макс. 85.6 Кб/с
• Схемы кодирования каналов: CS-1 / CS-2 / CS-3 / CS-4
• Поддержка протокола аутентификации PAP для соединений типа точка-точка (PPP)
• Поддержка канала управления пакетной передачи данных PBCCH
• Поддержка интерактивных сервисов с USSD-запросами
• SMS
• Поддерживаемые режимы: MT / MO / CB / Text / PDU
• Хранение SMS: SIM-карта
• Протоколы: TCP, UDP, FTP, PPP, HTTP, MQTT, NTP, MMS, SMTP, PIN

GNSS

• Геолокационные системы: GPS, GLONASS, BeiDou, QZSS
• Спутниковый частотный диапазон: 1561.10 МГц, 1575.42 МГц
• Тип приёмника
• 33 канала слежения за спутниками
• 99 каналов сбора данных
• Навигационный сигнал GPS L1 C/A
• Чувствительность
• Захват: -148 дБм
• Перезахват: -160 дБм
• Отслеживание: -163 дБм
• Отслеживание навигационных данных
• Холодный старт: до 35 сек (до 15 сек с активным режимом EASY)
• Тёплый старт: до 30 сек (до 5 сек с активным режимом EASY)
• Горячий старт: 1 сек
• Частота обновления данных: до 10 Гц, 1 Гц по умолчанию
• Протоколы, управление: NMEA0183, PMTK
• Точность
• Горизонтальное позиционирование: радиус от точки координат менее 2.5 метров
• Скорость: менее 0.1 м/сек
• Ускорение: 0.1 м/сек²

Комплектация

• Модуль GSM/GPRS RAK13101 WisBlock х 1 шт
• Антенна GSM с разъёмом IPEX х 1шт
• Антенна GNSS с разъёмом IPEX х 1шт

Беспроводной модуль RAK13101 WisBlock Wireless GSM/GPRS (WisBlock IO) входит в серию продуктов модульного конструирования WisBlock, ориентированную на создание сверхкомпактного электронного оборудования. Беспроводной модуль GSM/GPRS расширяет существующую элементную базу аппаратных возможностей WisBlock. Плата RAK13101 добавляет в систему средство коммуникации в сетях сотовой связи стандарта GSM с возможностью пакетной передачи данных GPRS. Модуль полностью совместим со спутниковыми GNSS-системами GPS, GLONASS, BeiDou, QZSS, предоставляющие WisBlock-устройству пакетную информацию, применимую для определения персональных геолокационных координат.

Чип Quectel MC20 отличается несколькими расширенными аппаратно-программными технологиями, способствующими улучшению функционирования геолокационной составляющей. Благодаря внедрению A(ssisted)-GPS технологии EASY, система Quectel MC20 поддерживает обработку справочной информации из пересылаемых со спутников данных альманаха и эфемериса. Имея представление о грубом положении, времени и статусе спутника, система MC20 помогает до 5 секунд сократить продолжительность сеанса захвата сигнала спутника для получения первичных данных (Time-to-First-Fix) в режиме тёплого старта GPS-приёмника. На протяжении первых трёх дней с момента приёма сообщения из эфемериса, система в автоматическом режиме способна рассчитывать и предсказывать орбиту, сохраняя полученные сведения в своей внутренней памяти. Вдобавок, для достижения кратчайшего времени в режиме холодного старта, офлайновая технология EPO расширенного предсказателя орбит (аббр. от Extended Prediction Orbit) позволяет системе MC20 обращаться к MTK-серверу по каналам GSM/GPRS, и загружать 4КБ данных с 6-часовым предсказанием, и с последующим дополучением оставшихся 48КБ данных EPO с данными о трёх-дневном периоде.

Ультрамалые коннекторы, применяемые в WisBlock IO для соединения различных модулей системы с базовой платой, не просто уменьшают занимаемое устройством пространство, но и обладают высокоскоростной коммуникационной шиной. Через шину ввода/вывода стандартизированного 40-контактного коннектора WisBlock IO, чип Quectel MC20 соединяется с процессорным блоком WisBlock Core по асинхронной цифровой шине UART. Основанный на фирменных текстовых АТ командах, способ оперирования чипом беспроводной сотовой связи MC20 позволяет в упрощённой форме управлять модулем GSM/GPRS RAK13101.

RAK13101 рекомендован как идеальное, энергоэфективное решение для создания компактных маломощных автономных приложений, работающих на батареях/аккумуляторах. Система WisBlock способна управлять электропитанием модулей, отключая или включая их в работу в нужное время, тем самым ещё больше экономя ресурсы источника питания.

Расположение основных компонентов RAK13101 GSM/GPRS WisBlock

Образец монтажа

Модуль RAK13101 Wireless GSM/GPRS разработан для установки в 40-контактный слот WisBlock IO, имеющийся в распоряжении полноразмерных базовых плат наподобие RAK5005-O. Правильное расположение платы приведено на изображении ниже, подключение с разворотом в противоположном направлении к коннектору "IO Slot" не предусмотрено в системе WisBlock.

На лицевой стороне RAK13101 и прочих модулей WisBlock присутствует шелкографическая метка, указывающая на область приложения механического усилия для безопасного извлечения модуля из разъёма. Эта метка обычно находится рядом с коннектором.

Отладочный порт Micro-USB

Модуль RAK13101 оснащён коннектором Micro-USB для подключения к host-устройствам. Порт предназначен исключительно для вывода журналов с отладочной информацией на скорости 460800 бит/сек, автоматически генерируемой чипом MC20 в реальном времени. Линии USB+ и USB- шины данных USB сопряжены с 3.3В питанием. Отладочный порт не имеет иных внутренних подключений для ввода данных или питания цепей модуля, не активен в состоянии обесточенного чипа Quectel MC20. Схема USB соединения дополнена ESD-защитой из TVS-диодного массива.

Антенны GSM и GNSS

На плате модуля RAK131010 предусмотрены два порта формата U.FL IPEX для присоединения внешних высокочастотных антенн сотовой связи GSM/GPRS и спутниковой навигации GPS/GNSS. Чип MC20 предусматривает программное управление питанием блока GNSS с помощью текстовой команды AT+QGNSSC.

Назначение выводов 40-pin разъёма Wisblock

Назначение выводов, функции

• VBAT — питание от аккумуляторной батареи 3.3 ~ 4.2В, плюсовой контакт
• GND — общий контакт, заземление
• 3V3 — напряжение VDD, генерируемое процессорным модулем WisBlock Core
• Wis RX, Wis TX — шина UART1 к процессорному модулю WisBlock Core
• Wis PWRKEY — высокоуровневый сигнал управления питанием Quectel MC20, вывод IO5 вычислительного модуля WisBlock Core

Питание и управление модулем WisBlock Wireless RAK13101

Пиковое потребление тока приёмопередатчиком в режиме связи GSM/GPRS достигает 1600 мА. Для режима спутниковой связи GPS/GNSS, модулю беспроводной связи требуется дополнительные минимальные 150 мА. Пропускной способности основного регулятора напряжения с выходным током 750 мА, имеющегося в схеме базовой платы, не достаточно для питания Quectel MC20. По этой причине, многоконтурная система распределения электроэнергии в схеме RAK13101 задействует батарейный вывод VBAT для питания чипа Quectel MC20 с портами присоединяемых антенн напрямую от 4.2-вольтового аккумулятора, и 3.3-вольтовый вывод 3V3 (VDD) для подведения напряжения к интегрированному USB-UART TTL преобразователю сигналов CH340E отладочного разъёма Micro-USB. Рекомендованный отдаваемый ток для перезаряжаемого источника электроэнергии составляет не менее 2000 мА.

С помощью команды AT+QADC, модуль RAK13101 позволяет отслеживать актуальный уровень заряда используемого источника электроэнергии. Контакт VBAT соединён с внутренним аналоговым входом 10-разрядного цифро-аналогового преобразователя Quectel MC20 через резистивный делитель напряжения.

В исходном состоянии Quectel MC20 находится в режиме отключенного питания. Включение или выключение чипсета осуществляется подачей кратковременного высокоуровневго импульса продолжительностью около 1 сек на вывод WIS_PWRKEY. Режим отключения питания доступен на программном уровне, через команду AT+QPOWD.

Светодиодные индикаторы состояния

Единственный зелёный светодиодный индикатор состояния сетевого подключения NETLIGH в модуле RAK13101 находится рядом с гнедом спутниковой GNSS-антенны. Текущее состояние определяется периодичностью включения индикатора:

• выключен - модуль не запущен
• 1 раз в 1 секунду - нет синхронизации с сетью
• 1 раз в 2 секунды - синхронизация с сетью установлена
• 2 раза в 1 секунду - передача данных GPRS после установления PPP-соединения

Электрическая принципиальная схема модуля WisBlock Wireless RAK13101 GSM/GPS Quectel MC20

Физические размеры, мм

Техническая документация

1. Аппаратный дизайн Quectel MC20 V1.0 (англ., PDF)
2. Справочник управляющих АТ команд для Quectel MC20 V1.0 (англ., PDF)
3. Справочник управляющих АТ команд GNSS для Quectel MC20 V1.1 (англ., PDF)
4. Характеристики коннекторов FBB (.PNG)

Полезные ссылки

1. Репозиторий исходного кода WisBlock на сайте GitHub
2. Краткое руководство пользователя системы WisBlock
3. Руководство по дизайну индивидуальных интерфейсных модулей
   
4. Пример программирования RAK13101