М2М системи віддаленого управління та моніторингу

Рубрикатор

наші новини

Підписка на новини

Діанов Ігор

Серганов Володимир

Упорів Олексій

Стаття присвячена особливостям передачі даних у мережі GSM/GPRS та закінченим рішенням щодо організації стійкого каналу обміну в модемах AnCom RM виробництва компанії «Аналітик-ТС» (www.analytic.ru).

На українському ринку бездротових систем M2M широкого поширення набули GSM/GPRS-модулі, термінали та закінчені системи передачі даних різних виробників. Їх використання переважно у проектах з обмеженим фінансуванням, коли створення каналів проводового зв'язку недоцільне: системи телеметрії та телемеханіки, безпеки та АСКУЕ, торгові та платіжні термінали, банкомати та паркувальні лічильники, рухомі об'єкти тощо.

Сервіси, що надаються мережею GSM для M2M

У GSM-мережі передачі даних використовуються сервіси: SMS (Short Message Service), CSD (Circuit Switched Data) і GPRS/EDGE (General packet radio Service / Enhanced Data for Global Evolution).

SMS – у зв'язку з обмеженнями на обсяг даних (160 символів), що передаються, відносно високою вартістю та відсутністю ”гарантованої доставки” в основному застосовується в охоронно-пожежних системах.

CSD - сервіс з комутацією каналів, швидкість до 9,6 кбіт/с (14,4 кбіт/с при використанні HSCSD в одному слоті). Дані передаються у виділеному під час встановлення з'єднання каналі. Підтримується протокол стиснення та корекції помилок V.42bis. Переваги: ​​якщо з'єднання встановлено, то дані дійдуть за фіксований час. Недоліки: погодиннаоплата та складність використання в системах, що потребують швидкої реакції на подію (необхідний час, щоб додзвонитися).

GPRS/EDGE – сервіс із пакетною передачею даних, швидкість до 171/473 кбіт/с, постійне з'єднання з мережею (не треба додзвонюватися до абонента). Передача пакетів йде голосовими каналами, які не використовуються в даний момент, які завжди є в проміжках між розмовами абонентів. Використання передачі відразу кількох каналів забезпечує підвищення швидкості. Плюси: постійна готовність до передачі даних та тарифікація обсягу даних, що передаються, а не часу з'єднання. Мінус: виділення слотів за залишковим принципом.

Особливості передачі даних у мережі GPRS

При організації каналів передачі даних GPRS необхідно чітко розділяти поняття:

  • швидкість передачі (максимум 171 кбіт/с, а на реальній ”московській” мережі у середньому 10 кбіт/с);
  • час доставки даних (до 15 і більше секунд);
  • девіація часу доставки (до 15 с).

Як наслідок, тимчасові таймаути при опитувальній схемі повинні становити більше 30 секунд, і необхідно враховувати можливі тимчасові розриви передачі самого повідомлення (якщо не використовуються спеціальні засоби їх зборки-розбирання), наприклад, коли кілька байтів приходять через 2 с після відправки, а залишилася частина затримується на 13 с.

Розглянемо причини затримок доставки даних:

  • власне затримка доставки кадрів канального рівня, що визначається:
  • затримкою на інтерфейсі передачі (наприклад, викликаної механізмом RTS/CTS);
  • часом складання-розбирання кадрів та їх обробки, що включає завадостійке кодування, перемежування, диспетчеризацію потоків з різною якістю обслуговування, шифрування та ін;
  • затримкою передачі кадру, що включає виділення вільних слотів та поширення сигналу у фізичному каналі;
  • втрати кадрів канального рівня під час їх передачі радіолініями:
  • виникнення канальних помилок, властиве мобільним мережам;
  • розрив лінії зв'язку, що виникає, наприклад, під час процедури хендовера (handover) - переходу мобільного терміналу з однієї стільники до іншої;
  • транспортний протокол зі своїм механізмом захисту від помилок іноді некоректно взаємодіє з аналогічними механізмами канального рівня, здійснюючи повторну передачу затриманих або загублених пакетів поряд із їх повторною передачею канальним протоколом.

    • локальний - належить оператору та невидимий з боку Інтернету,
    • публічний - доступний з боку Інтернету,
    • динамічний - змінюється при перевстановленні з'єднання,
    • статичний – жорстко прив'язаний до SIM-картки.

