Как выбрать сотовый модем для трекера на батарее

Трекер на батарее почти всю жизнь спит. Он просыпается, находит позицию, отправляет несколько байт и снова засыпает. Модем определяет, во сколько обходится каждое пробуждение, и регистрируется ли вообще SIM-карта, которую вы кладёте в коробку.

Мы делали два семейства GPS-трекеров: трекер птиц и животных GAT и автомобильный трекер Micare. С 2019 по 2024 год мы испытали в них разные связки модема и GPS. Здесь мы описываем, что сравнивали, что записано в наших задачах про каждое решение и где данных мало. Цифру приводим, только если наш трекер задач её фиксирует.

Задача: докладывать редко, работать годами

У обоих трекеров один профиль. Они сообщают позицию с большими интервалами, шлют тревогу, когда акселерометр фиксирует движение, и не должны требовать зарядки. Поэтому вопросы к модулю меняются:

• Время поиска вышки важнее пикового тока.
• Потребление во сне и в выключенном состоянии важнее скорости передачи.
• Сообщения маленькие, поэтому полноценный тариф на данные только добавляет расходы.
• GPS и сотовый модуль делят одну небольшую плату и одну батарею, поэтому мешают друг другу.

Что мы проверяли

Поколение 2G: SIM868, SIM808, A9G

В конце 2019 года мы начали с SIM868 и одной цели: получить GPS-фикс и отправить координаты по USSD в Emnify. Затем взяли SIM808. Задача на собственную логику для SIM808 закрыта с записью «решение не найдено».

A9G выделялся собственным C SDK: прошивка работает прямо на модуле. Мы потратили время на SDK, прошивку через TTL-конвертер и ошибки поиска GPS. README репозитория показывает цену: инструментарий в основном под Windows, самый свежий SDK 2019 года (старые версии нестабильны) и компилятор, который не ставится на Ubuntu. Вердикта по A9G в задачах нет, но такая цепочка сборки потребует поддержки на годы.

STM32 + SIM800 + L80-R

Следующая плата получила отдельный микроконтроллер, модем SIM800, GPS-модуль L80-R с внешней антенной и акселерометр ADXL345. Первый сюрприз описан ниже.

SIM7020C и SIM7080G

В 2023 году мы перевели прототип Micare с SIM800C на SIM7020C и поставили цель сравнить энергопотребление в режиме MQTT. Параллельно искали LTE-модули подходящего размера и составили шорт-лист: SIM7080G, SIM7000G и A7670. Образцы SIM7080G и SIM7020C приехали из Германии. В январе 2024 года задача заменила SIM800C на SIM7080G.

Таблица решений

Модем	Что проверяли	Вердикт
SIM868	Координаты GPS по USSD в Emnify	Задача закрыта; цель: рабочий стенд
SIM808	GPS и своя логика; позже полная плата	Задача про свою логику закрыта без решения
A9G	SDK на модуле, прошивка, ошибки поиска GPS	Дальше не пошли; цепочка сборки тяжёлая
SIM800 + L80-R	Плата с внешним GPS-модулем, USSD и MQTT	Основа 2G-версии
SIM7020C	Потребление в режиме MQTT против SIM800C	Собрали прототип; числа в задачах нет
SIM7080G	Регистрация LTE-M и NB-IoT, MQTT, встроенный GNSS	Выбран для 4G-платы

Что нас удивило

Стабилизатор напряжения ослепил GPS-антенну. STM32 требует 3,3 В, а остальные компоненты питались от батареи напрямую. Стабилизатор решил питание и добавил помехи, которые заглушили GPS-приёмник. Задача про эффективность GPS требовала изменить компоновку платы, чтобы компоненты не наводили помехи на антенну. Вторая задача предлагала Atmega328p: она работает от батареи без стабилизатора.

Новый модем не принял нашу SIM. SIM7080G зарегистрировался в роуминге с SIM 1NCE, которую прислал клиент. С SIM Emnify он не регистрировался, местная SIM тоже не заработала у трёх российских операторов. Та же SIM Emnify регистрировалась в телефоне. Старый SIM800 работал и с обычной местной SIM, и с Emnify и отправлял данные по MQTT. Смена модема меняет контракт на связь вместе с платой.

