Получение и вывод GPS координат на Arduino. Подключение GPS-трекера к Arduino

23.04.2019

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.

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).

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, вплотную 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 (кроме соединённого с USB Serial), 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 нюансов 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 5V. Идем на хак: подключаем 5V в пин, с которого приходит 5V от ардуины. Тогда встроенный преобразователь модуля (существенно мощнее преобразователя ардуины, MIC 29302WU) сделает из 5V 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 12V в машине, проехался по Москве, получил трек:

Точки трека достаточно далеко друг от друга. 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.

Время поиска спутников на пассажирском сидении автомобиля - пара минут.

Выводы

Создание GPS трекера на ардуино своими руками возможно, хотя и не является тривиальной задачей. Главный вопрос сейчас - как спрятать устройство в машине так, чтобы оно не подвергалось воздействиям вредных факторов (вода, температура), не было закрыто металлом (GPS и GPRS будут экранироваться) и не было особенно заметно. Пока просто лежит в салоне и подключается к гнезду прикуривателя.

Ну и ещё нужно поправить код для более плавного трека, хотя основную задачу трекер и так выполняет.

Использованные устройства

Arduino Mega 2560
Arduino Uno
GPS SkyLab SKM53
SIM900 based GSM/GPRS Shield
DC-DC 12v->5v 3A converter

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).