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beelogger-Solar – GSM-Shield (SIM800L)

beelogger Solar GSM ShieldGSM steht für ‘Global System for Mobile Communications’ und ist der erste Standard der zweiten Generation (‘2G’) für digitale Moblfunknetze, welche in Deutschland die technische Grundlage für D- und E-Netze bildet. 

Um mit dem beelogger-Solar das GSM-Netz zu nutzen und die Messwerte praktisch unabhängig von der kabelgebundenen Infrastruktur an den Webserver zu senden, ist ein entsprechendes Modul notwendig. Um dieses während der Schlafphase des beelogger komplett von der Stromversorgung zu trennen, kommt zusätzlich eine kleine Schaltung zum Einsatz. Aufgebaut auf einer Platine, kann das GSM-Shield auf die Buchsenleisten des beelogger-Solar aufgesteckt werden. 

 

GSM-Modul SIM800L

Für den beelogger-Solar kommt ein GSM-Modul mit SIM800L-Chip zum Einsatz, welches Sprachanrufe, SMS und Internetbetrieb unterstützt. Das SIM800L-Modul benötigt eine Spannung von 3,7V – 4,2V und ist damit ideal für den Betrieb mit einem Li-Ion-Akku geeignet. Über eine serielle Schnittstelle kann mit dem Modul über AT-Befehle kommuniziert werden. Obwohl beim GSM-Modul in vielen Verkaufsbeschreibungen angegeben ist, dass dieses mit einem Logikpegel von 3,3V und 5V kompatibel ist, fehlen in der Regel die entsprechenden Widerstände, die für eine maximale Spannung von 2,8V am SIM800L notwendig sind. 

Bei Kauf des Moduls sollte darauf geachtet werden, dass eine externe Antenne mit Anschluss an die MCX-Buchse mitgleliefert wird. Diese verbessert die Sende-Empfangsleistung und ist der Federdraht-Antenne vorzuziehen. Sollte dennoch eine Federdraht-Antenne gewählt werden, ist diese direkt an ‘NET’ des Moduls anzulöten.

Achtung! Der Chip wird auf verschiedenen Modulen eingesetzt, die sich alle recht ähnlich sind, nicht aber die gleichen Eigenschaften haben müssen. So kann beispielsweise durch integrierte Spannungsregler die notwendige Versorgungsspannung abweichen.  

SIM-Karte

Für die Verbindung ins Mobilfunknetz ist eine aktive SIM-Karte (MicroSim) notwendig. Aus Sicherheitsgründen ist eine Prepaid-Karte zu empfehlen, da die Karte nicht mit einem Pin-Code genutzt werden kann. Sollte die SIM-Karte einen Pin-Code besitzten, muss dieser über ein Handy zuvor gelöscht werden. Der Provider muss das GSM-Daten-Netz unterstützen, was in der Regel bei jedem Anbieter der Fall ist. Eine kostengünstige Möglichkeit bietet eine Internet-Flatrate auf Volumenbasis. Das Volumen spielt praktisch keine Rolle, wenn auch nach dem Verbrauch des Volumens, weiterhin das Internet mit gedrosselter Geschwindigkeit genutzt werden kann.

Über diverse Portale im Internet können die aktuell günstigsten Tarife schnell ermittelt werden. Berücksicht werden sollte neben dem Preis auf jeden Fall auch die Netzabdeckung im gewünschten Einsatzgebiet. 

Es ist darauf zu achten, dass die SIM-Karte richtig herum in das Modul geschoben wird. Hierzu muss die SIM-Karte mit dem Chip in Richtung Platine und die abgeflachte Seite nach außen zeigen. Die Karte muss soweit eingeschoben werden, bis sie einrastet.

beelogger Solar SIM800L SIM Karte

Bezug:

Bild Bezugsquelle Preis ab Suchbegriffe*  Bemerkungen
 beelogger Solar SIM800L eBay 4,80€ SIM800L SIM800L inkl. externe Antenne, Versorgungsspannung 3,7-4,2V
SIM – Karte diverse     siehe Text oben

 

 

GSM-Shield Aufbau

Das GSM-Shield auf Basis einer Lochrasterplatine besteht im wesentlichen aus der Pegelanschaltung für die RX/TX-Signale zwischen SIM800 und ATMega sowie der schaltbaren Stromversorgung.
Damit das SIM800L-Modul den Akku während der Schlafphase nicht belastet, wird dieses über einen P-Kanal-MOSFET vom Strom getrennt. Optimale Stromeinsparung wird durch einen zusätzlich vorgeschalteten Transistor erreicht.