    Забезпечення безпеки передачі даних

    Багатьох хвилюють питання, пов'язані з безпекою передачі даних через мережу GPRS. Розуміючи всю складність теми, розглянемо хоча б частину системних засобів, що її забезпечують:

    • безпосередньо у мобільному терміналі безпека забезпечується на рівнях:
    • SIM-картки: ідентифікатор абонента (IMSI), ключ аутентифікації (Ki), алгоритми шифрації (A8) та аутентифікації (A3), PIN-код доступу;
    • термінального обладнання: ідентифікатор IMEI; алгоритм шифрації A5;
  • при передачі даних від терміналу до обслуговуючого вузла дані шифруються відповідно до алгоритму GEA1,2,3;
  • захист локальної мережі оператора забезпечується блокуванням доступу із зовнішніх мереж RFC 1918.

    • «Керуючий» модем

    Велика кількість GSM/GPRS-модулів ітерміналів має вбудовану підтримку стека протоколів POP3/SMTP, FTP, TCP/IP/UDP/DNS. Простота організації з їхньої основі доступу комп'ютерів до Інтернету та аналогії із застосуванням проводових модемів можуть створити відчуття відсутності складнощів при використанні у промислових системах телеметрії і телеуправления.

    Підключення до модуля контролера, що забезпечує формування AT-команд, зовнішнього джерела живлення та антени в кінцевому рахунку не викличе труднощів у досвідчених розробників. Основні питання починають виникати під час вирішення завдання забезпечення сталої роботи:

    Безумовно, знайдуться організації, які зможуть вирішити проблеми, що виникають – але чи виправдано це економічно для більшості?

    Усе це призводить до появи над ринком пропозицій закінчених рішень. Їхня вартість, безумовно, трохи вища, але це ціна за своєрідний «Plug and Play» («включив і працюй»). Подібні системи можуть містити контролер, що управляє, але сучасні GSM/GPRS-модулі дозволяють його позбутися, зробивши «керуючим» сам модем. Вбудовані програми перетворюють модем на закінчену систему передачі, а в багатьох випадках - і в систему збору, обробки та передачі даних. Приклади підходу до програмування модемів представлені таблиці.

    системи

    Закінчені рішення на базі модемів, що резервуються AnCom RM

    ТОВ «Аналітик-ТС» збудувало свої рішення на базі модемного модуля фірми Wavecom та власного вбудованого програмного забезпечення.

    AnCom RM - закінчене рішення для промислових систем, чутливих до перерв зв'язку. Сімейство модемів, що резервуються, з автоматичним переходом на запасний канал передачі даних і поверненням на основний при його відновленні. Прозорий канал автоматично активується післяживлення.

    AnCom RM/E (рис. 1) - у модемі реалізовано резервування каналів зв'язку, розділених на фізичному рівні (провідні та бездротові канали). Модульна архітектура (до 5 модулів, що встановлюються в міні-крейт) забезпечує випуск широкої номенклатури модемів: з різними інтерфейсами (RS-232C, RS-485 або USB), типами первинного живлення, дротовими (вбудований модем AnCom STF) та бездротовими (GSM/ GPRS-модуль) каналами зв'язку (два канали у будь-якій комбінації).

    управління

    AnCom RM/D (рис. 2) – модем оптимізовано для бездротових GSM/GPRS-систем передачі: два тримачі SIM-карт із вбудованою програмною підтримкою автоматичного перемикання між ними (резервування оператора зв'язку), інтерфейс RS-232С , вбудована або зовнішня антена, різні види первинного живлення

    управління

    Вбудоване програмне забезпечення «SOCKET_MODE»

    Призначення та можливості

    Після включення живлення завантажений у модем додаток забезпечує автоматичне підключення до мережі GSM/GPRS та встановлення між двома модемами прозорого каналу обміну даними (TCP/IP-сокету). У процесі роботи контролюються позаштатні ситуації (збої SIM-карти, рівень GSM-сигналу, реєстрація в мережі GSM/GPRS, збої в мережі оператора зв'язку, передача даних через TCP/IP-сокет, активність на порту даних тощо) та забезпечується максимально швидке відновлення з'єднання, у тому числі за рахунок перезавантаження чи переходу на резервний канал.

    Особливості реалізації

    Для налаштування режимів роботи модему введено розширення команд AT з префіксом AT@ATS. Налаштування модему проводиться на швидкості COM-порту 155 200 бод. При переході модему в режим передачі даних швидкість COM-порту зміняться на швидкість, вказану приналаштування модему (AT@ATSSPEED = "xxxx", де xxxx-швидкість в діапазоні 300-57600 бод).

