Точный gps приемник на ардуино. Получение и вывод GPS координат на Arduino

03.03.2019

Однажды у меня возник интерес к GPS, а еще чуть раньше - к платформе Arduino. Поэтому со Sparkfun были заказаны, с разницей в пару дней, Arduino Duemilanove, GPS Shield и GPS приемник EM-406A .
Заказ пришел и частично лежал на полке, а недавно дошли руки до этого комплекта…

Собранный GPS Shield, подключенный к Arduino

Аппаратная часть

Arduino Duemilanove
GPS Shield
GPS приемник EM-406A
LCD WH-0802A

Для большей мобильности платформа запитана от отдельного аккумулятора и подключается к компьютеру только для заливки нового скетча.

Распиновка GPS модуля EM-406A

При наличии щилда распиновка, по большому счету, не так важна - нужно просто вставить два разъема. Если щилд отсутствует, то нужно подключить выводы GND к GND, Rx - к digital pin 2, Tx - к digital pin 3, VCC - к POWER 5V. Внимание, серый провод не 1, а 6й!

На GPS модуле имеется светодиодный индикатор состояния:

индикатор горит постоянно - идет поиск спутников и определение координат
индикатор моргает - координаты установлены, идет их передача
индикатор не горит, питание на шилд подано - плохой контакт в разъемах или модуль переключился в бинарный SiRF протокол

Переключатель UART/DLINE

С помощью переключателя можно подключить Rx и Tx GPS модуля к ногам Tx и Rx Arduino (позиция UART) или к pin digital 2 и digital 3 (позиция DLINE, если не снимать перемычки из припоя). Нужно убедиться, что переключатель находится в положении «DLINE», иначе возможны проблемы с заливкой скетчей в Arduino.

Подключение знакосинтезирующего ЖК индикатора

Я не покупал отдельный shield под экран и подключал уже имеющийся индикатор - WH-0802A в 4х битном режиме. В принципе, так можно подключить любой другой знакосинтезирующий индикатор. Для этого нужно найти в даташите распиновку разъема и подключить линии RS, E, D4, D5, D6, D7 к любым цифровым pin"ам (кроме 0…3) и не забыть сконфигурировать куда подключены эти линии в коде, Vss, R/W - к GND, Vdd - к 5V. Вывод Vo (настройка контрастности) нужно подключить к потенциометру, включенному между GND и 5V, но я просто подключил к GND - полученная контрастность меня устроила.

Назначение выводов индикатора WH-0802A

Мой вариант подключения индикатора к Arduino

RS - pin 13
E - pin 12
D4 - pin 11
D5 - pin 10
D6 - pin 9
D7 - pin 8
Vss, R/W, Vo - GND
Vdd - 5V

Программная часть

Для работы с GPS потребуются две библиотеки TinyGPS и NewSoftSerial . Библиотеки распаковываются в каталог libraries.

#include
#include
#include
TinyGPS gps;
//Tx, Rx
NewSoftSerial nss(2, 3);
//Конфигурация линий, куда подключен lcd: RS, E, D4, D5, D6, D7
LiquidCrystal lcd(13, 12, 11, 10, 9, 8);
bool feedgps();
void setup() {
//4800 скорость обмена с GPS приемником
nss.begin(4800);
//8 символов, 2 строки
lcd.begin(8, 2);
lcd.print("waiting" );
}
void loop() {
bool newdata = false ;
unsigned long start = millis();
long lat, lon;
unsigned long age;
//задержка в секунду между обновлениями координат
while (millis() - start < 1000) {
if (readgps())
newdata = true ;
}
if (newdata) {
gps.get_position(&lat, &lon, &age);
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print(lat);
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(lon);
}
}
bool readgps() {
while (nss.available()) {
int b = nss.read();
//в TinyGPS есть баг, когда не обрабатываются данные с \r и \n
if ("\r" != b) {
if (gps.encode(b))
return true ;
}
}
return false ;
}

После включения GPS модуля и заливки скетча нужно подождать как минимум 42 секунды (время холодного старта) для того чтобы модуль определил свое местоположение и начал выдавать валидные координаты. Когда модуль перейдет в рабочий режим он начнет моргать светодиодом. У меня на рабочем столе модуль не всегда может найти спутники - приходится переносить его на окно.

Работающий модуль с подключенным дисплеем и полученными координатами

Справа к дисплею подключён источник питания для подсветки.
После определения спутников на дисплее появляются координаты и обновляются раз в секунду.
В итоге получен опыт работы и база для дальнейшего освоения GPS.