Für eine stabile Funktion kann jedoch nicht ein beliebiger MOSFET verwendet werden. Da die Nennspanung des LiIon-Akkus 3,7V beträgt und das SIM800L-Modul eine minimale Spannung von 3,7V für einen stabilen Betrieb benötigt, sollte der Innenwiderstand des MOSFET im durchgeschalteten Zustand (RDSon) möglichst gering sein, um die Spannungsverluste minimal zu halten. Zudem sollte die notwendige Steuerspannung (UGSth) möglichst gering sein, um auch im Akkubetrieb bei 3,7V komplett durchzuschalten. Auf der Suche nach einem MOSFET mit entsprechenden Eigenschalten stellt man schnell fest, dass die Auswahl für einen P-Kanal-MOSFET im TO-220 Gehäuse nicht besonders groß ist und sich die Preise hierfür auch auf recht hohem Niveau befinden. MOSFET mit diesem Gehäuse sind in der Regel für höhere Spannung und größere Leistung ausgelegt. Optimale Werte zu einem angemessenen Preis erhält man praktisch nur in SMD-Bauformen. Daher wird für das GSM-Shield ein P-Kanal-MOSFET in SO-8 Bauform genutzt, welcher mit ein wenig Geschick auch direkt auf eine Lochrasterplatine im 2,54mm Rastermaß gelötet werden kann. Eine Adapter-Platine für das Rastermaß 2,54 mm erleichtert jedoch den sauberen Aufbau.

 

Bezug

Bild Bezugsquelle Preis ab Suchbegriffe*  Bemerkungen
 beelogger Solar Shield Platine eBay 6,00€
(5 Stück)
Lochrasterplatine 5×7 doppelseitig Lochrasterplatine 5×7, Lötpads auf beiden Seiten
Stiftleisten eBay, reichelt 1,00€ Pin Header Male,
RM 2,54mm, Höhe 8,5mm
vergoldet

4 Reihen je 16 Stück

2×16 polig 2 Stück

Buchsenleisten eBay, reichelt 1,00€ Pin Header Female,
RM 2,54mm, Höhe 8,5mm
vergoldet

4 Reihen je 16 Stück

2×16 polig 2 Stück

  eBay 1,00€
(10 Stück)
adapter SO-8 optionale Adapterplatine für den MOSFET auf 2,54 mm Rastermaß

*Einkaufstipps

Werden die Bauteile für die Hauptplatine des beelogger-Solar, wie bereits unter ‘beelogger-Solar – Bauteile & Bezug‘ beschrieben, über Mouser bezogen, könnten einige Bauteile für das GSM-Shield gleich mitbestellt werden. Hierfür ist eine Teilenummer (Bestellnummer) von Mouser angegeben, die optional für eine einfache Bestellung der Bauteile verwendet werden kann. 

Bauteil Spezifikation Mouser-Teilenummer Anzahl pro Platine
IRF7425PBF / IRF7425TRPBF bei Ugs = 2,5V:
RDSon < 20mOhm und IDS >10A

942-IRF7425TRPBF
942-IRF7425PBF

alternativ reichelt-elektronik

1
BC547C   512-BC547CBU 1
Widerstand 4,7k (R5, R7) Widerstand, 4,7k, Axial, max. 5%, min. 100mW 71-CCF07-J-4.7K-E3 2
Widerstand 220 (R4) Widerstand, 220, Axial, max. 5%, min. 100mW 71-CCF07220RJKE36
Widerstand 2,7k (R1) Widerstand, 2,7k, Axial, max. 5%, min. 100mW 71-CCF072K70GKE36
Widerstand 1k    (R2,R3) Widerstand, 1k, Axial, max. 5%, min. 100mW 71-CCF071K00GKE36 2
Widerstand 5,6k (R6) Widerstand, 5,6k, Axial, max. 5%, min. 100mW 71-CCF075K60GKE36 1
Kondensator 1000uF (C1),
optional
1000uF Electrolytic Capacitor low esr 105°C, radial, 6,3-16V,
Rastermaß 5mm

667-EEU-FR0J102B,
667-EEU-FR1C102B,
667-EEU-FR1C102

1

 

Beschaltung und Aufbau

Versorgt wird das SIM800L-Modul über Pin ‘D’ des MOSFET. Den GND-Anschluss vom Modul ist zu Bat- verbinden. Hierbei ist die Batterie (Bat+) direkt mit Pin ‘S’ des Mosfet zu verbinden. Zur Schaltung des MOSFET über Pin ‘G’ wird ein NPN-Transistor verwendet. Dieser ist notwendig, um den Stromverbrauch im Sleep-Mode von rund 40uA auf die bekannten minimalen 8uA des beelogger-Solar zu senken. Der Transistor selbst wird über Pin A2 des Arduino angesteuert. Für einen optimalen Betrieb ist bei der Beschaltung des MOSFET darauf zu achten, dass alle gleichen Pins des MOSFET miteinander verbunden sind (wie in der Grafik). Hierzu kann einfach nur mit Lötzinn oder zusätzlich auch mit einem Kupferkabel gearbeitet werden.

