Precieze GPS-gebaseerde Klok: Betaalbare Nauwkeurigheid & Betrouwbaarheid

Onderdelen en benodigdheden

Apps en online diensten

• Arduino IDE

Over dit project

Tot nu toe gebruikte ik RTC-klokken of NTP-servers voor tijdprojecten. Hier presenteer ik een andere bron: tijd parsen uit de NMEA-strings van GPS-satellieten.

Ik was verrast hoe goedkoop een GPS-ontvanger is: koop er eentje (ik gebruik de GY-GPS6Mv2).

a) Optionele test op Windows PC

• Installeer „u-center” (download van u-blox).
• Met FTDI-adapter verbind je de GPS-breakout met de COM-poort. Na ~1 minuut verschijnt de fix (verbinding met satellieten), knipperende rode LED op de breakout.
• Automatisch gegenereerde graphics maken lust om meer met GPS te experimenteren. Met F8 → Text Console in View-menu zie je de NMEA-strings.

b) Decodering testen online

Gratis online service: rl.se/gprmc

c) Schakeling

Arduino A4 → Display SDA
Arduino A5 → Display SCL

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 20, 4); // adres vaak 0x27 of 0x3F

#include <Adafruit_GPS.h>
#include <SoftwareSerial.h>

GPS voeding → 5V
GPS GND → GND
GPS TX → Digitale 8
GPS RX → Digitale 7

SoftwareSerial mySerial(8, 7);
Adafruit_GPS GPS(&mySerial);

De GPS-ontvanger is 3,3V/5V tolerant.

d) Functionaliteit

Onze klok toont: tijd, datum, windsnelheid-indicatie en hoogte. Locatie niet nodig (klok staat op het raam).

NMEA levert tijd in UTC. Conversie naar lokale tijdzone doen we zelf. Voor Europa/Berlijn: +1 uur.

int timezone = +1; // Europe/Berlin (UTC +0100)

Variabele hour wordt gebruikt voor LCD-output in plaats van GPS.hour (UTC).

// Output naar LCD
lcd.setCursor(5,0); // eerste regel
int hour = (GPS.hour) + timezone;
if (hour < 10) { lcd.print('0'); }
lcd.print(hour, DEC); lcd.print(':');

In Europa gebruiken we km/u in plaats van knots voor windsnelheid. Conversie: 1 knot = 1,852 km/u.

float speed = (GPS.speed) * 1.852; // knots → km/u

Classificatie volgens Wikipedia (Beaufort-achtig):

if (speed <= 1)       {lcd.print(" Windstille");}
else if (speed <= 9)  {lcd.print(" leiser Zug");}
else if (speed <= 46) {lcd.print(" Brise");}
else if (speed <= 56) {lcd.print(" starker Wind");}
else if (speed <= 74) {lcd.print(" stuerm. Wind");}
else if (speed <= 83) {lcd.print(" Sturm");}
else if (speed <= 102){lcd.print(" schwerer Sturm");}
else                  {lcd.print(" Orkan");}

Resultaat op display (aanpasbaar):

Updatefrequentie: 2 seconden in de loop. Ik overweeg seconden en hoogte weg te laten voor een 16×2 display.

Veel plezier met verkennen van GPS-mogelijkheden!

In Europa is ook DCF77-radio-signaal beschikbaar, maar duurder en gevoeliger in gebruik.

Code

GPS_SoftwareSerial_Parsing_ilo C/C++

Adafruit-voorbeeld licht aangepast:

// Test code for Adafruit GPS modules using MTK3329/MTK3339 driver
// This code shows how to listen to the GPS module in an interrupt
// which allows the program to have more 'freedom' - just parse
// when a new NMEA sentence is available! Then access data when desired.

