Guida completa modulo GSM SIM800L

Introduzione

Confessiamo che non è la prima volta che progettiamo un dispositivo che integra questo modulo di comunicazione GSM. Tuttavia, in passato, ci siamo sempre arenati senza riuscire a farlo funzionare.

Stavolta abbiamo passato molte ore a studiare e a fare prove, fino a quando non abbiamo finalmente ottenuto il risultato sperato. Dalla lettura dei forum abbiamo notato che non poche persone hanno avuto i nostri stessi problemi. Ecco perché abbiamo deciso di raccogliere tutto quello che abbiamo imparato in questa guida.

Speriamo che aiuti molti maker appassionati di elettronica a risolvere gli stessi problemi e a realizzare i loro progetti.

Cosa fa il modulo SIM800L

Prima di entrare nel dettaglio hardware, riassumiamo cosa permette di fare concretamente questo modulo, così da capire dove si colloca nel vostro progetto:

• comunica in rete GSM/GPRS (chiamate voce, SMS, dati) tramite una normale SIM card;
• dialoga con un microcontrollore — in questo caso un Arduino UNO — via seriale, con un semplice set di comandi AT testuali;
• entra in una modalità a basso consumo (sleep) e ne esce su comando, utile nei progetti alimentati a batteria;
• segnala con un LED integrato lo stato della connessione alla rete, senza bisogno di leggere la seriale.

Nei paragrafi seguenti vediamo come cablarlo, alimentarlo correttamente — il punto dove ci si arena quasi sempre, noi compresi la prima volta — e come dialogarci via comandi AT.

L’hardware necessario

#	Componente	Specifiche	Qtà	Note	Link
1	Scheda di controllo	Arduino UNO R3 (o clone con interfaccia CH340)	1	Gestisce l’interfaccia con il PC e il dialogo seriale col modulo	Link Amazon Marketplace
2	Step-down DC-DC	Con integrato LM2596, uscita regolabile	1	Indispensabile per alimentare correttamente il SIM800L — vedi sezione “Alimentazione”	Link Amazon Marketplace
3	Modulo GSM	SIM800L	1		Link Amazon Marketplace
4	SIM card	Attiva, dati e/o SMS a seconda dell’uso	1	Verificatene il funzionamento in un telefono prima di montarla nel circuito	Link Amazon Marketplace
5	Resistenza	10 kΩ	1	Partitore di tensione per il livello logico del pin Rx
6	Resistenza	20 kΩ	1	Partitore di tensione per il livello logico del pin Rx (vedi nota sotto)
7	Basetta millefori	—	1	Usata per il modulo di alimentazione permanente	Link Amazon Marketplace
8	Cavetteria/jumper	—	q.b.

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Nota sui condensatori: nella foto della nostra scheda di alimentazione (più avanti) si vedono alcuni condensatori. Non sono collegati al circuito: sono un residuo del riutilizzo di una vecchia basetta e non sono necessari al funzionamento del modulo. Li lasciamo visibili in foto solo per trasparenza — potete ignorarli.

Nota sulla resistenza da 20 kΩ: in una versione precedente di questo articolo questo valore era riportato in due punti diversi (20 kΩ e 22 kΩ). Il valore corretto, coerente con lo schema di riferimento citato più avanti, è 20 kΩ.

Quanto consuma il modulo

Iniziamo con una tabella che riporta l’assorbimento (in mA e A) del modulo per ogni specifica modalità di funzionamento:

Modalità	Frequenza	Assorbimento
Power down		60 µA
Sleep mode		1 mA
Stand by		18 mA
Chiamata	GSM850	199 mA
Chiamata	EGSM900	216 mA
Chiamata	DCS1800	146 mA
Chiamata	PCS1900	131 mA
GPRS		453 mA
Burst di trasmissione		2 A

Tabella degli assorbimenti per modalità di funzionamento (fonte: datasheet SIM800L).

Alimentazione: il punto dove ci si arena quasi sempre

L’intervallo di tensione per l’alimentazione di questo modulo va dai 3,4V ai 4,4V circa. Nel nostro primo progetto con questo modulo (l’allarme GSM per batteria scarica) avevamo pensato di alimentarlo con un semplice partitore di tensione in uscita da un integrato LM7805.

Guardando la tabella dei consumi qui sopra, però, appare evidente che — contrariamente a quanto pensavamo, e a quanto avevamo letto in qualche articolo in rete — non è assolutamente possibile alimentare il modulo in questo modo. Tanto meno utilizzando direttamente la porta 5V di Arduino: nei picchi di trasmissione il modulo può assorbire fino a 2A, molto più di quanto la porta 5V di Arduino sia in grado di erogare.

