Продвинутый трекер для походов на Arduino: GPS, датчики и батарейный блок

Компоненты и материалы

Arduino 101 — 1 шт.
АА батареи (4 шт.) + держатель 4×AA — 1 компл.
Accessory Shield (Waveshare) — 1 шт.
Датчик давления BMP180 (Adafruit) — 1 шт.
GPS-модуль Adafruit Ultimate GPS Breakout — 1 шт.
Магнетометр 3-осевой (Adafruit HMC5883) — 1 шт.
Датчик влажности AM2320 (Adafruit) — 1 шт.
Элемент питания CR2012 (для RTC) — 2 шт.
Резисторы: 10 кОм, 3.9 кОм — по 1 шт.

Необходимые инструменты

Клеевой пистолет
Паяльник

Необходимые инструменты и сервисы

Arduino IDE

О проекте

Что такое Hiking Tracker?

Устройство для мониторинга изменения окружающей среды туриста во время похода: температура, давление, влажность, высота, местоположение, направление. Дает интересные сведения о процессе ходьбы.

В горах холодно, сухо, разреженный воздух — многим трудно дышать, бывает раздражение кожи. Это устройство помогает узнать свои пределы. Также интересно знать высоту! Не только горы, но и болота, пустыни, леса — у каждого уникальный экологический профиль, мониторинг в движении помогает лучше понять природу.

Продвинутый трекер для походов на Arduino: GPS, датчики и батарейный блок

Видео-демонстрация

Шаг 1: Железо — что за что отвечает

Много датчиков. Accessory Shield имеет на борту I2C-устройства:

LM75B — температура окружающей среды
ADXL345 — 3-осевой акселерометр (наклон, гравитация)
DS3231 — высокоточный RTC (время)
HMC5883 — 3-осевой магнетометр (компас)
AM2320 — влажность (% RH)
BMP180 — атмосферное давление и высота
MTK3339 GPS — координаты и пройденное расстояние

На самом Arduino Uno (через шилд):

Делитель напряжения 3.9к + 22к — измерение напряжения 4×AA
OLED 1306 — вывод данных
Зуммер — сигнализация
RGB LED — не используется
XBee интерфейс — не используется, но пины D2, D3, D9, D10 доступны (D2 подключен к RESET, позволяет программный сброс)
Джойстик и потенциометр — не используются

Шаг 2: Модификация и подключение железа

Arduino Uno смонтирована на держателе 4×AA с стойками и клеем.

Установлены 4×AA и CR1220 (для RTC).

Между держателем и Arduino размещаются датчики давления, влажности, магнитного поля и GPS.

I2C-датчики спаяны на куске монтажной платы и помещены в это пространство.

Подключение датчиков к Arduino с нижней стороны.

Добавлен делитель напряжения для измерения заряда АА-батарей.

Линия измерения напряжения АА идет на АЦП A1.

Джойстик шилда задействует A1 через A5, поэтому он выпаян и удален.

Паяльными перемычками на Accessory Shield (см. схему) выводятся D2 (soft reset), D3, D9, D10 на XBee-разъем.

Стек компонентов:

Верхний слой: Accessory Shield на Arduino
Средний слой: остальные датчики и GPS между Uno и батарейным отсеком
Нижний слой: держатель 4×AA с батареями

Шаг 3: Программирование устройства

Использован Arduino IDE Build 1.8.5. Все библиотеки установлены через Library Manager или как ZIP.

После добавления библиотек изучены примеры для каждого датчика, определены API. Все заголовки включены в один скетч.

Список заголовочных файлов

math.h, inttypes.h, Wire.h, lm75.h, ADXL345.h, ChainableLED.h, U8glib.h, ds3231.h,
Adafruit_Sensor.h, Adafruit_AM2320.h, Adafruit_BMP085_U.h, Adafruit_HMC5883_U.h, Adafruit_GPS.h

После множественных правок, компиляций, отладки (включая плохие контакты — обнаружил, что BMP180 работает без VCC из-за утечки питания по I2C) и загрузки код готов.