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F,20,4);

#include <Adafruit_GPS.h>
#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial mySerial(8, 7);
Adafruit_GPS GPS(&mySerial);

#define GPSECHO true
int timezone = +1; // Europe/Berlin (UTC +0100)

void setup() {
  lcd.init(); lcd.backlight();
  Serial.begin(115200);
  delay(5000);
  Serial.println("Adafruit GPS library basic test!");
  GPS.begin(9600); // UBLOX 6M: GY-GPS6Mv2
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_OUTPUT_RMCGGA); // RMC + GGA (incl. altitude)
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_UPDATE_1HZ);    // 1 Hz update
  GPS.sendCommand(PGCMD_ANTENNA);
  delay(1000);
  mySerial.println(PMTK_Q_RELEASE);
}

uint32_t timer = millis();

void loop() {
  char c = GPS.read();
  if (c && GPSECHO) Serial.write(c);

  if (GPS.newNMEAreceived()) {
    if (!GPS.parse(GPS.lastNMEA())) return;
  }

  if (timer > millis()) timer = millis();
  if (millis() - timer > 2000) {
    timer = millis();

    // Serial output
    Serial.print("\nTime: ");
    if (GPS.hour < 10) Serial.print('0');
    Serial.print(GPS.hour, DEC); Serial.print(':');
    if (GPS.minute < 10) Serial.print('0');
    Serial.print(GPS.minute, DEC); Serial.print(':');
    if (GPS.seconds < 10) Serial.print('0');
    Serial.print(GPS.seconds, DEC); Serial.print('.');
    if (GPS.milliseconds < 10) Serial.print("00");
    else if (GPS.milliseconds < 100) Serial.print("0");
    Serial.println(GPS.milliseconds);

    Serial.print("Date: ");
    Serial.print(GPS.day, DEC); Serial.print('/');
    Serial.print(GPS.month, DEC); Serial.print("/20");
    Serial.println(GPS.year, DEC);

    Serial.print("Fix: "); Serial.print((int)GPS.fix);
    Serial.print(" quality: "); Serial.println((int)GPS.fixquality);

    // LCD output
    lcd.setCursor(5,0);
    int hour = (GPS.hour) + timezone;
    if (hour < 10) lcd.print('0');
    lcd.print(hour, DEC); lcd.print(':');
    if (GPS.minute < 10) lcd.print('0');
    lcd.print(GPS.minute, DEC); lcd.print(':');
    if (GPS.seconds < 10) lcd.print('0');
    lcd.print(GPS.seconds, DEC);

    lcd.setCursor(5,1);
    if (GPS.day < 10) lcd.print('0');
    lcd.print(GPS.day, DEC); lcd.print('.');
    if (GPS.month < 10) lcd.print('0');
    lcd.print(GPS.month, DEC); lcd.print('.');
    lcd.print(GPS.year, DEC);

    if (GPS.fix) {
      Serial.print("Location: ");
      Serial.print(GPS.latitude, 4); Serial.print(GPS.lat);
      Serial.print(", ");
      Serial.print(GPS.longitude, 4); Serial.println(GPS.lon);
      Serial.print("Speed (knots): "); Serial.println(GPS.speed);
      Serial.print("Angle: "); Serial.println(GPS.angle);
      Serial.print("Altitude: "); Serial.println(GPS.altitude);
      Serial.print("Satellites: "); Serial.println((int)GPS.satellites);

      lcd.setCursor(0,2);
      float speed = (GPS.speed) * 1.852;
      // lcd.print("Speed km/h: "); lcd.print(speed);

      if (speed <= 1)       {lcd.print(" Windstille");}
      else if (speed <= 9)  {lcd.print(" leiser Zug");}
      else if (speed <= 46) {lcd.print(" Brise");}
      else if (speed <= 56) {lcd.print(" starker Wind");}
      else if (speed <= 74) {lcd.print(" stuerm. Wind");}
      else if (speed <= 83) {lcd.print(" Sturm");}
      else if (speed <= 102){lcd.print(" schwerer Sturm");}
      else                  {lcd.print(" Orkan");}

      lcd.setCursor(0,3);
      lcd.print("Hoehe: "); lcd.print(GPS.altitude);
    }
  }
}