Arduino GSM сигнализация: как создать сигнализацию?

Друзья, разрешите представить проектик GSM сигнализации на Arduino. В сети довольно много проектов по типу «Arduino + модем + датчики», однако я часто вижу в них некоторую незаконченность (в особенности, с программной точки зрения): отсутствие гибкости в настройках и конфигурировании. В представленном решении я попытался сделать устройство максимально готовое к «боевым» условиям, предусмотрев все, что может понадобится среднестатистическому пользователю (на мой взгляд).

TL; DR программно и аппаратно задуманное реализовано, тест в реальных условиях запущен, исходники и бинарники опубликованы, корпус не осилил.

Устройство и характеристики

Устройство отправляет SMS при возникновении следующих событий:

• открытие двери (герконовый датчик);
• резкое изменение освещения (фоторезистор);
• движение (PIR датчик);
• выход температуры из заданного диапазона;
• низкое напряжение батареи.

Пример SMS с событием

Также, раз в сутки можно настроить время ежедневного отчета

Питается устройство от 3-х батареек AA. Расчетное время работы ≥6мес.

Настройка устройства, считывание логов событий и построение месячного графика температуры происходит с помощью утилиты (Python 2.7 + Tk + pyserial + matplotli).

Основное окно утилиты настройки

Окно лога событий

Окно лога температуры

Сам код:

тут
/// GSM сигналка c установкой по звонку /// датчиком на прерывателях // донат, https://money.yandex.ru/to/410012486954705 #include <EEPROM

.h> //// как подключен модем? //#include // если программный //SoftwareSerial gsm(7, 8); // RX, TX #define gsm
Serial
// если аппаратный в UNO //#define gsm Serial1 // если аппаратный в леонардо #define LED 13 #define TELLNUMBER «ATD+70001112233;» // номен на который будем звонить #define SMSNUMBER «AT+CMGS=\»70001112233\»» // номер на который будем отправлять SMS #define TELMODE «70001112233» // номер для установки на охрану #define SH1 A2 // шлейыф //#define SH2 A3 #define pinBOOT 5 // нога BOOT или K на модеме byte mode = 0; // 0 — только включили // 1 — установлена охрана // 2 — снята с охраны // при добавлении не забываем посмотреть на 41 строку void setup() { delay(1000); //// !! чтобы нечего не повисало при включении gsm.begin(9600); /// незабываем указать скорость работы UART модема // Serial.begin(9600); pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(pinBOOT, OUTPUT); /// нога BOOT на модеме pinMode(SH1, INPUT_PULLUP); /// нога на растяжку // pinMode(SH2, INPUT_PULLUP); /// нога на растяжку // читаем режим из еепром mode =
EEPROM
.read(0); if (mode > 2) mode = 2; // проверяем значение в еепром // занимаемся модемом delay(1000); digitalWrite(LED, HIGH); // на время включаем лед digitalWrite(pinBOOT, LOW); /// включаем модем // нужно дождатся включения модема и соединения с сетью delay(2000); // while(gsm.find(«STARTUP»)); /// ждем команды от модема gsm.println(«ATE0»); // выключаем эхо while(1){ // ждем подключение модема к сети gsm.println(«AT+COPS?»); if (gsm.find(«+COPS: 0»)) break; digitalWrite(LED, LOW); // блымаем светодиодом delay(50); digitalWrite(LED, HIGH); delay(500); } //Serial.println(«Modem OK»); digitalWrite(LED, LOW); // блымаем светодиодом delay(1500); digitalWrite(LED, HIGH); delay(250); digitalWrite(LED, LOW); } void loop() { if (mode == 1){ // если в режиме охраны // проверяем датчики if (digitalRead(SH1)){ // если обрыв // отзваниваемся gsm.println(TELLNUMBER); delay(2500); if (gsm.find(«NO CARRIER»)){ // ищим сброс вызова, // снимаем охранку mode = 2;
EEPROM
.write(0, mode); } } } // если охрана снята if (mode == 2){ if (digitalRead(SH1)){ // проверяем датчики, включаем LED digitalWrite(LED, HIGH); } else digitalWrite(LED, LOW); } // ищим RING // если нашли, опрашиваем кто это и ставим на охрану if(gsm.find(«RING»)){ // если нашли RING gsm.println(«AT+CLIP=1»); // включаем АОН, while(1){ // в цикле if (gsm.find(TELMODE)){ // ищим номер телефона, если нашли mode = 1; // меняем режим
EEPROM
.write(0, mode); // пишим его в еепром break; // и выходим } else{ // иначе gsm.println(«AT+CPAS»); // спрашиваем состояние модема delay(100); if (gsm.find(«+CPAS: 0»)) break; // и если он в «готовности», выходим из цикла } // если звонок в процессе, возвращает +CPAS: 3 } // и крутимся дальше gsm.println(«AT+CLIP=0»); // выключаем АОН, delay(500); gsm.println(«ATH0»); // сбрасываем вызов digitalWrite(LED, LOW); // сигнализируем об этом delay(500); digitalWrite(LED, HIGH); delay(250); digitalWrite(LED, LOW); } }

