Arduinoに接続したGPS受信機の測位データをSDカードに保存しました。

この記事で学習できること

  • GPS受信機とSDデータロガーをArduino UNO R3に接続しGPS測位データをSDロガーシールドに保存します。
  • 携帯性と操作性を向上するためにGPSシールドを自作します。
(参考) 関連する記事

必要な部品は?

GPS受信機1個
Arduino UNO R31個
10KΩ抵抗1個
ダイオード1個
SDデータロガーシールド1個

GPS受信機をSDデータロガーシールドと接続する回路図(接続図)

  • SDデータロガーシールドをArduino UNO R3に接続して、GPS受信機を接続します。
  • ArduinoとGPS受信機の通信はSoftware Serialを使用します。Arduinoの通信用ポートは、2Pin(RX)と3Pin(TX)を使います。
— Arduino UNO R3、データロガーシールド、GPS受信機の配線 —

GPSシールドの自作

  • Arduino UNO用のユニバーサル基板を使ってGPSシールドを作成します。ユニバーサル基板上で配線を半田付けすれば、このシールドをデータロガーシールドの上に差し込めば組み立て完成です。
  • ブレッドボードで配線しても動作して測定はできますが、持ち運びする場合は配線が外れたり、電気部品がショートしたりする危険性があります。
— 自作シールドと組み立て —
  • GPSシールドはArduino UNO用のユニバーサル基板に部品を取り付け、配線して作ります。KiCADで回路図を描いて、部品間の距離や完成時の構成をイメージしながらPCBレイアウトをします。
  • KiCADは、オープンソースの電気回路設計・基板設計CADです。
— KiCADを使っての回路図とPCBパターン図の作成 —
  • PCBレイアウトが決まれば、それに従って部品と線材を半田付けします。SDデータロガーシールドに差し込み、さらにArduino UNO R3に差し込めば完成です。PCに接続して動作確認します。
— 自作シールドと組み立て —
(参考) KiCADを使ったPCBレイアウトに関連する記事

スケッチに使用するライブラリの入手先

  • スケッチで使用する、RTC(実時間)モジュール用のライブラリ(DS3231.h、DS3231.cpp)は[GitHub – jarzebski/Arduino-DS3231: DS3231 Real-Time-Clock]から取得しインストールしてください。
  • Arduno用のDS3231用のライブラリは何種類かが公開されていますが、この記事で使用しているライブラリは上記のライブラりであり、異なるライブラリを使用するとコンパイル時にエラーが発生します。

  • GitHubでライブラリをダウンロードする
    • 対象ライブラリのGitHubページを開く
    • 緑色の Code ボタンをクリック (リストの右上にある[<>Code▼]のボタンです。)
    • Download ZIP を選択
    • ZIPファイルがPCに保存される
    • ※「Source code (zip)」でもOKですが、基本は上の手順で問題ありません。
  • Arduino IDEにZIPライブラリをインストールする (Arduino IDE 1.x / 2.x 共通)
    • Arduino IDE を起動
    • メニューから
    • スケッチ → ライブラリをインクルード → .ZIP形式のライブラリをインストール
  • 先ほどダウンロードした ZIP ファイルを選択
    • IDE が自動的に展開してインストール完了
  • インストール確認
    • メニューのスケッチ → ライブラリをインクルード
    • 一覧の「インストール済み」セクションにライブラリ名が表示されていれば成功
  • 注意点(特にGitHub系でよくある)
    • ZIPの中にさらにフォルダ階層があるとIDEが認識しないことがある
      → libraryname/libraryname/*.h のように二重構造になっていないか確認
    • src フォルダがあるタイプはそのままでOK
    • リリースページに「Arduino用に整えたZIP」がある場合はそちらを使うと確実

RTC(実時間)モジュールに時間を書き込む

  • SDデータロガーシールドのRTC(実時間)モジュールは初期状態では時刻データを保持していません。時刻データ保持用のバッテリーを挿入して時刻を書き込みます。

////////////////////////////////////////////////////////
// RTC(実時間)モジュールの時間設定を行い、時間を画面へ表示する
////////////////////////////////////////////////////////

//ライブラリインクルード
#include <Wire.h>
#include <DS3231.h>

//実時間モジュール設定
DS3231 clock;
RTCDateTime dt;

//一般変数
int i;

void setup()
{
  Serial.begin(9600);

  //実時間モジュールの初期化
  Serial.println("Initialize RTC module");
  // Initialize DS3231
  clock.begin();