In rete abbiamo visto alcuni “colleghi” che hanno utilizzato una batteria LiPo da 3,7V. Sarebbe stato effettivamente possibile, ma per un’applicazione permanentemente connessa avremmo dovuto sviluppare anche la gestione della carica della batteria, magari con un BMS dedicato per batterie LiPo.

Abbiamo preferito la soluzione dello step-down DC-DC, che si presta bene sia al banco prova che al progetto originario da cui nasce l’esigenza di questo modulo. Visto che torna utile spesso, ci siamo costruiti (su una basetta millefori) un mini modulo di alimentazione permanente, composto da un banale LM7805 — che, ricordiamo, è uno step-down DC-DC con uscita fissa a 5V — per alimentare qualunque scheda Arduino, e uno step-down DC-DC con uscita regolabile (nel nostro caso impostata a 4,2V) per il SIM800L.

In buona sostanza, è la realizzazione di questo schema, che abbiamo trovato in questo articolo: lastminuteengineers.com/sim800l-gsm-module-arduino-tutorial

Pin del modulo utilizzati in questo progetto

Non è il pinout completo del SIM800L — per quello fate riferimento al datasheet ufficiale, linkato più avanti — ma solo i pin che colleghiamo in questo specifico progetto:

Pin SIM800L	Collegato a	Funzione in questo progetto
VCC	Uscita dello step-down DC-DC (~3,8-4,2V)	Alimentazione — mai al 5V diretto di Arduino
GND	GND comune con Arduino e alimentatore	Massa
TX	Pin digitale D6 di Arduino (SIM_TX_PIN)	Trasmissione dati dal modulo verso Arduino
RX	Pin digitale D5 di Arduino (SIM_RX_PIN), tramite partitore 10 kΩ/20 kΩ	Ricezione dati da Arduino — richiede l’adattamento di livello logico 5V→3,3V
DTR	Pin digitale di Arduino, impostato HIGH	Controllo sleep/wake-up del modulo (vedi sezione dedicata)

Connessione seriale con Arduino

Una piccola nota sulla scheda Elegoo UNO R3, clone della Arduino UNO R3 originale: monta lo stesso integrato ATMEGA328P dell’originale, ma il convertitore USB-Seriale utilizza il chip CH340G, i cui driver non sono compresi nell’installazione standard dell’IDE Arduino. Vanno quindi installati separatamente — trovate istruzioni e link in questo articolo: makerslab.it/installare-i-driver-per-il-modulo-ftdi-ch340g-per-i-cloni-di-arduino

Livelli logici: perché serve un partitore di tensione

A questo punto apriamo un inciso sui livelli logici, che non sono gli stessi tra la scheda di controllo e il nostro modulo SIM800L.

Non possiamo collegare il pin Rx del modulo direttamente al pin digitale di Arduino, perché Arduino UNO lavora a livello logico 5V mentre il modulo SIM800L lavora a livello logico 3,3V.

Per abbassare il segnale da 5V a 3,3V usiamo il nostro (ormai caro e inseparabile) partitore di tensione: una resistenza da 10 kΩ tra il pin Rx di SIM800L e il pin digitale di Arduino, e una da 20 kΩ tra il pin Rx e GND di SIM800L. Esistono anche dei convertitori di livello logico 5V-3,3V dedicati, li trovate linkati nella sezione componenti.

Lo sketch per dialogare con il modulo

Prima di vedere come inviare un SMS o leggere lo stato del modulo, dobbiamo caricare uno sketch che ci permetta di colloquiare con il SIM800L e fare i nostri esperimenti.

Abbiamo utilizzato un semplice sketch che invia al modulo GSM quello che scriviamo sul monitor seriale, e visualizza sul monitor seriale quello che il modulo GSM invia alla scheda.

Configurazione e inizializzazione

//Includiamo la libreria per la comunicazione seriale tra l'Arduino e il SIM800L
#include "SoftwareSerial.h"

//Definiamo il pin dell'Arduino a cui è collegato il pin TX del Sim800L, in questo caso D6
#define SIM_TX_PIN 6
//Definiamo il pin dell'Arduino a cui è collegato il pin RX del Sim800L, in questo caso D5 (occhio al partitore!)
#define SIM_RX_PIN 5
//Definiamo una seriale software sui TX e RX del SIM800L
SoftwareSerial serialSIM800(SIM_TX_PIN, SIM_RX_PIN);

void setup() {
  //Inizializziamo la seriale tra Arduino e il PC
  Serial.begin(57600);
  //Inizializziamo la seriale virtuale lato SIM800L
  serialSIM800.begin(57600);
  delay(500);
}

(Corretto rispetto alla versione precedente: il commento sopra SIM_RX_PIN riportava ancora “pin TX” per un evidente copia-incolla.)