GPS-модуль потреблял больше в выключенном состоянии. На плате Micare вывод резервного питания у L80 потреблял 7 мкА. LC86G, который его заменил, потреблял на этом выводе 13 мкА и требовал отдельный стабилизатор. По документации выключенный стабилизатор должен потреблять не больше 1,5 мкА. Мы измерили около 7 мкА и завели задачу, чтобы понять причину.

Сотовые вышки дали плохие координаты. Для LBS мы разбирали отчёт модема о вышках (AT-команда CENG=3,1) и отправляли его в геолокацию Google. Все вышки принадлежали одному оператору, одна-две стояли рядом, остальные далеко. Сервис определил положение только по первой вышке. В задаче предложена команда CNETSCAN=1. LBS ушёл на прод в мае 2024 года и отображается только в веб-панели.

Приёмы, которые сокращают время работы модема

• GSM спит, пока GPS ищет фикс. Подключились, отправили тревоги, усыпили модем, дождались GPS, разбудили модем и отправили всё сразу. Задача называет поиск вышек и инициализацию GSM самой затратной по энергии операцией.
• USSD как канал данных. В GAT мы отправляли позиции через USSD-шлюз Emnify и разбирали их на сервере. Одна задача сравнивала время отправки по USSD с 3G и MQTT, результата в ней нет.
• Ограниченный поиск GPS. Прошивка Micare делает три попытки фикса. Если два фикса подряд не удались на статусном сообщении, устройство прекращает поиск и шлёт только статус.
• RTC против watchdog. Мы сравнили сон с watchdog и будильник RTC по документации и по замерам на устройстве.

Чек-лист перед выбором модема

1. Принесите на стол свою SIM и своего оператора. У нас регистрация не прошла, хотя в телефоне SIM работала.
2. Измеряйте выключенное и спящее состояние каждого модуля, включая GPS, и только затем ток в работе.
3. Разнесите стабилизатор и GPS-антенну и проверяйте время фикса после каждого изменения платы.
4. Решите, что устройство делает, если GPS не поймал фикс: лимит попыток, LBS или только статус.
5. Выберите самый компактный формат сообщения, который разберёт сервер, и проверьте, нужен ли вообще тариф на данные.
6. Проверьте, переживёт ли ваша цепочка сборки смену команды.

Чего мы не измеряли

В задачах нет ресурса батареи в поле ни для одной связки. Плата 4G оставалась в доработке, когда закрылась последняя задача, поэтому результат по ней мы не заявляем. Если вы делаете похожее устройство, проведите перечисленные проверки на своём железе.

Мы делаем прошивки, платы и облако для таких устройств. Смотрите разработку IoT-продуктов, трекер птиц GAT и GPS-трекер Micare. Чтобы обсудить ваш трекер, напишите нам.

Часто задаваемые вопросы

Какой модем лучше для GPS-трекера на батарее?

Лучшего по всем параметрам нет. 2G-модуль вроде SIM800C регистрируется почти с любой SIM-картой и управляется простыми AT-командами. LTE-M и NB-IoT модуль вроде SIM7080G рассчитан на новые сети, но в наших тестах отказался работать с SIM, которую принял 2G-модуль. Проверьте свою SIM и оператора на столе до заказа плат.

Зачем модему цикл сна в GPS-трекере?

Поиск вышек и регистрация в сети потребляют больше всего энергии. Мы будим модем, когда есть что отправить, и держим его спящим, пока GPS ждёт фикс.

Можно ли передавать данные без интернет-соединения?

Можно. В трекере птиц GAT мы использовали USSD через шлюз Emnify как дешёвый канал данных. Сервер разбирает USSD-строку в координаты. Ограничение: полезная нагрузка крошечная.

Что такое LBS и когда его применять?

LBS определяет место по сотовым вышкам. Модем сообщает, какие вышки он видит, и сервер оценивает позицию. Мы используем LBS как запасной вариант, когда GPS не поймал фикс. Точность низкая и зависит от того, какие вышки вернул модем.

Влияет ли GPS-модуль на разряд батареи?

Влияет, даже когда выключен. На плате Micare вывод резервного питания LC86G потребляет больше, чем у L80, который он заменил, а самому модулю нужен отдельный стабилизатор, и тот утекал в выключенном состоянии.