  // スケッチのコンパイル時の時刻をRTCモジュールに書き込む
  clock.setDateTime(__DATE__, __TIME__);  

  dt = clock.getDateTime();

  //一般変数の初期化
  i=0;
  
  delay(1000);  
  
  //シリアルログの最初の行に表示項目を表示する
  Serial.print("Count,");    
  Serial.print("Year,");
  Serial.print("Month,");
  Serial.print("Day,");
  Serial.print("Hour,");
  Serial.print("Minuts,");
  Serial.println("Second,");

  //シリアルログの表示
  dt = clock.getDateTime();
  Serial.print(i);   Serial.print(",");  
  Serial.print(dt.year);   Serial.print(",");
  Serial.print(dt.month);  Serial.print(",");
  Serial.print(dt.day);    Serial.print(",");
  Serial.print(dt.hour);   Serial.print(",");
  Serial.print(dt.minute); Serial.print(",");
  Serial.println(dt.second); 
}

void loop()
{
  // loopでは何もしない
}

GPS受信機から送信されるデータの記録するスケッチ

  • GPS受信機から測位データ(GPGGAセンテンス)を送信させて、SDカードに保存します。
//----------------------------------------------
//https://arduinomakesiteasy.com/
//----------------------------------------------

#include <SoftwareSerial.h>
#include <TimeLib.h>
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
#include <Wire.h>
#include <DS3231.h>

//SoftwareSerial 
SoftwareSerial myGPSSerial(2,3); //rx=2 tx=3

//RTC(実時間) module
DS3231 clock;
RTCDateTime dt;

//SD module
const int chipSelect = 10;  //SDカードCS
File logFile;
char fileName[16];
int fileNum = 0;

//TimeStamp matrix (ファイル作成時のタイムスタンプ)
char timestamp[30];

//Variables
String GPSString;

//----------------------------------------------
//setup()
//----------------------------------------------
 
void setup(){
  Serial.begin(9600); //シリアルモニタの開始
  delay(500); //待ち時間 0.5秒 
  init_RTC(); //RTC初期化  
  init_GPS(); //GPS初期化
  init_SD();  //SDカード初期化
}

//----------------------------------------------
//loop()
//----------------------------------------------
 
void loop(){

  //実時間取得
  dt = clock.getDateTime();
  
  // ソフトウェアシリアルのデータは改行まで取り込みSDカードに保存する
  if (myGPSSerial.available()){
        GPSString = myGPSSerial.readStringUntil('\n');
        Serial.println(GPSString.c_str());

        logFile = SD.open(fileName, FILE_WRITE);
        logFile.write(GPSString.c_str()); 
        logFile.close();    
  }

  // ソフトウェアシリアルのデータがオーバーフローしている場合はメッセージを出す
  if (myGPSSerial.overflow()) {
      Serial.println("myGPSSerial overflow!");
  }    
}

//----------------------------------------------
//RTCの初期化
//----------------------------------------------

void init_RTC(void){

  Serial.print("RTC Start ---> ");

  // Initialize DS3231
  clock.begin();
 
  //下記の行をコメントアウトすることでコンパイル時の時刻をRTCモジュールに書き込める
  //次にコメントアウトして再度コンパイル実行する
  //clock.setDateTime(__DATE__, __TIME__);    

  Serial.println("Done");
 
}

//----------------------------------------------
//GPSの初期化
//----------------------------------------------

void init_GPS(void){
  
  Serial.print("GPS Start ---> ");
   
  myGPSSerial.begin(9600); //GPSと通信開始、GPSデフォルトの通信レート9600

  //GPSモジュールの設定を行う。
  myGPSSerial.print("$PMTK314,0,0,0,2,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0*2A\r\n"); //$GGAのみ2秒間隔で送信

  //GPSモジュールのの設定後にGPSモジュールから返信があることを確認する
  while(!myGPSSerial.available()){
    delay(500);
  }

  //GGPSモジュールからの返信をバッファから除去する
  GPSString = myGPSSerial.readStringUntil('\n');
  
  Serial.println("Done");
}

//----------------------------------------------
//SDカード初期化とログファイル作成、タイムスタンプ設定
//----------------------------------------------

void init_SD(void){//SDカード初期化とログファイル作成、タイムスタンプ設定
  
  Serial.print("SD Start ---> ");
  
  while (!SD.begin(chipSelect)) {
    Serial.println("Failed during starting");
    //won't do anything later
    return;
  }
  Serial.println("Done");