SIM800L beelogger-Solar
VCC D an MOSFET (Steuerung des MOSFET über Transistor an A2)
RXD D9 (siehe Schaltung)
TXD

D8, (bisheriger Aufbau D10)
Konfiguration muss im Sketch bzw. beelogger_config.h angepasst werden

GND Bat –

beelogger Solar GSM Schaltung

Obwohl beim GSM-Modul in vielen Verkaufsbeschreibungen angegeben ist, dass dieses mit einem Logikpegel von 3,3V und 5V kompatibel ist, fehlen in der Regel die entsprechenden Widerstände, die für eine maximale Spannung von 2,8V am SIM800L notwendig sind. Vermutlich ist die Gefahr einer Schädigung des Moduls aufgrund der geringen und nur kurz andauernden Überspannung gering, auszuschließen ist diese jedoch nicht.
Darum wird folgende Beschaltung empfohlen:
Hier dargestellt der Aufbau mit SIM800 TX an D8 (alte Konfiguration: TX an D10).

beelogger Solar GSM RXTX

Lochrasterplatine

Für den einfachen Aufbau des GSM-Shields für den beelogger-Solar ist eine Lochrasterplatine mit einem Rastermaß von 2,54 mm erforderlich. Um das Shield mit den inneren Buchsenleisten des beelogger-Solar verbinden zu können, sind mindestens 22 Löcher pro Reihe notwendig. Hierfür kann eine Standard-Lochrasterplatine entsprechend zugeschnitten werden. Um ein wenig Arbeit zu sparen, können auch bereits passende Platinen in unterschiedlichen Ausführungen und Qualitäten erworben werden. Für unsere Dokumentation verwenden wir eine doppelseitige Lochrasterplatinen mit den Abmessungen 5 cm x 7 cm. 

beelogger Ulrich Lohfeld hat uns netterweise eine Skizze zum Lochrasterplatinenlayout erstellt:

Lochrasterplatine, Draufsicht mit Plazierung der Bauelemente und Drahtverbindungen Lochrasterplatine, Ansicht von unten mit Drahtverbindungen

Platinenoberseite: Draufsicht,                                 Platinenunterseite: Dartstellung in der “Durchsicht” von oben.

Hier dargestellt der neue Aufbau mit SIM800 TX an D8 (alte Konfiguration: TX an D10).
Um die Platine als Shield mit dem beelogger-Solar zu verbinden, werden Pin- oder Buchsenleisten eingesetzt. Für eine optimale Verbindung mit der Buchsenleiste sollte die Ausführung mit langen Pins verwendet werden.

 

SIM800 Modul, Darstellung mit hervorgehobenem Antennenlötanschluss

Wichtig: Bei der Bestückung des SIM800L-Moduls mit Pinleisten, ist darauf zu achten, dass der Anschluss für die Antenne, hier gelb markiert, ausgespart wird. Ein eingelöteter Pin kann die Sende-Empfangsqualität negativ beeinflussen.

 

Um ohne Probleme trotz aufgestecktem GSM-Shield den FTDI-Adapter verbinden zu können, sollten die Buchsen für ‘Reset’ und ‘D2’ (‘Taster’) des beelogger-Solar nicht durch das Shield belegt werden. Hierdurch bleibt der FTDI-Header zugänglich und wird nicht von der Lochrasterplatine verdeckt.

beelogger Solar GSM Pinleiste

Vor dem Verlöten der Pinleisten ist bei der Ausrichtung der Lochrasterplatine darauf zu achten, dass die Schraubklemmen möglichst auf beiden Seiten zugänglich bleiben. Dies erleichtert die Arbeiten am beelogger-Solar.

Auf einer doppelseitigen Platine können die Verbindungen sehr schnell mit Kupferdraht vorgenommen werden. Wichtig dabei ist, dass die Leitungen mit zusätzlichen Lötpunkten fixiert werden, damit es zu keinem Kurzschluss kommen kann. Auf dem Bild gut erkennbar ist auch, dass alle gleichen Pins des MOSFET miteinander verbunden sind.

beelogger Solar GSM Zoom 

Beim Aufstecken des LTE-Shields ist darauf zu achten, dass die Pins in die korrekten Buchsen gesteckt werden.
Um Fehler durch falsches Aufstecken zu vermeiden, kann auf einfache Weise eine mechanische Kodierung erfolgen. Dazu den Stfit für D4 der Stiftleiste mit einem Seitenschneider abkneifen. Das abgekniffene Stiftstück in die Buchsenleiste D4 stecken.

 

beelogger Solar GSM Seitenansicht

Der beelogger-Solar mit dem fertig aufgebauten GSM-Shield wird mit dem  Test-Programmcode überprüft.

beelogger Solar GSM Test