Оговорки и ограничения

Высота рассчитывается по падению давления — работает только в нормальных погодных условиях.
Компас не имеет программной компенсации наклона — устройство нужно держать горизонтально. На экране фиксированный внешний круг компаса и внутренний переменного радиуса. При наклоне внутренний круг растет. Когда устройство выровнено (X и Y акселерометра ≈ 0) внутренний круг сходится в точку — тогда азимут точен.
Магнитное склонение зависит от местоположения и вариаций поля Земли (солнечные бури). Без учета склонения азимут будет с ошибкой в несколько градусов. Узнать склонение: https://www.magnetic-declination.com
Компас чувствителен к близким магнитным объектам (магнитные минералы в горах).
Минимальное рабочее напряжение ~4.5 В — тогда нужно менять АА-батареи.
Время и дата прошиваются в коде. Для смены времени нужно извлечь и вставить элемент CR1220, затем загрузить прошивку с новым временем.
Во время разработки GPS-модуля не было — вшиты демо-координаты. Для повторения нужно подключить GPS-библиотеку и код.
Плоскость XY акселерометра и магнетометра зависит от монтажа на плате — код требует подстройки.
Показания акселерометра чувствительны к вибрации — используйте в покое.

Перспективы улучшения

Прошивка:

Периодическое логирование параметров в EEPROM
Зуммер при достижении высотных/географических вех
Напоминание выпить воды, сделать перерыв
Тревога низкого заряда
Тревога низкой температуры/влажности
Программная компенсация наклона компаса (много тригонометрии)
Автополучение склонения через GPS и IoT-шлюз

Железо:

Кнопки пользовательского ввода для настройки времени, склонения
Корпус из 3D-печати
Литий-полимерный аккумулятор
Компактная однонапряженная плата для портативности

Заключение

Путешествия и походы круты, а возможность отслеживать изменения среды делает их интереснее. Особенно — наблюдать за высотой, влажностью, давлением и температурой за несколько часов ходьбы. Устройство показывает, на какой высоте начинается высотная болезнь, при какой влажности кожа сохнет. Несмотря на поле для улучшений в схеме и коде, это крутой гаджет для дикой природы!

Внешние ресурсы

https://www.waveshare.com/wiki/Accessory_Shield

Исходный код

Hiking_Tracker.ino (C/C++)

/*/////////// NOTE ////////// D2 allows soft reset assertable from code D3,D9,D10 are available through 12,13,16 of xbee interface D4, D13 are not accessable ///////////////////////////*/
//// HEADER FILES FOR LIBRARY /////
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "U8glib.h"
#include "ds3231.h"
#include "Adafruit_Sensor.h"
#include "Adafruit_AM2320.h"
#include 
#include 
#include 

///////////////////////RTC Variables///////////////////
uint8_t time[8];
struct ts t;
int s, m, h, dy, mo, yr;

///////////////// Accelerometer Variables/////////////
float X=0.0, Y=0.0, Z=0.0, Gravity = 0.0;

///////////////// Magnetometer Variables/////////////
float Xm=0.0, Ym=0.0, Zm=0.0;

/////////////////////// RGB LED Variables///////////////
const int rgb_pwr = 12;
const int clk_pin = 6;
const int data_pin = 5;
float hue = 0.0;
boolean up = true;

////////////////////// potentiometer///////////////////
int pot=0;

//////////////////// Batt/Supply Vin /////////////////
float Vbatt =0.0;

//////////////////////Thermometer////////////////////
float temp = 0.0;

///////////////////// Humidity///////////////////////
float humid = 0.0;

////////////////////Air pressure////////////////////
double prsr = 0.0;

////////////////////Altitude ////////////////////
float alt = 0.0;

//////////////// Lat, Long////////////////////
float lat = 0.0, lon = 0.0;

////////////////Compass Heading/////////////////
float heading =0.0;

/////////////////// Other Variables ///////////////
int mstime =0;
int sensor_selector = 1;

