【Maker電子學】3G 通訊模組簡介與 IoT 應用

作者:Bird

要讓物聯網產品連上 Internet 有許多技術可供選擇:短距離的如藍牙、Wi-Fi 等透過其它 gateway 連上網路,長距離的如 LoRa、NB-IoT 等專為物聯網產品設計的無線廣域網路(WAN) 技術。但使用以上技術都需要環境的配合:LoRa 需要有配合的 LoRaWAN 服務,NB-IoT 則需要有支援 NB-IoT 的電信服務供應商。

在無法取得以上這些服務的情況下,直接使用現有的 3G 或 4G 行動電話網路也許是比較簡單的選擇。這次我們就要來聊聊讓物聯網產品可以簡單應用的 3G 通訊模組。

SIM5320 3G 通訊模組

SIMCom 是一家來自上海的公司,他們做了很多各式各樣的無線通訊模塊,而我們感興趣的是他們的 2G/3G/4G 通訊模組。筆者曾經在幾年前用他們的 SIM800C GSM/GPRRS 通訊模組設計過簡單的物聯網產品,但很可惜的是台灣的 GSM 網路已經在 2017 年中關閉,頻譜也已經回收,在台灣已經無法使用 GSM/GPRS 的通訊模組。因此,我們這次要來介紹使用 WCDMA 技術的 3G 通訊模組。

SIM5320 是一顆 3G 通訊模組,可支援 384Kbps 的 WCDMA 和 3.6Mbps 的 HDSPA

SIM5320 是 SIMCom 的一顆很具代表性的 3G 通訊模組,它除了支援上下行最大各 384Kbps 的 WCDMA 通訊技術之外,也支援 3.6Mbps 的 HDSPA,但一般的 IoT 產品大概用不到 HDSPA 這麼大的頻寬。當然,它也向下相容支援 EDGE/GPRS/GSM 等 2G 時代的通訊技術,只可惜在台灣已經沒辦法使用了。

SIM5320 的外型是一個四邊長腳的小型 PCBA 模組,每邊 20 支腳,總共有 80 支腳。它的底面還有九個圓形的接點,但原廠文件上並沒有說明它們的用途,也沒有要求任何連接。

這 80 支接腳的功能非常多,除了 WCDMA 和 GPS 的天線之外(對,它有內建 GPS!)還有基本的 GPIO、UART、I2C 的常用的通訊介面。它也有構成一支完整手機所需要的麥克風、聽筒、喇叭等聲音介面,以及按鍵掃描、SPI LCD 驅動等介面。當然,還有最重要的 SIM 卡連接介面。

頻段

WCDMA 的技術在不同的國家或區域其實有不同的頻段,就像當年的 GSM 手機也有雙頻、三頻的問題一樣。SIM5320 不像全頻的 iPhone 那麼厲害可以一機走天下,它有幾個不同的型號:

台灣的四家 3G 業者都使用 2100MHz 的頻段,因此 SIM5320E 和 SIM5320J 都可以使用,但如果你設計的產品要在其它國家使用,就要確定一下目標網路所使用的頻段,購買天線時也要配合模組的頻段選擇。在 SIMCom 的網站上,只要註冊過後就能下載完整的 datasheet 和設計應用資料。

SIM5320 的整合度非常高,不需要什麼額外的複雜零件,只要加上電源、接上天線和 SIM 卡,它就可以開機連上 3G 網路。不過 SIM 卡的連接有點麻煩,我們得先去找個 SIM 卡的插座,再幫它和 SIM5320 洗一塊小板子接在一起,當然還有簡單的電源穩壓器(Regulator)等零件要處理。

這事說難不難,也是要花上一點時間。在真的動手做板子之前,有沒有更簡單的方法可以直接試試 SIM5320 的功能呢?當然有。

SIM5320開發板

事實上,在淘寶和很多電子零件供應網站上,都可以很輕易地買到 SIM5320 的評估板或開發板,而且價錢並不貴。

SIM5320 開發板

這是我從淘寶上買到的 SIM5320 開發板和天線,它已經把必要的周邊零件都做上去了。板子上有標準尺寸的 SIM 卡插座(在這個人人都用 nano SIM 的時代,全尺寸的 SIM 卡還真少見)、電源的穩壓器、開機用的按鍵、USB 插座、和一些測試接點。至於那個長得像網路孔的插座,其實是用來連接麥克風、聽筒的介面。

WCDMA 和 GSM 的天線也分別拉出來到兩個 SMA 插座上,可以直接連接適合的天線。在淘寶上也可以很容易買到附 SMA 接頭的 WCMDA 天線,接上去就可以做實驗了。至於 GPS 天線選擇就更多了,除了一般的陶瓷天線外,這張板子上有設計 GPS 天線用的電源,因此內建 LNA(低雜訊放大器)的主動式 GPS 天線也可以使用。