  //ファイル作成・更新時のタイムスタンプを記録するスケッチ------------------------------
  SdFile::dateTimeCallback(dateTime);
  sprintf(timestamp, "%02d:%02d:%02d %2d/%2d/%2d \n",dt.hour,dt.minute,dt.second,dt.month,dt.day,dt.year-2000);
  //------------------------------------------------------------------------------

  boolean fileexist = false;
  String t;
  
  //既存のファイルのファイル名と重複しなければファイル名とする
  while(!fileexist){
    t = "GPS";
    if (fileNum < 10){
      t += "00";
    }
    else if(fileNum < 100){
      t += "0";
    }
    t += fileNum;
    t += ".LOG";
    t.toCharArray(fileName, 16);
    if(!SD.exists(fileName)) {
      fileexist = true;
    }
    fileNum++;
  }
  
  // ログファイルの1行目に”GPS NMEA Data ......”と書き込む
  logFile=SD.open(fileName, FILE_WRITE);
  logFile.println("GPS NMEA Data ......");
  logFile.close();
}

//----------------------------------------------
//call back for file timestamps
//----------------------------------------------

void dateTime(uint16_t *date, uint16_t *time) {
 sprintf(timestamp, "%02d:%02d:%02d %2d/%2d/%2d \n",dt.hour,dt.minute,dt.second,dt.month,dt.day,dt.year-2000);
 *date = FAT_DATE(dt.year,dt.month,dt.day); // return date using FAT_DATE macro to format fields
 *time = FAT_TIME(dt.hour,dt.minute,dt.second); // return time using FAT_TIME macro to format fields
}

スケッチに使用するライブラリとオーバーフローの警告

使用したライブラリと機能

#include <SoftwareSerial.h>
#include <TimeLib.h>
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
#include <Wire.h>
#include <DS3231.h>
ライブラリ機能
SoftwareSerial.hGPS受信機とのシリアル通信を行う
TimeLib.hArduinoのシステム時間を扱う
SPI.hSPI通信を行う (SDカードへの記録のため)
SD.hSDカードへの書き込み
Wire.hI2C通信を行う(RTCモジュールとの通信のため)
DS3231.hRTCモジュールの操作 (使用するライブラリに注意)

GPS受信機に設定コマンドを送信し、GPGGAの信号を2秒間隔で出力させます

myGPSSerial.print("$PMTK314,0,0,0,2,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0*2A\r\n");

データバッファのオーバーフローに注意

  • GPS受信機からは連続でNMEAセンテンスが送信されています。Arduino UNO R3の通信用のバッファは64バイトしかないので、送信データの処理よりも送信データの送信量が多ければバッファがオーバーフローします。オーバーフローをしないように、処理速度を上げる、送信データを減らすなどの工夫が必要になります。
  • スケッチはオーバーフローした時に、シリアルモニタに””myGPSSerial overflow!”のメッセージを出力します。
  if (myGPSSerial.overflow()) {
      Serial.println("myGPSSerial overflow!");
  }    

SDカードに出力されたデータ例

SDカードにCSV形式で保存されています。

GPS NMEA Data ......
$GPGGA,082212.000,3445.9317,N,13537.2365,E,1,5,4.24,-17.4,M,34.5,M,,*46
$GPGGA,082214.000,3445.9283,N,13537.2564,E,1,6,1.28,-11.2,M,34.5,M,,*41
$GPGGA,082216.000,3445.9324,N,13537.2436,E,1,5,4.24,-16.1,M,34.5,M,,*47
$GPGGA,082218.000,3445.9362,N,13537.2338,E,1,6,1.82,-21.9,M,34.5,M,,*44
$GPGGA,082220.000,3445.9347,N,13537.2458,E,1,5,4.25,-22.4,M,34.5,M,,*4C
$GPGGA,082222.000,3445.9392,N,13537.2390,E,6,0,99.99,-23.9,M,34.5,M,,*78
$GPGGA,082224.000,3445.9409,N,13537.2397,E,6,0,99.99,-23.5,M,34.5,M,,*70
$GPGGA,082226.000,3445.9340,N,13537.2592,E,1,6,1.28,-8.6,M,34.5,M,,*7B
$GPGGA,082228.000,3445.9384,N,13537.2674,E,1,5,4.26,20.5,M,34.5,M,,*6A

まとめ

  • GPS受信機からのデータをSDデータロガーシールドに保存する手順の学習ができました。GPS受信機を自作シールドに取り付けることで携帯性が向上しました。
(参考) GPS受信機の設定方法や測位データの扱い方に関連する記事

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