SIM7020C 4-диапазонный GSM-модуль 4G/LTE для сетей NB IoT

Мультидиапазонный GSM-модуль SIM7020C сотовой связи 4G/LTE для узкополосных сетей Интернета вещей NB IoT

Компактный модуль SIM7020С предлагает простую интеграцию современной, быстроразвивающейся технологии NB-IoT, являющейся одной из трёх спецификаций основного стандарта IoT. SIM7020C работает в четырёх частотных диапазонах и помогает организовать подключение самых разных промышленных или бытовых автономных устройств, расходующих крайне малый объём данных для межмашинного обмена информацией (М2М), к цифровым сетям беспроводной сотовой связи, построенных на базе оборудования 4G LTE или GSM. Модуль SIM7020C поддерживает эффективные режимы энергосбережения (PSM) и расширенный режим прерывистой связи (eDRX), позволяющие экономно расходовать ресурсы резервной батареи, увеличивая продолжительность срока её службы до десяти лет.

Технические характеристики

• Питание основное: 3.7 ~ 18 В
• Питание резервное: 2.1 ~ 3.6 В
• Энергопотребление:
• пиковый ток: 500 мА
• трансляция сигнала: 134 мА
• режим ожидания: 5.6 мА
• режим сна: 0.4 мА
• расширенный режим кратковременной связи: 70-230 мкА
• режим энергосбережения: 3.4 мкА
• Рабочее напряжение, уровень сигналов TTL: 3.3 В
• Частотный диапазон: LTE CAT-NB1 (HD-FDD), B1 (2100 МГц) / B3 (1800 МГц) / B5 (850 МГц) / B8 (900 МГц)
• Мощность приёмопередатчика: LTE 23 дБ
• Обмен данными в эфире: 26.15 Кб/с приём, 62.5 Кб/с передача
• Сетевые протоколы: TCP / UDP / HTTP / HTTPS / DNS / NTP / PING / LWM2M / COAP / MQTT / MQTTS
• Облачные сервисы: OneNET / CT Cloud / CUCC Cloud / Ayla Cloud / Ali Cloud
• Управление: АТ-команды (3GPP TS 27.005, 3GPP TS 27.007, АТ-команды SimCom)
• Слот для SIM-карт: micro-SIM
• Питание SIM-карт: 1.8 В / 3 В, автоматическое определение напряжения
• Сервисы SMS-сообщений: SMS MT (приём), SMS MO (отправка) в форматах Text и PDU
• Антенна: разъём IPEХ для внешней антенны, съёмная LTE-антенна
• Аппаратная скорость UART: 115200 бод
• Обновление ПО через последовательный UART: нет
• Встроенный регулятор напряжения: JW5033S
• Встроенная защита от электростатического разряда (ESD): SRV05-4
• Время включения модуля, мин.: 215 мсек.
• Время готовности UART, мин.: 2 сек.
• Светодиодные индикаторы: входное напряжение, статус сетевого подключения
• Шаг между контактами: 2.54 мм
• Монтажные отверстия: 4 х 2 мм
• Диапазон рабочих температур: -30°С...+80°С
• Размеры: 28 х 26 х 5.5 мм

Назначение контактов модуля SIM7020C

Группа 1:

• Вход/выход М- — Контакт общего назначения GPIO0 SIM7020C, перед включением питания модуля не должен быть стянут на землю;
• Выход M+ — Исходящее напряжение 3.3 В / 50 мА для питания внешних схем, недоступное в режиме энергосбережения (PSM);
• Вход S- — Пробуждение из режима энергосбережения (PSM) при получении внешнего прерывания, низкоуровневый сигнал. Принадлежит домену реального времени с питанием от автономного источника;
• Выход S+ — Индикатор получения внешнего прерывания, высокоуровневый сигнал в режиме энергосбережения (PSM). Принадлежит домену реального времени с питанием от автономного источника;
• Вход RTC — Аварийный перезапуск (Reset) SIM7020C, низкоуровневый сигнал.

Группа 2:

• Вход VIN — Питание модуля, положительная сторона напряжения +3.7 ~ +18 В;
• Вход GND — Питание модуля, общий контакт;
• Выход TXD — Передача данных по UART1;
• Вход RXD — Приём данных по UART1;
• Вход PEN — Управление схемой питания модуля, активация встроенного регулятора JW5033S, высокоуровневый сигнал включения;
• Выход NET — Индикатор состояния сетевого подключения,
• Вход DTR — Сигнал готовности к приёму, пробуждение из режима сна (Sleep mode), низкоуровневый сигнал.

Группа 3:

• Вход VBT — Питание модуля, внешний резервный источник, литиевая батарея;
• Вход GND — Питание модуля, общий контакт;
• Выход VEX — Исходящее напряжение 1.8 В / 50 мА для питания внешних схем, недоступное в режиме энергосбережения (PSM);
• Выход STA — Индикатор рабочего состояния SIM7020C, высокоуровневый сигнал. указывает на готовность ПО, низкоуровневый сигнал извещает об отсутствии питания;
• Выход RI — Сигнал вызова UART1, индикатор внутреннего прерывания, низкоуровневый сигнал. Извещает о получении СМС или о незапрашиваемом коде результата, продолжительность 120 мсек.