//////////// ENUM //I2C Device type Object /////////////////
U8GLIB_SSD1306_128X64 u8g(U8G_I2C_OPT_NONE|U8G_I2C_OPT_DEV_0);
TempI2C_LM75 termo = TempI2C_LM75(0x48,TempI2C_LM75::nine_bits);
ADXL345 accelerometer;
ChainableLED leds(clk_pin, data_pin, rgb_pwr, 1);
Adafruit_AM2320 am2320 = Adafruit_AM2320();
Adafruit_BMP085_Unified bmp180 = Adafruit_BMP085_Unified(10085);
Adafruit_HMC5883_Unified mag = Adafruit_HMC5883_Unified(12345);

// uncomment to enable GPS (Serial debugging won't be available)
//HardwareSerial mySerial = Serial;
//Adafruit_GPS GPS(&mySerial);

void setup(void) {
  // 1.1V Internal Analog Ref
  // analogReference(INTERNAL);
  
  // Signals for OLED on Accessory Shield (solder bridges needed for D2,D3,D9,D10)
  pinMode(2,1); // self reset D2 to RST
  pinMode(3,1); // outs at xbee int 12
  pinMode(9,1); // outs at xbee int 13
  pinMode(10,1);// outs at xbee int 16
  digitalWrite(2,HIGH); digitalWrite(3,HIGH); digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,HIGH);
  pinMode(7,1); pinMode(8,1); digitalWrite(7,HIGH); digitalWrite(8,LOW);
  
  // 10k POT on A0
  // Vin Batt/Supply on A1 (3.91k/21.76k)
  
  // Serial Comm for Debuging (optional)
  // Serial.begin(9600);
  
  // Accel Init Waiting
  if (!accelerometer.begin()) delay(50);
  
  // RTC Interrupt enabling
  DS3231_init(DS3231_INTCN);
  
  // Buzzer Init
  pinMode(11,1); digitalWrite(11,LOW);
}

void loop(void) {
  u8g.firstPage();
  do { draw(); } while( u8g.nextPage() );
  
  sensor_selector++;
  if (sensor_selector >= 3) sensor_selector = 0;
  
  // Temperature Fetch API
  temp = termo.getTemp();
  delay(5);
  
  // Pressure Fetch API
  if(sensor_selector == 0) {
    if(!bmp180.begin()) delay(11);
    sensors_event_t event;
    bmp180.getEvent(&event);
    if (event.pressure) {
      prsr = event.pressure/10; // hPa to kPa
      delay(50);
    }
  }
  
  // GPS Init (commented)
  //GPS.begin(9600);
  
  // Altitude Fetch API
  if(sensor_selector == 0) {
    sensors_event_t event;
    bmp180.getEvent(&event);
    alt = bmp180.pressureToAltitude(1013.25, event.pressure);
    delay(50);
  }
  
  // Humidity Sensor Init
  if(sensor_selector == 1) {
    am2320.begin();
    delay(50);
    humid = am2320.readHumidity();
    delay(50);
  }
  
  // Acceleration Fetch API
  Vector norm = accelerometer.readNormalize();
  X = norm.XAxis; Y = norm.YAxis; Z = norm.ZAxis;
  Gravity = sqrt(X*X + Y*Y + Z*Z) - 0.3; // offset
  
  // Time Fetch API
  DS3231_get(&t);
  s = t.sec; m = t.min; h = t.hour; dy = t.mday; mo = t.mon; yr = t.year;
  
  // Pot Position Fetch
  pot = analogRead(A0)*5/(10*3);
  delay(2);
  
  // VBatt/Supply Fetch
  Vbatt = (1.08*analogRead(A1)/1023)/3.91*((3.91+21.76));
  delay(2);
  
  // Compass Heading
  if(sensor_selector == 2) {
    if(!mag.begin()) { while(1); }
    delay(70);
    sensor_t sensor2;
    mag.getSensor(&sensor2);
    delay(70);
    float declination = 0.0;
    sensors_event_t event2;
    mag.getEvent(&event2);
    heading = atan2(event2.magnetic.y, event2.magnetic.x);
    heading += declination;
    if(heading < 0) heading += 2*PI;
    if(heading > 2*PI) heading -= 2*PI;
    heading = heading * 180/M_PI;
  }
  