Существует немало GPS-модулей и шилдов для Arduino, но многие из них довольно недешевы. Если вам в вашем проекте по каким-то причинам нужен GPS, самым дешевым (не в ущерб качеству!) из известных мне вариантов будет модуль на базе чипа NEO-6M. На AliExpress такие модули продаются за 230 рублей (4 $) с учетом доставки в Россию. Давайте же попробуем разобраться, как с ними работать.

Примечание: Как правило, GPS не работает в доме. Чтобы поймать сигнал от спутников, с модулем нужно выйти на улицу или на балкон, или хотя бы положить его рядом с окном. Кроме того, GPS может плохо ловить в облачную погоду. Учтите также, что даже на открытом воздухе и в хорошую погоду при первом включении модулю может потребоваться несколько минут на инициализацию.

К Arduino модуль подключается не сложно, так как питается он от 5 В, а данные передает по UART на скорости 9600 бод. Когда модуль находит достаточное количество спутников для определения своего местоположения, он начинает мигать синим светодиодом и передавать по UART раз в секунду что-то вроде:

$GPRMC,160709.00,A,5546.7229,N,03749.47557,E,2.578,228.26,170617,A*69
$GPVTG,228.26,T,M,2.578,N,4.774,K,A*39
$GPGGA,160709.00,5546.792,N,03749.475,E,1,07,4.00,172.3,M,13.3,M,*5C
$GPGSA,A,3,13,20,18,30,21,15,6.45,3.95,5.11*02

Тут на глаз несложно найти текущие координаты (5546.79229,N и 03749.47557,E), а также дату (170617) и время в UTC (160709). Цифры в конце строк после звездочки — это контрольные суммы. Стоит отметить, что если модуль еще не определил свои GPS-координаты, он передает по UART немного другие данные. Подробное описание того, как декодировать все эти данные можно найти в документе под названием U-blox 6 Receiver Description Including Protocol Specification .

Несмотря на то, что написать свой парсер достаточно просто, их написано и отлажено уже достаточно, чтобы не тратить на это свое время. Лично я воспользовался библиотекой TinyGPSPlus . Код прошивки:

#include
#include
#include "LiquidCrystal_I2C.h"
#include "TinyGPS++.h"

const int DELAY = 100 ;
const int SWITCH_TIME = 5000 ;

LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F , 16 , 2 ) ;
SoftwareSerial gps_serial(A3, A2) ; /* RX, TX */
TinyGPSPlus gps_parser;

void setup()
{
Serial.begin (9600 ) ;
gps_serial.begin (9600 ) ;
lcd.begin () ;
}

String twoDigits(int x) {
if (x < 10 ) return "0" + String(x) ;
else return String(x) ;
}

int currentModeTime = 0 ;
bool showLocation = false ;

void loop() {
while (gps_serial.available () > 0 ) {
char temp = gps_serial.read () ;
Serial.write (temp) ;
gps_parser.encode (temp) ;
}

String lat = "Unknown " ;
String lng = "location " ;
if (gps_parser.location .isValid () ) {
lat = "Lat: " + String(gps_parser.location .lat () , 6 ) ;
lng = "Lng: " + String(gps_parser.location .lng () , 6 ) ;
}

String date = "Unknown date " ;
if (gps_parser.date .isValid () ) {
date = twoDigits(gps_parser.date .day () ) + "/" +
twoDigits(gps_parser.date .month () ) + "/" +
String(gps_parser.date .year () ) + " " ;
}

String time = "Unknown time " ;
if (gps_parser.time .isValid () ) {
time = twoDigits(gps_parser.time .hour () ) + ":" +
twoDigits(gps_parser.time .minute () ) + ":" +
twoDigits(gps_parser.time .second () ) + " UTC " ;
}

if (showLocation) {
lcd.setCursor (0 , 0 ) ;
lcd.print (lat) ;
lcd.setCursor (0 , 1 ) ;
lcd.print (lng) ;
} else { // show date and time
lcd.setCursor (0 , 0 ) ;
lcd.print (date) ;
lcd.setCursor (0 , 1 ) ;
lcd.print (time ) ;
}

Delay(DELAY) ;
currentModeTime + = DELAY;
if (currentModeTime >= SWITCH_TIME) {
lcd.clear () ;
showLocation = ! showLocation;
currentModeTime = 0 ;
}
}

Соответствующее устройство в действии.

В этом проекте мы покажем вам как связать Arduino Uno с GPS модулем, а получаемые данные по долготе и широте отобразим на ЖК-дисплее.

Нам для проекта нужны:

Arduino Uno
Модуль GPS NEO-6m
ЖК-дисплей
10K резистор

Информация о GPS

Что такое GPS?

