Точные GPS-часы на Arduino: доступная точность и надёжность

Компоненты и материалы

Arduino UNO	×	1
LCD-дисплей (20×4 с I2C-адаптером, либо 16×2)	×	1
Breadboard	×	1
Перемыжки	×	1
GPS-приёмник (GY-GPS6MV2 с u-blox NEO-6M)	×	1

Программное обеспечение

• Arduino IDE

Ранее использовал RTC-модули или NTP. Здесь — время из NMEA-строк GPS-спутников.

GPS-приёмники сегодня очень дешёвы (GY-GPS6MV2).

Тестирование приёмника

1. На Windows (опционально): установите u-center от u-blox. Через FTDI-адаптер подключите приёмник к COM-порту. Через ~1 мин получите фиксацию (красный светодиод мигает). В меню View → F8 Text Console — NMEA-строки.
2. Онлайн-декодер: https://rl.se/gprmc — вставьте строку, получите расшифровку.

Убедившись в работоспособности (нужен обзор неба), извлечём нужные данные.

Схема подключения

• Arduino A4 (SDA) → LCD SDA
• Arduino A5 (SCL) → LCD SCL
• GPS VCC → 5V, GND → GND
• GPS TX → Arduino D8, GPS RX → Arduino D7 (SoftwareSerial)

GPS-толерантен к 3.3/5В.

Библиотеки

• Adafruit_GPS (через Library Manager)
• SoftwareSerial (встроена)
• Wire + LiquidCrystal_I2C для дисплея

Часы: время, дата, скорость ветра, высота

NMEA даёт время в UTC. Перевод в локальную зону — наша задача. Для Европы/Берлина: int timezone = +1;

int hour = GPS.hour + timezone;
if (hour < 10) lcd.print('0');
lcd.print(hour); lcd.print(':');
// аналогично минуты, секунды

Скорость в узлах → км/ч: float speed = GPS.speed * 1.852;

Оценка по шкале Бофорта (Википедия):

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");

Высота: GPS.altitude (метры).

Результат на дисплее (20×4):

• Строка 1: время HH:MM:SS
• Строка 2: дата DD.MM.YY
• Строка 3: скорость км/ч + вербальная оценка ветра
• Строка 4: высота

Обновление каждые 2 секунды. Можно убрать секунды и высоту для 16×2 дисплея.

В Европе также есть DCF77 (радиосигнал), но он дороже и капризнее.

Код (GPS_SoftwareSerial_Parsing_ilo)

// Test code for Adafruit GPS modules using MTK3329/MTK3339 driver
// Modified 01.02.2020 - Ingo Lohs
// GPRMC & GPGGA decoder: https://rl.se/gprmc

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 20, 4); // адрес 0x27 или 0x3F

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

SoftwareSerial mySerial(8, 7); // RX=8, TX=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 default
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_OUTPUT_RMCGGA); // RMC + GGA (fix + altitude)
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_UPDATE_1HZ);    // 1 Hz update
  GPS.sendCommand(PGCMD_ANTENNA);               // antenna status
  delay(1000);
  mySerial.println(PMTK_Q_RELEASE);             // firmware version
}

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; // knots → km/h
      lcd.print(speed);
      // Wind scale
      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);
    }
  }
}

Приятного изучения возможностей GPS!