初試啼聲

我手上的這張開發板預留了一個 10-pin 的 2.54mm 腳距連接器,上面有電源和 UART 的訊號,因此只要焊上排針就可以輕易地供電和做測試。

在 SIM5320 開發板上插入 SIM 卡

由於我們等一下要透過 UART 介面控制 SIM5320,因此我找了一個 USB 轉 UART 的介面連接到這個 10-pin 的連接器上,同時也把 5V 的電源接上。SIM5320 的電源是軟體控制的 soft power 設計,光是給電它是不會開機的,還要在一支叫 PWRKEY 的接腳上給一個接地的訊號,它才會開機。

除了接電外,還需連接接地訊號,才能開機

這張開發板很貼心的幫我們做了一個電源開關在左上角。因此只要把 5V 接上,再按一下這個鍵,SIM5320 就會開機了。開機之後,板子上有一顆綠色的 LED 會亮起來,這顆 LED 是連接到 SIM5320 的 GPIO1,用來指示網路連線的狀況。當它持續亮著的時候,代表 SIM5320 在搜尋可以使用的行動通訊網路。

如果 SIM 卡有插,而且門號的帳單有繳、沒有被停話,天線也沒問題,應該不用 30 秒,這顆 LED 就會進入亮 0.8 秒、滅 0.8秒的緩慢閃爍模式,這時就代表 SIM5320 已經連接上行動通訊網路了。用手機這一行的術語來說,叫做它「camp」上網路了。這個動詞很有趣,它來自 GSM 時代 ETSI 的文件中。

連上網路之後,我們就可以試著透過 UART 來控制它了。

SIM5320 預設的 UART baudrate 是 115200bps,我們可以把 USB-UART 的介面插上電腦,開個如 TeraTerm 之類的 terminal 模擬程式,就可以看到 SIM5320 開機時的訊息,如下圖所示:

歷久彌新的 AT 指令

透過 UART 來控制 SIM5320 的通訊協定稱之為 AT command,它是一大堆以 AT 開頭的文字指令。

年紀稍長的讀者可能會對這些 AT 開頭的指令有些印象,對,沒錯,三十年前用數據機連接網路時,用來控制數據機撥號、掛斷的指令也是這些 AT command。

這些指令都定義在 ITU-T 的 V.25ter 文件中。經過這麼多年,撥號仍然使用 ATD,掛電話仍然用 ATH,有人打電話進來時會顯示 RING,而連線中斷時會現示 NO CARRIER,一點都沒有變。比如說,我要叫 SIM5320 撥號給 0988123456 這個號碼,就可以在 terminal 中鍵入:ATDT0988123456

這時 SIM5320 就會開始打電話,如果網路沒有問題,對方就會接到來電的響鈴。當然如果對方接起來要通話,SIM5320 這邊還要連接聽筒和麥克風等裝置。我們還可以用 AT+CPSI?這個指令查詢目前網路的連線狀況:

看起來目前它以 WCDMA 模式連上了網路,而且網路是中華電信。那個 466-92 就是中華電信的網路代碼。466 叫做 MCC(mobile country code),是行動電話網路的國家代碼,台灣就是 466。92 叫做 MNC(mobile network code),是行動電話網路的網路代碼,中華電信是 92,台灣大哥大是 97,遠傳是 01… 等。

至於後面那些看起來很複雜的數字,其實是跟目前連接上的基地台有關的訊息,如基地台的位置編號、所使用的頻道編號、訊號強度等跟無線電訊號有關的參數,在這邊就不多做說明。

SIM5320 的 AT command 相當多也相當複雜,整份 AT command 的說明文件厚達 400 多頁。但其實對於我把跟建立 TCP/IP 網路連線所需要用到的 AT command 列出來如下:

  1. AT+CGATT – 啟用或解除 packet domain 資料服務
  2. AT+CGSOCKCONT – 設定 socket PDP 屬性,主要是用來設定 APN
  3. AT+CSOCKSETPN – 選擇作用中的 PDP
  4. AT+NETOPEN – 開啟網路連線
  5. AT+IPADDR – 取得 IP address
  6. AT+CIPOPEN – 建立 IP 連線
  7. AT+CIPSEND – 傳送資料
  8. AT+CIPCLOSE – 關閉 IP 連線
  9. AT+NETCLOSE 關閉網路連線

小結

事實上像 SIM5320 這樣的 3G 模組,裡面是完整的 3G 手機晶片組,因此它本身也有執行使用者程式的能力,但由於 SIMCom 並沒有開放這樣的開發方式,所以目前使用這種模組的方式還是以透過 UART 下 AT 指令為主。有興趣的讀者可以在 SIMCom 的網站上下載到整份的 AT command 說明文件,再去買塊開發板,就可以很快地上手試試這些功能,幫你的 maker 專案加上很多樂趣。

(責任編輯:葉于甄)

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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1 Comment

  1. 咦?那以前的LinkIt One也能插SIM,這也一樣就是了?

    啊這塊耗電量如何?

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