Глобальная система позиционирования (GPS) - это спутниковая навигационная система, состоящая по меньшей мере из 24 спутников. GPS работает в любых погодных условиях в любой точке мира 24 часа в сутки без абонентской платы или платы за установку.

Как работает GPS?

Спутники GPS обходят Землю два раза в день на точной орбите. Каждый спутник передает уникальный сигнал и параметры орбиты, которые позволяют устройствам GPS декодировать и вычислять точное местоположение спутника. GPS-приемники используют эту информацию и трилатерацию для расчета точного местоположения пользователя. По сути, GPS-приемник измеряет расстояние до каждого спутника на количество времени, которое требуется для приема передаваемого сигнала. При измерениях расстояния от нескольких спутников приемник может определить положение пользователя и отобразить его.

Чтобы вычислить ваше двумерное положение (широта и долгота) и направление движения, GPS-приемник должен быть зафиксирован на сигнал от не менее 3 спутников. При наличии 4 или более спутников приемник может определить ваше трехмерное положение (широта, долгота и высота). Как правило, приемник GPS будет отслеживать 8 или более спутников, но это зависит от времени суток и того, где вы находитесь на земле.

Как только ваша позиция будет определена, модуль GPS может рассчитать и другую информацию, такую как:

скорость;
азимут, пеленг;
направление;
расстояние до отключения;
расстояние до пункта назначения.

Какой сигнал?

Спутники GPS передают по меньшей мере 2 маломощных радиосигнала. Сигналы движутся по прямой видимости, то есть они будут проходить сквозь облака, стекло и пластик, но не будут проходить через большинство твердых объектов, таких как здания и горы. Однако современные приемники более чувствительны и обычно могут отслеживать и сквозь дома.

Сигнал GPS содержит 3 различных типа информации:

Псевдослучайный код - это I.D. код, который идентифицирует, какой спутник передает информацию. Вы можете видеть, с какого спутника вы получаете сигналы на странице информации о спутниках на вашем устройстве.
Данные эфемерид необходимы для определения местоположения спутника и дают важную информацию о состоянии спутника, текущую дату и время.
Данные альманаха сообщают GPS-приемнику, где каждый спутник GPS должен быть в любое время в течение дня и отображать информацию о орбите для этого спутника и каждого другого спутника в системе.

GPS модуль NEO-6M и Arduino UNO

Внешне GPS модуль выглядит так:

Плата Ардуино Уно вам, скорее всего, уже знакома:

Подключение модуля GPS и Arduino UNO

Подключите четыре контакта к Arduino следующим образом:

GND → GND
TX → Цифровой вывод (D3)
RX → цифровой вывод (D4)
Vcc → 5Vdc

Предлагаем использовать внешний источник питания для питания модуля GPS, потому что минимальная потребляемая мощность для работы модуля Arduino GPS составляет 3,3 В, а Arduino не способен обеспечить такое напряжение. Для обеспечения напряжения используйте USB TTL:

Еще одна вещь, которая была обнаружена при работе с антенной GPS - модуль не принимает сигнал внутри дома, поэтому нужно использовать антенну.

Подключение Arduino UNO и ЖК-дисплея JHD162a

Теперь нам необходимо соединить Ардуино и ЖК-дисплей, мы взяли LHD162a:

Перечень соединений ниже, это LCD → Arduino :

VSS → GND
VCC → 5V
VEE → 10K резистор
RS → A0 (аналоговый пин)
R/W → GND
E → A1
D4 → A2
D5 → A3
D6 → A4
D7 → A5
LED+ → VCC
LED- → GND

Скетч и библиотеки

Дополнительно нам понадобятся некоторые библиотеки:

Больше различных библиотек вы можете найти на нашем сайте в разделе .

Скетч для Arduino GPS вы можете скачать или скопировать ниже:

#include #include #include float lat = 28.5458,lon = 77.1703; // создать переменную для объекта широты и долготы SoftwareSerial gpsSerial(3,4);//rx,tx LiquidCrystal lcd(A0,A1,A2,A3,A4,A5); TinyGPS gps; // создать gps объект void setup(){ Serial.begin(9600); // соединяем serial //Serial.println("Полученный сигнал GPS:"); gpsSerial.begin(9600); // подключаем gps датчик lcd.begin(16,2); } void loop(){ while(gpsSerial.available()){ // проверка gps данных if(gps.encode(gpsSerial.read()))// шифровать gps данные { gps.f_get_position(&lat,&lon); // получить широту и долготу // отобразить позицию lcd.clear(); lcd.setCursor(1,0); lcd.print("GPS Signal"); //Serial.print("Position: "); //Serial.print("Latitude:"); //Serial.print(lat,6); //Serial.print(";"); //Serial.print("Longitude:"); //Serial.println(lon,6); lcd.setCursor(1,0); lcd.print("LAT:"); lcd.setCursor(5,0); lcd.print(lat); //Serial.print(lat); //Serial.print(" "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(",LON:"); lcd.setCursor(5,1); lcd.print(lon); } } String latitude = String(lat,6); String longitude = String(lon,6); Serial.println(latitude+";"+longitude); delay(1000); }