Сборка устройства

Себестоимость деталей устройства на момент публикации этой статьи составляет примерно 1000-1200 рублей (без учета заказа платы).

Для удобства сборки и надежности в эксплуатации лучше заказать плату. Китайские друзья с известного сайта предлагают сделать 10 штук с доставкой за ~$7, а иногда и меньше. Но всегда можно собрать и на макетке, как я и поступил с первым прототипом:

Прототип.

Arduino и совместимые модули были заказаны с aliexpress. Понадобятся:

• Arduino Pro Mini 3.3v 8MHz (5v 16MHz is also acceptable, but requires different firmware);
• MH-SR602 MINI Motion Sensor;
• SIM800C(L) GSM Module;
• CP2102 MICRO USB to UART TTL Module;
• DS3231 RTC Module For Raspberry Pi;
• 3 AA battery holder With ON OFF Switch;
• различная рассыпуха (резисторы, конденсаторы, зуммер и поч.).

В списке специально указаны названия, дающие нужный результат при вводе в поиск.

Схема устройства Для снижения энергопотребления с платы Arduino нужно обязательно удалить резистор светодиода питания и регулятор напряжения. Проект платы сделан в Ki-CAD.

Установка

1. Подключите выводы 5V и GND платы Arduino к выводам питания и GND датчиков. Вы также можете подавать на них внешнее питание.
2. Подключите выходные выводы датчиков к выводам и платы Arduino.
3. Подключите вывод 3 Arduino к базе транзистора через резистор 1 кОм.
4. Подайте напряжение 12 В на коллектор транзистора.
5. Подключите положительный вывод 12-вольтового зуммера к эмиттеру, а отрицательный – к шине земли.
6. Подключите вывод 4 к выводу 5V через кнопку. В целях безопасности, во избежание протекания большого тока это всегда лучше делать через дополнительный небольшой резистор.
7. Подключите плату Arduino к компьютеру через USB кабель и загрузите программу в микроконтроллер, используя Arduino IDE.
8. Подайте на плату Arduino питание, используя блок питания, аккумулятор или USB кабель/

Использование

• После сборки и прошивки устройство требует загрузки конфигурации (с помощью утилиты).
• При подключении к USB нормальная работа устройства приостанавливается, очередь неотправленных сообщений очищается.
• При неудачной отправке SMS, устройство произведет повторную попытку через 2 минуты, затем через 5, 10, 20, дважды через 40 и затем каждые 12 часов.
• После принятого звонка, он будет завершен через 3 минуты.
• Звуковая сигнализация включается на 30 секунд.
• События «открытие двери», «движение» и «изменения освещения» срабатывают не чаще, чем раз в 20 мин.
• Если питание устройства отсутствует более 3 часов, то записанная история измерения температуры сбрасывается.