Loop di dialogo bidirezionale

void loop() {
  //Scrivi sulla seriale Arduino-PC quello che leggi dal pin TX del SIM800L
  if (serialSIM800.available()) {
    Serial.write(serialSIM800.read());
  }

  // TODO AUTORE: qui va il blocco simmetrico che inoltra al SIM800L quanto
  // digitato sul monitor seriale (nel PDF di origine era coperto dalla
  // barra di navigazione del sito). Presumibilmente:
  // if (Serial.available()) {
  //   serialSIM800.write(Serial.read());
  // }
}

Indicatori di funzionamento

Ora che lo abbiamo connesso e alimentato possiamo inserire la scheda SIM e verificare il LED di funzionamento:

• 1 lampeggio ogni 1 secondo: modulo attivo ma non ancora registrato sulla rete;
• 1 lampeggio ogni 3 secondi: modulo attivo e correttamente registrato sulla rete.

Per avere maggiori dettagli sul funzionamento dobbiamo inviare qualche comando AT e analizzare le risposte.

Comandi AT principali per verificare i collegamenti

Il manuale completo dei comandi è disponibile nella documentazione (linkata più avanti). Riportiamo qui solo i comandi principali, quelli che ci permettono di verificare che i collegamenti funzionino e che il modulo sia pronto all’uso.

AT — verifica del dialogo seriale

10:40:20.795 -> AT
10:40:20.796 -> OK

Primo comando da lanciare per verificare il dialogo tra Arduino e il SIM800L. Se non ricevete in risposta la stringa “OK”, c’è un problema nei collegamenti tra i pin RX e TX del SIM800L e i pin di Arduino.

AT+CSQ — qualità del segnale

10:40:25.735 -> AT+CSQ
10:40:35.980 -> +CSQ: 16,0

Serve per verificare la qualità del segnale. Il primo numero (16 nel nostro caso) dovrebbe trovarsi tra 2 e 30, che equivale a un segnale tra -110 e -54 dBm.

AT+CCID — lettura della SIM

10:40:35.983 -> AT+CCID
10:40:42.373 -> 8944502206206365147

È l’identificativo della SIM. Lo usiamo per verificare che il modulo legga correttamente i dati della SIM inserita.

AT+CREG — stato di registrazione alla rete

10:40:46.745 -> AT+CREG
10:40:50.949 -> +CREG: 0,5

Verifichiamo se il modulo si è correttamente registrato sulla rete. Nella nostra prova il secondo numero (5) indica “registrato in roaming”: con una SIM che opera come MVNO in appoggio a un altro operatore è un risultato normale. Se invece avete una SIM “diretta” dell’operatore e ottenete comunque 5 invece di 1 (registrato in rete domestica), vale la pena verificarlo con il vostro gestore.

AT+COPS? — operatore di rete

10:40:50.949 -> AT+COPS?
10:40:57.062 -> +COPS: 0,0,"Wind Telecom SpA"
10:40:57.065 ->
10:40:57.065 -> OK

Verifichiamo anche l’operatore a cui siamo connessi, ed effettivamente troviamo conferma di quanto sopra.

Sleep & wake-up

Abbiamo creato due funzioni dedicate, rispettivamente per mandare il modulo in sleep mode e per “svegliarlo”. Il prerequisito è sempre che il pin DTR del SIM800L sia connesso a un pin output di Arduino impostato al valore HIGH.

sim800sleepmode() — mandare il modulo in sleep

void sim800sleepmode(){
  serialSIM800.println("AT+CSCLK=2");
}

Per mandarlo in sleep mode è sufficiente un comando AT (AT+CSCLK=2) con pin DTR impostato ad HIGH. Il problema è che, una volta entrato in sleep mode, il modulo chiude le comunicazioni sulla seriale.

sim800wakeup() — risvegliare il modulo

void sim800wakeup(){
  digitalWrite(DTR_PIN, LOW);
  delay(200);
  digitalWrite(DTR_PIN, HIGH);
  serialSIM800.println("AT");
  serialSIM800.println("AT+CSCLK=0");
}

Per svegliarlo dalla modalità sleep è necessario portare il pin DTR al valore LOW (noi teniamo 200 millisecondi) e, a quel punto, inviare un comando AT qualsiasi. Solo dopo queste operazioni si può inviare il comando AT+CSCLK=0 per ripristinare la normale funzionalità, cioè disabilitare lo sleep controllato da DTR.

(Corretto rispetto alla versione precedente: il testo indicava AT+CSCLK=1, che non corrisponde al codice qui sopra.)