В Visual Studio мы создали приложение в котором можно найти текущее местоположение GPS. Оно работает только тогда, когда подключено последовательно к ПК или ноутбуку:

Если вы хотите внести некоторые изменения в приложение, вы можете сделать это открыв sln-файл в Visual Studio (2012 и выше), или вы можете напрямую установить и использовать его.

На этом пока всё. Хороших вам проектов.

После нескольких экспериментов с ардуиной решил сделать простенький GPS-tracker.
Используется Arduino Mega 2560 (Arduino Uno), SIM900 - GSM/GPRS модуль (для отправки информации на сервер), GPS приёмник SKM53 GPS.
Всё закуплено на ebay.com, в сумме около 1500 р (примерно 500р ардуина, немного меньше - GSM модуль, немного больше - GPS).

GPS приемник

Для начала нужно разобраться с работой с GPS. Выбранный модуль - один из самых дешевых и простых. Тем не менее, производитель обещает наличие батарейки для сохранения данных о спутниках. По даташиту, холодный старт должен занимать 36 секунд, однако, в моих условиях (10 этаж с подоконника, вполтную зданий нет) это заняло аж 20 минут. Следующий старт, однако, уже 2 минуты.

Важный параметр устройств, подключаемых к ардуине - энергопотребление. Если перегрузить преобразователь ардуины, она может сгореть. Для используемого приемника максимальное энергопотребление - 45mA @ 3.3v. Зачем в спецификации указывать силу тока на напряжении, отличном от требуемого (5V), для меня загадка. Тем не менее, 45 mA преобразователь ардуины выдержит.

Подключение

GPS не управляемый, хотя и имеет RX пин. Для чего - неизвестно. Основное, что можно делать с этим приемником - читать данные по протоколу NMEA с TX пина. Уровни - 5V, как раз для ардуины, скорость - 9600 бод. Подключаю VIN в VCC ардуины, GND в GND, TX в RX соответствующего serial. Читаю данные сначала вручную, затем с использованием библиотеки TinyGPS. На удивление, всё читается. После перехода на Uno пришлось использовать SoftwareSerial, и тут начались проблемы - теряется часть символов сообщения. Это не очень критично, так как TinyGPS отсекает невалидные сообщения, но довольно неприятно: о частоте в 1Гц можно забыть.

Небольшое замечание относительно SoftwareSerial: на Uno нет хардверных портов, поэтому приходится использовать программный. Так вот, он может принимать данные только на пине, на котором плата поддерживает прерывания. В случае Uno это 2 и 3. Мало того, данные одновременно может получать только один такой порт.

Вот так выглядит «тестовый стенд».

GSM приемник/передатчик

Теперь начинается более интересная часть. GSM модуль - SIM900. Он поддерживает GSM и GPRS. Ни EDGE, ни уж тем более 3G, не поддерживаются. Для передачи данных о координатах это, вероятно, хорошо - не будет задержек и проблем при переключении между режимами, плюс GPRS сейчас есть почти везде. Однако, для каких-то более сложных приложений этого уже может не хватить.

Подключение

Модуль управляется также по последовательному порту, с тем же уровнем - 5V. И здесь нам уже понадобятся и RX, и TX. Модуль - shield, то есть, он устанавливается на ардуину. Причем совместим как с mega, так и с uno. Скорость по умолчанию - 115200.

Собираем на Mega, и тут нас ждет первый неприятный сюрприз: TX пин модуля попадает на 7й пин меги. На 7м пину меги недоступны прерывания, а значит, придется соединить 7й пин, скажем, с 6м, на котором прерывания возможны. Таким образом, потратим один пин ардуины впустую. Ну, для меги это не очень страшно - всё-таки пинов хватает. А вот для Uno это уже сложнее (напоминаю, там всего 2 пина, поддерживающих прерывания - 2 и 3). В качестве решения этой проблемы можно предложить не устанавливать модуль на ардуину, а соединить его проводами. Тогда можно использовать Serial1.