Топ 6 самых популярных модулей

Представленные ниже модули – популярный продукт для монтажа систем автономной сигнализации и иных проектов, для передачи управляющего сигнала через сети мобильных операторов.

Под модулем понимается изделие, состоящие из платы и элементов на ней (включая компонент, состоящий из чипсета и приемопередатчика). Компонент находятся под крышкой в едином форм-факторе (напоминает процессор для материнской платы компьютера). Распайка на плате расширения происходит через торцевые контактные ножки. Такая полноценная плата и называется модулем. Если на ней есть множество других элементов, ее иногда именуют шилд.

Ниже будут приведены модули, такие как Neoway M590, A6 и A7, и прочие, представлены их характеристики.

SIM900

Разработанный компанией SIMCom Wireless Solution модуль SIM900 подключается и обменивается данными через распространенный физический протокол передачи данных UART. Подключение к ПК осуществляется через USB-UART преобразователь.

Плата позволяет в двухстороннем режиме работать с сообщениями и звонками адресата.

Спецификация:

1. Диапазон частот EGSM900, DCS1800, GSM850, PCS1900.
2. Напряжение 3,2-4,8 В.
3. Сила тока в режиме простоя – 450 мА.
4. Максимальный ток – 2 А.
5. Канал связи до 14.4 кбит/с.
6. Диапазон температур от -30 °C до +80 °C без искажения, и от -40 °C до +85 °C, с незначительным отклонением радиочастотных характеристик, с сохранением работоспособности.
7. Вес 6,2 г.
8. Размеры 24 x 24 x 3 мм.

У компонента есть модификации: 900B, 900D, 900TE-C, 900R 900X. У каждой модификации своя специфика. SIM900D дополнен блоком заряда аккумулятора, а в SIM900X введены новые режимы энергосбережения, что позволяет использовать модули в современных системах трекинга автомобилей, охранной и промышленной автоматики. Все модификации компонентов можно найти в едином форм-факторе SMT, с торцевыми контактами под пайку. Но, не исключены варианты нахождения в других форм факторах.

SIM800L

Основа модуля – компонент SIM800L с реализацией обмена данными по каналам GSM и GPRS с помощью дуплексного режима. В модуль устанавливается SIM-карта, есть встроенная антенна и выход под еще одну антенну. Питание на плату подается через преобразователь напряжения DC-DC. Еще, есть возможность подключиться к другому источнику питания. Интерфейс подключения – UART.

Спецификация:

1. Четырехдиапазонный сотовый терминал.
2. Напряжение 3,8-4,2В.
3. Ток в режиме ожидания – 0,7 мА. Предельный ток – 500 мА.
4. Слот
5. Поддержка 2G сети.
6. Диапазон температур от -30 °C до +75 °C.

A6

Шилд A6 работает в сетях мобильной связи и позволяет принимать и передавать сигналы с помощью GSM и GPRS. Модуль, созданный компанией AI-THINKER несколько лет назад, успешно показал себя и пользуется популярностью в системах автоматики.

ТТХ А6:

1. Четырехдиапазонный сотовый терминал.
2. Напряжение питания 5 В.
3. Ток в спящем режиме – 3 мА.
4. Ток режима ожидания – 100 мА.
5. Ток режима соединения – 500 мА.
6. Ток пиковой нагрузки – 2А.
7. Разъем
8. Скорость GPRS во время передачи сигнала 42,8 Кбит/сек.
9. Температура от -30 °C до +80 °C.

A6 modem

A7

Новый модуль А7 отличается от предшественника тем, что в него встроен GPS. Это решение позволило упростить конструкцию платы.

Основные параметры:

1. Четырехдиапазонный сотовый терминал.
2. Напряжение 3,3-4,6 В.
3. Напряжение питания 5В.
4. 10 Класс GPRS: канал передачи данных 85,6 кбит/с.
5. Jammer эха и шумов.