Inviare un SMS

Per inviare un SMS possiamo usare lo sketch di interfaccia seriale, scrivendo i comandi direttamente nel monitor seriale, oppure scrivere uno sketch dedicato che invia l’SMS in autonomia.

Abbiamo utilizzato la prima soluzione per i test. Una volta accertato che tutto funziona correttamente, inseriremo le righe di comando per l’invio del messaggio all’interno del programma di monitoraggio e allarme del livello di carica della batteria della moto, che vedremo in un articolo dedicato.

11:26:23.833 -> at+cmgf=1
11:26:30.783 -> OK
11:26:30.783 -> at+cmgs="+39xxxxxxxxxx"
11:26:46.372 -> > testo di prova
11:26:53.794 -> >
11:27:12.950 -> OK

Domande frequenti

I condensatori mostrati nelle foto sono necessari?

No. Nella foto della nostra scheda di alimentazione si vedono alcuni condensatori, residuo del riutilizzo di una vecchia basetta millefori: non sono collegati al circuito e non servono al funzionamento del modulo.

Il modulo funziona con qualsiasi SIM e operatore?

Nella nostra esperienza e in quella di diversi lettori nei commenti, i risultati variano a seconda della combinazione SIM/operatore/alimentazione. Il fattore che ha causato più problemi in assoluto resta l’alimentazione: senza una sorgente in grado di erogare un paio di ampere a circa 3,8V, il modulo non si registra sulla rete oppure risponde con caratteri incomprensibili sulla seriale.

Posso collegare il SIM800L direttamente a una scheda che lavora nativamente a 3,3V (es. NodeMCU/ESP), senza partitore di tensione?

Il partitore di tensione descritto in questo articolo serve solo ad adattare il livello logico da 5V (Arduino UNO) a 3,3V (SIM800L): con una scheda che lavora già a 3,3V non serve per quel motivo. Questo però non basta a garantire il funzionamento — come sopra, il problema più comune resta l’alimentazione del modulo, non il livello logico.

Posso alimentare il modulo con una batteria LiPo da 3,7V invece dello step-down?

Sì, è una soluzione che abbiamo visto usare da altri maker. Per un dispositivo permanentemente connesso, però, va messa in conto anche la gestione della carica della batteria (ad esempio con un BMS dedicato), che noi abbiamo preferito evitare scegliendo lo step-down DC-DC.

Come faccio a sapere se il modulo si è registrato sulla rete senza usare la seriale?

Guardate il LED di stato sulla scheda: un lampeggio ogni secondo significa che il modulo è attivo ma non ancora registrato sulla rete; un lampeggio ogni 3 secondi significa che si è registrato correttamente.

File del progetto

• Sketch di interfaccia seriale usato per i test: INSERISCI-LINK-REPOSITORY-O-FILE-INO
• Schema elettrico di collegamento: INSERISCI-LINK-SCHEMA-EASYEDA-O-IMMAGINE-AD-ALTA-RISOLUZIONE

Disclaimer

Questo modulo, se alimentato in modo scorretto, può danneggiarsi in modo permanente — nelle nostre prove è successo più di una volta prima di trovare la combinazione di alimentazione giusta. Se il vostro progetto finale prevede di collegarlo in modo permanente a un veicolo o a un impianto elettrico, prestate particolare attenzione ai punti di alimentazione e ai livelli logici descritti sopra.

Questo articolo ha scopo divulgativo e amatoriale: non forniamo alcuna garanzia sulla correttezza di schemi, codice e procedure descritte, e la realizzazione del progetto è a rischio e responsabilità di chi la effettua. Il dispositivo descritto non è uno strumento certificato o omologato. Per i dettagli completi, consultate i nostri Termini e Condizioni di utilizzo.

Documentazione

Fondamentale la consultazione della documentazione relativa al modulo e ai comandi AT che vi condividiamo qui:

• Datasheet SIM800L – file PDF con tutte le specifiche hardware;
• Manuale comandi AT – file PDF con tutti i comandi AT, il linguaggio per poter colloquiare con il modulo.

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Sitografia

Per arrivare a far funzionare il modulo abbiamo consultato numerosi siti, ed ecco l’intera sitografia:

• makerslab.it – driver per il CH340G
• treccarichi.net – nei commenti viene evidenziato il problema relativo all’alimentazione, che noi stessi abbiamo verificato in modo sperimentale con il prototipo;
• electroyou.it – discussione molto interessante;
• lastminuteengineers.com – uno degli articoli più interessanti e forse fatti meglio;
• iemma.it – fondamentale per la questione del partitore per l’adattamento dei livelli logici tra Arduino e SIM800L;
• pijaeducation.com
• andino.systems
• raviyp.com – articolo molto interessante per gestire lo sleep-mode e soprattutto la funzione di wake-up da software.

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