После подключения пытаемся «поговорить» с модулем (не забываем его включить). Выбираем скорость порта - 115200, при этом хорошо, если все встроенные последовательные порты (4 на меге, 1 на uno) и все программные работают на одной скорости. Так можно добиться более устойчивой передачи данных. Почему - не знаю, хотя и догадываюсь.

Итак, пишем примитивный код для проброса данных между последовательными портами, отправляем atz, в ответ тишина. Что такое? А, case sensitive. ATZ, получаем OK. Ура, модуль нас слышит. А не позвонить ли нам ради интереса? ATD +7499… Звонит городской телефон, из ардуины идет дымок, ноутбук вырубается. Сгорел преобразователь Arduino. Было плохой идеей кормить его 19 вольтами, хотя и написано, что он может работать от 6 до 20V, рекомендуют 7-12V. В даташите на GSM модуль нигде не сказано о потребляемой мощности под нагрузкой. Ну что ж, Mega отправляется в склад запчастей. С замиранием сердца включаю ноутбук, получивший +19V по +5V линии от USB. Работает, и даже USB не выгорели. Спасибо Lenovo за защиту.

После выгорания преобразователя я поискал потребляемый ток. Так вот, пиковый - 2А, типичный - 0.5А. Такое явно не под силу преобразователю ардуины. Нужно отдельное питание.

Программирование

Модуль предоставляет широкие возможности передачи данных. Начиная от голосовых вызовов и SMS и заканчивая, собственно, GPRS. Причем для последнего есть возможность выполнить HTTP запрос при помощи AT команд. Придется отправить несколько, но это того стоит: формировать запрос вручную не очень-то хочется. Есть пара ньюансов с открытием канала передачи данных по GPRS - помните классические AT+CGDCONT=1,«IP»,«apn»? Так вот, тут то же самое нужно, но слегка хитрее.

Для получения страницы по определенному URL нужно послать следующие команды:

AT+SAPBR=1,1 //Открыть несущую (Carrier) AT+SAPBR=3,1,"CONTYPE","GPRS" //тип подключения - GPRS AT+SAPBR=3,1,"APN","internet" //APN, для Мегафона - internet AT+HTTPINIT //Инициализировать HTTP AT+HTTPPARA="CID",1 //Carrier ID для использования. AT+HTTPPARA="URL","http://www.example.com/GpsTracking/record.php?Lat=%ld&Lng=%ld" //Собственно URL, после sprintf с координатами AT+HTTPACTION=0 //Запросить данные методом GET //дождаться ответа AT+HTTPTERM //остановить HTTP

В результате, при наличии соединения, получим ответ от сервера. То есть, фактически, мы уже умеем отправлять данные о координатах, если сервер принимает их по GET.

Питание

Поскольку питать GSM модуль от преобразователя Arduino, как я выяснил, плохая идея, было решено купить преобразователь 12v->5v, 3A, на том же ebay. Однако, модулю не нравится питание в 5в. Идем на хак: подключаем 5в в пин, с которого приходит 5в от ардуины. Тогда встроенный преобразователь модуля (существенно мощнее преобразователя ардуины, MIC 29302WU) сделает из 5в то, что нужно модулю.

Сервер

Сервер написал примитивный - хранение координат и рисование на Яндекс.картах. В дальнейшем возможно добавление разных фич, включая поддержку многих пользователей, статус «на охране/не на охране», состояние систем автомобиля (зажигание, фары и пр.), возможно даже управление системами автомобиля. Конечно, с соответствующей поддержкой трекера, плавно превращающегося в полновесную сигнализацию.

Полевые испытания

Вот так выглядит собранный девайс, без корпуса:

После установки преобразователя питания и укладывания в корпус от дохлого DSL модема система выглядит так:

Припаивал провода, вынул несколько контактов из колодок ардуины. Выглядят так:

Подключил 12В в машине, проехался по Москве, получил трек:

Трек получается рваным. Причина в том, что отправка данных по GPRS занимает относительно много времени, и в это время координаты не считываются. Это явная ошибка программирования. Лечится во-первых, отправкой сразу пачки координат со временем, во-вторых, асинхронной работой с GPRS модулем.

После нескольких экспериментов с ардуиной решил сделать простенький и не очень дорогой GPS-tracker с отправкой координат по GPRS на сервер.
Используется Arduino Mega 2560 (Arduino Uno), SIM900 - GSM/GPRS модуль (для отправки информации на сервер), GPS приёмник SKM53 GPS.

Всё закуплено на ebay.com, в сумме около 1500 р (примерно 500р ардуина, немного меньше - GSM модуль, немного больше - GPS).