GSMGPRS модем с GPS приемником AI-Thinker A7

Neoway M590

Модуль на основе компонента Neoway M590 позволяет принимать звонки, обмениваться данными и сообщениями. Имеет интерфейс подключения UART.

Характеристики:

1. Диапазон частот EGSM900, DCS1800.
2. 10 Класс
3. Напряжение 3,3-5 В.
4. Пиковый ток 2 А.
5. Рабочий ток 210 мА.
6. Коммуникационный сигнал 3,3 В.
7. Температура от -40 °C до +80 °C.

Подключая модуль к контроллеру, потребуется преобразователь 3,3 В -> 5 В.

GSM GPRS модуль SIM900

На базе модуля SIM900 разработали и успешно используют SIM900 GSM GPRS Shield, в качестве модуля для подключения к Arduino UNO. По сравнению с остальными платами, стоимость этой на порядок дороже, и она укомплектована множеством разъемов и контактов. Среди основных параметров:

1. Подключается плата к Arduino Mega и UNO.
2. Четыре рабочих частоты, как и в остальных платах.
3. Низкое энергопотребление 1.5 А в спящем режиме.
4. GPRS мульти-слот класса 10/8.
5. Рабочие температуры от -40°C до +85 °C.

GSMGPRS shield SIM900, Первый взгляд

Полевые испытания

Прошу прощения за эстетику монтажа.

Установка на входную дверь. Часть конструкции справа (непосредственно на самой двери) — магнит для срабатывания геркона

На место постоянного использования (гараж) устройство было установлено 4 месяца назад. Для целей усиленного тестирования, функция расписания не используется (по каждому событию отправляется SMS). В среднем получается 5 SMS в день: два при входе в гараж (срабатывает датчик открытия двери и датчик освещения), два при выходе и один «ежедневный отчет». На текущий момент батареи (3x AA) держат напряжение 4.1в при включенном модеме.

Работа схемы

Схема устройства представлена на следующем рисунке.

Принцип работы рассматриваемого нами устройства очень прост – когда кто-нибудь попадает в радиус действия ультразвукового датчика плата Arduino рассчитывает расстояние до этого объекта и если измеренное расстояние находится в определенном диапазоне, Arduino передает сигнал высокого уровня на зуммер и зуммер начинает подавать сигнал тревоги. Структурная схема проекта представлена на следующем рисунке.

Вы можете проверить работу схемы при помощи помещения какого-нибудь предмета перед ультразвуковым датчиком, более подробно все эти процессы можно посмотреть в видео в конце статьи.

Проблемы

За время эксплуатации температура в помещении понизилась с +10°С до -15°С и обнаружилась две проблемы.

1. Используемый PIR датчик начинает давать ложные срабатывания при низких температурах. При +5°С использование стало совсем невозможным: число ложных срабатываний превысило одно в день. Попытка замены датчика на другой проблему не решило, поэтому сейчас этот датчик временно отключен. Что с этим делать пока не понятно.
2. Датчик температуры, встроенный в DS3231 при -10°С и ниже начал сходить с ума: периодически выдает случайные значения, например, «-84°С» или «+115°С». Интересно, что RTC работает нормально. На текущий момент не понятно, проблема ли это конкретно моего экземпляра или нет. Жду для проверки второй идентичный модуль, при повторении с ним проблемы в устройство будет добавлен DS18B20.

В остальном полет нормальный.

Постановка задачи

Первый этап проекта при возникновении желания создать простую сигналку на Ардуино своими руками — постановка задачи. Речь идет о том, что она должна „уметь” и какими функциями обладать. Именно настоящие действия определят конечную ее стоимость и компоненты, необходимые для получения нужного результата.