  // Buzzer Control
  if (pot > 80) digitalWrite(11,1); else digitalWrite(11,0);
  
  // RGB LED Control
  if(pot > 40) {
    leds.pwr_set(PWR_ENABLE);
    for (byte i=0; i<1; i++) leds.setColorHSB(i, hue, 1.0, 0.5);
    if (up) hue += 0.025; else hue -= 0.025;
    if (hue >= 1.0 && up) up = false;
    else if (hue <= 0.0 && !up) up = true;
  }
  
  // Self Reset (commented)
  // digitalWrite(2,LOW);
}

void draw(void) {
  u8g.setFont(u8g_font_7x13);
  u8g.drawHLine(37, 0, 62);
  u8g.setPrintPos(41, 12); if(h<10) u8g.print(0); u8g.print(h); u8g.drawStr(54,12,":");
  u8g.setPrintPos(62, 12); if(m<10) u8g.print(0); u8g.print(m); u8g.drawStr(75,12,":");
  u8g.setPrintPos(83, 12); if(s<10) u8g.print(0); u8g.print(s);
  u8g.drawHLine(37, 14, 62);
  u8g.setFont(u8g_font_5x8);
  u8g.drawVLine(37, 0, 14);
  u8g.setPrintPos(0, 7); if(dy<10) u8g.print(0); u8g.print(dy); u8g.drawStr(11,7,"/");
  u8g.setPrintPos(17, 7); if(mo<10) u8g.print(0); u8g.print(mo); u8g.drawStr(0,16,"/");
  u8g.setPrintPos(6, 16); u8g.print(yr);
  u8g.drawVLine(99, 0, 14);
  u8g.drawStr(104,7,"BATT");
  u8g.setPrintPos(102, 15); u8g.print(Vbatt); u8g.drawStr(123,15,"V");
  
  u8g.print(round(temp)); u8g.drawStr(55,25,"'C");
  u8g.setFont(u8g_font_5x8);
  u8g.setPrintPos(15, 40); u8g.print(round(X));
  u8g.setPrintPos(60, 40); u8g.print(round(Y));
  u8g.setPrintPos(100, 40); u8g.print(round(Z));
  
  u8g.drawVLine(37, 18, 36);
  u8g.drawStr(39,24,"AIR TEMP: "); u8g.setPrintPos(85,24); u8g.print(temp); u8g.drawStr(118,24,"C");
  u8g.drawStr(39,34,"HUMIDITY: "); u8g.setPrintPos(85,34); u8g.print(humid); u8g.drawStr(118,34,"%");
  u8g.drawStr(39,44,"PRESSURE: "); u8g.setPrintPos(85,44); u8g.print(prsr); u8g.drawStr(118,44,"hP");
  u8g.drawStr(39,54,"ALTITUDE: "); u8g.setPrintPos(85,54); u8g.print(round(alt)); u8g.drawStr(118,54,"m");
  u8g.drawHLine(0, 56, 128);
  u8g.drawStr(19,64,"LAT:"); u8g.setPrintPos(39,64); u8g.print(23.57); // Demo
  u8g.drawStr(69,64,"LONG:"); u8g.setPrintPos(94,64); u8g.print(90.36); // Demo
  
  int r = round(sqrt(X*X + Y*Y));
  u8g.drawStr(0,22,"heading");
  u8g.drawCircle(18, 34, r, U8G_DRAW_ALL); // inner leveling circle
  u8g.drawCircle(18, 34, 10, U8G_DRAW_ALL); // outer fixed circle
  u8g.setPrintPos(0, 53); u8g.print(heading);
  
  if ((heading>315)|(heading<=45)) u8g.drawLine(18,34,8,34);     // N
  if ((heading>45)&(heading<=135)) u8g.drawLine(18,34,18,24);   // E
  if ((heading>135)&(heading<=225)) u8g.drawLine(18,34,28,34);  // S
  if ((heading>225)&(heading<315)) u8g.drawLine(18,34,18,44);   // W
}