[模組] 4G 通訊模組的應用

實際應用

        在一個監控系統之中，網路通訊往往是最基礎的建置，如果已經布建了有線網路，自然省了網路通訊的工事。不過，有些監控環境幅員廣大，並不適合布建有線網路，因為採用 4G 通訊模組較為方便，如下圖一所示。

        在圖中的左邊是監控的場域，圖中的右邊是監控中心，配置有資料庫系統。在偏闢的場域，安裝各種感測器，並將收集到的資料回傳監控中心的資料庫，這時整合一個 4G 通訊模組彼拉有線網路更為有效率。因此，我們研究目前市面的 4G 模組，並進行測試。購買模組時，要留意 4G 支援的頻道，有些模組支援的頻道數不夠多，未來使用時可能會遇上通訊不通，而我們實驗的模組是 4G - EC20 (Quectel)。

圖一：4G 通訊模組應用在監測環境

模組類型

        目前我們使用的 4G 模組有兩種，可以依據本身的需求選用適合的模組，一種是用來整合嵌入式系統的模組，一種是獨立運行的模組。說明如下：

        1) UART 介面為控制的模組：這種 4G 模組可以用來與其他模組整合在一起，MCU 藉由 UART 介面與 4G 模組連接，指令與資料傳輸都透過這介面通訊，MCU 組成一個系統並負責整合每個模組的運作。如下圖二所示，這種模組比較容易吸引 maker 的使用。

        2) 路由器的模組：這種 4G 模組已經可以直接單獨使用，本身有乙太網路端口，如下圖三所示。運行這模組之前，我們需要先配置這 4G 路由器，類似配置 IP 分享器一樣。

圖二：以 UART 介面控制的 4G 模組

圖三：4G 模組路由器

UART 介面控制

        4G 模組的控制指令都是靠 UART 介面做通訊媒介，而網路封包的資料也是透過 UART 介面傳送的，UART 通訊配置為 115200 bps, 8-N-1 的格式，看的出來這只適用於低流量的通訊應用。接著來了解一下如何使用模組，控制模組的指令是以 AT 方式處理，簡單區分下列的 AT 指令：

        1) 控制指令：這些指令包含一些設定配置，或者各種查詢的指令。比如：ATI 查詢模組型號，ATE0 關閉指令的 echo 回應，AT+CSQ 查詢訊號強度...等等。更多的指令可以參考模組的文件。

        2) 電話簡訊指令：這模組也能傳送簡訊，適合應用在行動電話的告警，當監測到危急的數據時，可發出簡訊通知。指令有 AT+CMGF=1 用來設定訊息的格式，發送指令 AT+CMGS="number" 簡訊內容。

        3) 網路傳輸指令：這是讓我們從 UART 介面發送 TCP/UDP 封包路由到 4G 網路上，相關的指令有 AT+QIOPEN= .... 開啟一個 socket，AT+QICLOSE= ... 關閉一個 socket，AT+QISTATE 查詢目前 socket 狀態。

        在 UART 介面上，資料的傳送又分成三種：透傳模式、暫存模式、push 模式。當進入透傳模式時，UART 介面就變成一個資料傳送接收的媒介，此時無法處理任何指令，必須輸入特殊的 pattern 才能退出透傳模式。暫存模式就是類似 socket buffer 的使用，任何傳送或接收封包都要使用 AT 指令來存取 buffer。Push 模式也很像暫存模式的使用。