Итак, сигнализация должна «уметь»:

• определять движение какого-либо объекта в наблюдаемом пространстве;
• контролировать состояние дверей — в разрезе открыты они или закрыты;
• чувствовать смену освещенности — при любом несанкционированном доступе будет или включен свет, или использован фонарик, что непосредственно укажет управляющему устройству на фактор взлома;
• отправлять периодические сообщения на сотовый телефон владельца с использованием SMS, о текущем состоянии окружающей среды и контролирующего оборудования;
• информировать, — посредством тех же коммуникаций — о факте недозволенного доступа в охраняемое помещение;
• также нужна предусмотренная возможность простой смены настроек самой системы безопасности.

Сигнализация в сборе с питанием от аккумулятора:

Кроме названых функций, учитывая постоянные проблемы с электричеством, надо обеспечить резервное снабжение энергией цепей сигнализации, впредь до полной замены внешнего питания на внутренние батареи.

Советуем прочитать: подробная инструкция о том, как заставить работать датчик движения на Ардуино платформе.

Где можно применить?

Область применения GSM сигнализации весьма широка. Она может использоваться не только в качестве охранной для квартир, частных домов, дачных строений или магазинов. Даже в самом простом варианте изготовления, ее функций достаточно для оповещения владельца о каком-либо физическом событии.

К примеру, доступна установка ее на систему полива огорода, чтобы шли сигналы о закончившейся воде. Или можно использовать в качестве пожарной – при срабатывании датчика дыма и огня происходит звонок владельцу. Все зависит только от типа сенсоров.

Хороша GSM сигнализация и для защиты своего авто от угона или обворовывания. В первом случае, приятным бонусом будет возможность найти пропажу радиопеленгацией телефона.

Что собой представляет модуль Arduino?

Arduino реализуются в виде небольших плат, которые имеют собственный микропроцессор и память. На плате также располагается набор функциональных контактов, к которым можно подключать различные электрифицированные устройства, включая и датчики, используемые для охранных систем.

Процессор Arduino позволяет загружать в себя программу, написанную пользователем самостоятельно. Создавая собственный уникальный алгоритм, можно обеспечивать оптимальные режимы работы охранных сигнализаций для разных объектов и для разных условий использования и решаемых задач.

Основные особенности

На текущий день уже представлена масса аппаратных платформ, а также есть большое разнообразие микроконтроллеров, они получают информацию от внешних датчиков, далее происходит обработка данных и сигнал передается исполнительному механизму. Платформа Arduino во многом упрощает выполнение многочисленных задач и отличается действительно большим перечнем преимуществ, в сравнении с другими подобными устройствами. К основным преимуществам стоит отнести:

1. Доступную цену. Платформа отличается своей небольшой стоимостью в сравнении с другими аналогичными системами. Но при этом тут есть весь необходимый набор функций для обеспечения полной безопасности.
2. Кросс-платформенность. Программное обеспечение Arduino может эффективно взаимодействовать с Linux, Windows, Macintosh-OSX.
3. Простой процесс программирования. Для того чтобы настроить микроконтроллер применяется среда программирования Processing. Данный вариант отлично подходит не только для профессионала, но и также для пользователя, который еще не имеет навыков работы с подобными устройствами.
4. Всегда можно модернизировать систему. Благодаря специальному программному обеспечению и открытому коду, можно адаптировать охранную систему по собственным требованиям, но в таком случае нужно иметь некоторые навыки. Arduino отличается высокой надежностью, и даже наиболее старые модели соответствуют всем современным требованиям и обеспечивают надежную защиту. Что касается новых разработок, то тут имеется обширный перечень функций и гарантирует полная безопасность.

Проект

Ультразвуковой датчик HC-SR04 мы уже использовали во многих проектах и он же используется здесь для распознавания присутствия любого человека за дверью.

Модуль датчика включает в себя ультразвуковой передатчик, приемник, а также схему управления. Он включает в себя два «круглых глаза», один из которых используется для передачи ультразвуковой волны, а другой — для ее приема.