    Для виключення ситуації ”зависання” модему усі етапи встановлення з'єднання та передачі даних охоплені контролем часу завершення (понад 30 контрольованих тайм-аутів). У тому числі реалізовано тайм-аут на відсутність прийому-передачі даних за інтерфейсом (AT@ATSPRRESET) та тайм-аут на спробу повернення з резервного каналу на основний.

    Модем має розширений до 16 Кбайт внутрішній буфер даних, що дозволяє застосовувати його в системах з 3-провідним інтерфейсом (тільки RxD і TxD). При передачі без програмного квітування пакетів даних розміром понад 16 Кбайт необхідно увімкнути керування потоком CTS/RTS.

    На всіх етапах здійснюється світлодіодна індикація рівня вхідного сигналу, стану процесу встановлення з'єднання та роботи.

    Додаткові засоби забезпечення безпеки даних

    У модемах AnCom RM реалізовано кілька додаткових рівнів аутентифікації на етапах ініціалізації, встановлення з'єднання та передачі даних:

    Алгоритм відкриття TCP/IP-сокету між двома модемами

    Після включення живлення модеми ініціалізують актуальні SIM-картки, перевіряють правильність введених PIN-кодів та контролюють рівень GSM-сигналу. Обмін дзвінками з ідентифікацією номера дозволяє синхронізувати роботу та визначити канали, на яких працюють модеми (основний або резервний).

    Забезпечення сумісності

    Під час розробки вбудованого програмного забезпечення необхідно забезпечити коректну реакцію модемів на особливості, властиві мережевим операторам (наприклад, формат видачі номера), різні тарифні плани тощо.

    Перспективи розвитку

    ТОВ «Аналітик-ТС»продовжує розробки в галузі розширення функціональності вбудованого ПЗ (на підході масштабований програмний комплекс, що забезпечує прозорий канал обміну даними через VPN-тунель між GSM/GPRS-модемом та комп'ютером, що знаходиться в локальній мережі). Здійснюються замовлення розробки вбудованого ПЗ.

    Технологічне програмне забезпечення

    GTem – термінальний додаток, що вільно розповсюджується, що забезпечує суттєве спрощення процедур налаштування та тестування модемів. Основні режими роботи:

    • налаштування режиму COM-порту, до якого підключено модем, з індикацією сигналів CTS, DSR, RING та DCD;
    • програмування модулів Wavecom (з підтримкою протоколу Xmodem);
    • налаштування модему:
    • передача в модем AT-команд: сформованих вручну, вибраних із списку, що редагується, або представлених у вигляді AT-скриптів (послідовності AT-команд);
    • створення, редагування та виконання AT-скриптів, які можуть бути створені вручну або за допомогою спеціальних форм (скрипт із 18 команд виконується приблизно за 10 секунд);
    • в комплект постачання ПЗ входить набір бібліотек AT-команд та AT-скриптів;
  • тестування каналу передачі з можливістю передачі:
  • рядки або масиву символів ASCII (одноразово або через певні проміжки часу);
  • заданого файлу.

    • У процесі роботи GTem ведуться журнали, які можуть бути збережені та використані як звітні документи:

    • журнал виконання останнього скрипта (подані команди та відповіді на них);
    • журнал передачі останнього файлу (порядок передачі пакетів даних та результати передачі);
    • копія даних, які були передані до COM-порту та прийняті з нього (журнал створюється при запускупрограми, в імені файлу міститься дата та час його створення).

    FTPmonitor – додаток, що вільно розповсюджується, призначений для допомоги користувачам модемів AnCom RM:

    Література

    1. Пушкарьов О. EDGE – технологія високошвидкісної передачі даних у GSM-мережах // Бездротові технології. 2005. № 1.
    2. Пушкарьов О. GSM/GPRS-модеми Wavecom для швидкої розробки та впровадження GSM-рішень // Бездротові технології. 2006. № 2.
    3. AT Commands Interface for TCP/IP. For eDsoft-302 v0.1. F. D. eDevice. WAVECOM SA. Jan, 2003.
    4. Проблеми передачі у мережах мобільного зв'язку. http://www.ccc.ru/magazine/depot/02_05/read.html?0302.htm.
    5. VPN та IPSec на пальцях. http://www.opennet.ru/docs/RUS/vpn_ipsec/index.html.
    6. Enabler-IIG AT Command Set Version 1.08. http://www.enfora.com.

    Інші статті на цю тему:

    Якщо Ви помітили якісь неточності у статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію тощо), прохання повідомити про це нам. Будь ласка, вкажіть посилання на сторінку та опис проблеми.