Подключение к контроллеру Ардуино

Изучить технические особенности SIM7020C, протестировать его возможности или предварительно подготовить к эксплуатации в конструкциях законченных приложений, можно прибегнув к проводному подключению с персональным компьютером. Понадобиться подходящий преобразователь USB-UART TTL и программа-терминал последовательного COM-порта. За неимением преобразователя, его место может занять контроллер из семейства плат Ардуино, ESP, Teensy, PyCom, Raspberry Pi или других вычислительных микросхем с 3.3-вольтовой логикой. Монитор последовательного порта редактора Arduino IDE отлично справится с выводом информации на экран ПК. Среди обширного списка плат Ардуино, далеко не последнее место занимает модель DUE с соответствующим уровнем логики и сразу несколькими аппаратными интерфейсами UART, не требующих предварительной конфигурации.

В таблице приведена минимальная схема проводного соединения 4G/LTE-модуля NB IoT с контроллером Ардуино DUE. Остальные контакты остаются в свободном (подвешенном) состоянии или задействуются в случае необходимости:

Скетч, прошитый в память Ардуино DUE, образует простой мост и переадресует входящие/исходящие данные между двумя собственными шинами UART0 / UART1.

void setup() {
  // Цифровой вывод 2 платы DUE подключен к контакту PEN SIM7020C
  pinMode(2, OUTPUT);
  // Получаем доступ к шине UART модуля SIM7020C
  digitalWrite(2, HIGH);
  // Устанавливаем скорость UART
  Serial.begin(115200); 
  Serial1.begin(115200);
}

void loop() {
  // Перенаправляем данные между двумя UART, если они появляются
  if (Serial1.available()) {
     Serial.write(Serial1.read());
     }
  if (Serial.available()) {
     Serial1.write(Serial.read());
     }
}

Последовательный интерфейс UART в модуле SIM7020C

Из двух существующих аппаратных последовательных интерфейсов асинхронной передачи данных в модуле SIM7020C, на внешние контакты разведён только нуль-модемный UART1, а также пара линии управления DTR и RI. В цепочке между пользовательскими контактами UART1 и входами чипа SIM7020С присутствуют развязки из транзисторных ключей, открывающие или закрывающие доступ с шине данных, и контролируемые логическим импульсом вывода PEN. Не смотря на то, что ядро SIM7020C работает на основном напряжении 1.8 В, выводы приёма данных RX и передачи данных TX интерфейса UART1 оснащены двумя независимыми схемами сопряжения сигналов с 3.3-вольтовой логикой, предоставляющие возможность безболезненно подключаться к распространённым управляющим микроконтроллерам с однотипным уровнем логических сигналов. Скорость связи UART1 по умолчанию составляет 115200 кбод (кбит/с).

Управление модулем SIM7020C

Аналогично общеизвестным классическим модулям беспроводной связи WiFi, Bluetooth или GPS/GPRS-навигации, любое пользовательское приложение общается с SIM7020C посредством специализированных цифро-символьных модемных команд, передаваемых через шину UART. Команды носят название "АТ команды". В подавляющем большинстве, их полное название образуется из обязательной вступительной аббревиатуры АТ+ и условного буквенного сокращения, соответствующего предопределённому действию (в вонце команды может стоять перечисление параметров для изменения настроек. АТ команды способны по-разному реагировать на удачно выполненное действие, возвращают простое подтверждение или выдают какие-нибудь результаты. Самая простая двухсимвольная команда "АТ" отвечает в последовательный порт "ОК". Тестовая команда "АТ" позволяет убедиться в правильном подключении и работоспособности модуля. Полный набор АТ команд с подробным описанием, поддерживаемых программным обеспечением чипа SIM7020C, располагается в разделе технической документации.

Пример отображения списка доступных провайдеров сотовой связи

AT

OK

AT+COPS=?

+COPS: (1,"Bee Line GSM","BeeLine","25099",9),(3,"MegaFon","MegaFon","25002",9),(3,"MTS","MTS","25001",9),,(0-4),(0-2)

OK 

Резервное питание SIM7020C

Источником резервного питания должна служить перезаряжаемая аккумуляторная батарея с напряжением в диапазоне 2.1 ~ 3.6 В и током не менее 500мА, подключаемая к контактам VBAT+GND. Выход встроенного DC-DC регулятора и вывод VBAT внешнего автономного питания в модуле SIM7020C объединены. Поэтому, в целях избежания преждевременных повреждений, использование одноразовых батарей не рекомендуется.

Физические размеры модуля SIM7020C, мм

Техническая документация

1. АТ команды чипов серии SIM7020 v1.02 (англ., PDF)
2. Аппаратный дизайн SIM7020 (англ., PDF)
3. Регулятор напряжения JW5033S (англ., PDF)
4. Диодная матрица TVS SRV05-4 (англ., PDF)

Полезные ссылки

1. Полный перечень дизайнерской документации SIM7020C