Мы можем оценить расстояние до объекта, зависящее от времени, затрачиваемого ультразвуковыми волнами, чтобы вернуться обратно к датчику. Это делается с помощью формулы:

Расстояние = (Время х Скорость звука) / 2

Каждый год, когда кто-либо попадает в зону действия ультразвукового датчика, микроконтроллер распознает расстояние от объекта до датчика и, если объект находится в пределах определенного диапазона, он посылает сигнал высокого уровня зуммеру, а зуммер начинает издавать звуковые сигналы.

Мы можем проверить всю цепь, просто поместив что-нибудь перед датчиком в пределах определенного диапазона

Перейдем к схеме соединения нашего устройства.

Типовые схемы

Рассмотрим примеры подключения указанных модулей к контроллерам Arduino.

Принцип дальнейших действий во всех случаях общий: GPRS модуль сопрягается с материнской платой главного контроллера. Для правильного выполнения подключения следует изучить инструкцию к используемой модели Arduino, выяснить распиновку на ней и на компоненте сотовой связи. Далее на собранную систему заводится питание. Когда устройство включено, его переходником USB-UART подключают к ПК и создают программу в среде Arduino IDE или другом удобном пакете ПО разработчика.

Рассмотрим несколько примеров сборки аппаратной части.

Arduino Uno и контроллер SIM800L

Поскольку напряжение SIM800L невелико, понадобится преобразователь.

Изучим распиновку устройства:

Последовательность действий:

• подключаем плату UТO к компьютеру;
• к ней подводится питание 12 В через конвертер;
• минус источника выводится на контакт GND Ардуино, а GND — на контакт минуса конвертера;
• плюс ИП идет к плюсу преобразователя;
• плюс конвертера — к плюсу блока GSM;
• минус с «земли» преобразователя на GND сотового блока;
• RXT и TXD блока на 2, 3 пины микроконтроллера UNO соответственно.

К цифровым выводам можно подключать и другие устройства, объединяя, при необходимости, несколько дополнительных модулей и плат.

UNO и A6

Здесь напряжение питания стандартное, и конвертер в схему не включается. Платы соединяются напрямую.

Общая схема распиновки:

Принцип соединения контактов:

• UART_RXD выводится на TX 1 UNO;
• UART_TXD — на RX 0;
• GND соединяется с GND на GSM-блоке;
• пин электропитания VCC0 c кнопкой включения PWR-KEY.

Шилд GSM SIM900 и контроллер Arduino Mega

Пиковая сила тока при активации устройства может достигать 2 А, в связи с чем напрямую питание подключать нежелательно. Перед соединением плат нужно поставить SIM-карту в предназначенный для нее слот и установить TX и RX джамперы:

Последовательность дальнейших действий:

• желтый провод (TX) объединяется с TX Arduino;
• зеленым соединяются контакты RX;
• GND выводится на «землю» микроконтроллера.

Проверить собранный гаджет можно следующим экспериментом:

• соединить GND и RESET главного микроконтроллера;
• вставить в разъем сим-карту;
• подать питание на модуль GSM;
• подключить центральную плату Arduino к ПК через порт USB, нажать кнопку ON;
• Если все собрано верно, красный светодиод загорится, а зеленый станет мигать.

Как работает дымовая сигнализация?

Датчик дыма MQ-2 имеет выход в форме аналогового сигнала. Мы установили в нашем коде условие, при котором, если выходное значение датчика больше 400 зуммер начнет подавать звуковой сигнал и загорится красный светодиод; и если выходное значение датчика меньше 400, то зуммер будет молчать, а загорится зеленый светодиод.

Используемый здесь ESP8266 создаст веб-страницу по IP-адресу и отправит данные на этотадрес и выведет там данные. После загрузки кода этот IP-адрес можно увидеть на последовательном мониторе, как показано ниже.

Когда вы вводите этот IP-адрес в своем браузере, то увидите страницу как на рисунке ниже: