Arduino 入門 Lesson 68 【GPSモジュール】

子供と一緒に始めるマイコンプログラム
Arduino 入門
Lesson 68
【GPSモジュール】

こにんちは、管理人のomoroyaです。

センサーの使い方の基本を学習する入門編。

今回は、ちょっと古い型番ですがGPSモジュールを入手したのでさっそく遊んでみました。

世の中には、まだまだ色々なセンサーがあります。

これからも、色々なセンサーで遊んでいきます。

本記事はLesson 68 【GPSモジュール】です。

名前のとおりGPS衛星を補足し、NMEA プロトコルというデータフォーマットを取得できるモジュールです。

補足
NMEAは米国海洋電子機器協会（National Marine Electronics Association）が定めた規格で、受信機とナビゲーション機器の通信に使用されるプロトコル。

NMEAについては、それだけで記事が書けてしまうでの本Lessonでは割愛します。

検索すればでてくるのでそちらを参照ください。

Arduinoのライブラリを使用することで、NMEAフォーマットをあまり意識せず位置情報の取得などが可能です。

「GPSモジュール」はubloxのNEO-6シリーズを使用しています。

NEO-6シリーズは旧世代の製品です。

可能であれば、新しいシリーズを使った方がよいと考えます。

本Lessonで使用している「GPSモジュール」は以下が同等品。
※prime対応品ではありません

Ren He GY-NEO-6MV2 飛行制御 GPSモジュール 9600bps EEPROMを内蔵信号LED搭載アンテナ付き TE518対応

Ren He

※到着までに１か月以上かかるかもしれません。

Arduino入門編の解説にて使用しているArduinoは互換品です。

互換品とは言え、Arduinoはオープンソースであり複製して販売するのもライセンス的に問題なし。

そのため互換品の品質も悪くなく、それでいて値段は安いです。

正規品本体の値段程度で豊富な部品が多数ついています。

ELEGOO Arduino用UNO R3スターターキットレベルアップチュートリアル付 mega2560 r3 nanoと互換 [並行輸入品]

ELEGOO

ELEGOO Arduino用のUNO R3 最終版スタータキット UNOチュートリアル付 (63 Items)

ELEGOO

正規品（Arduino UNO R3）の本体単品がほしい方はこちらとなります。

Arduino Uno Rev3 A000066

Arduino (アルドゥイーノ)

Arduino入門編2では「Arduino UNO R4 Minima」「Arduino UNO R4 WIFI」にて遊ぶため今のところは正規品を使用。（まだ互換品が・・・ほぼない）

Arduino UNO R4 Minima [ABX00080] - Renesas RA4M1 - USB-C、CAN、DAC (12ビット)、OP AMP、SWDコネクター。

Arduino (アルドゥイーノ)

Arduino (アルドゥイーノ)

はじめに

本Lessonで使用する「GPSモジュール」は「ublox NEO-6M」が実装されたGPSモジュール。

NEO-6Mにて検索すればデータシートはすぐに見つけることができます。

NEO-6 series

Versatile u-blox 6 GPS modules…

Lesson 68 目標

本Lessonの目標は以下です。

１．GPSモジュールの使い方を学習する
２．GPSモジュールを動かすスケッチを描く
３．GPSモジュールからデータを取得する

いつものように、遊ぶことが重要です。

「GPSモジュール」ですが、ライブラリを使用するため制御はそれほど難しくありません。

NMEAフォーマットの変換には、「TinyGPS++.h」ライブラリを使用します。

また、「ublox NEO-6M」のInterfaceは以下の４種類に対応しています。

UART
USB
SPI
DDC

Arduinoのでの制御を考えるとUARTが簡単で良いかと考えます。

そのため、GPSモジュールからのデータ取得は「SoftwareSerial.h」を利用します。
※「SoftwareSerial.h」はArduinoの標準ライブラリ

UARTって何？というかたは下記を参照ください。

Arduino 入門番外編 08 【UART通信とは】

今回は、「Arduino 入門番外編 08 UART通信とは」です。arduino 入門番外編はarduino自身の基本的な内容を記事にする予定です。今回は、arduinoの「UART通信」について解説していきます。Arduinoデ…

準備

ではLessonの準備に取り掛かりましょう。

電子部品は「GPSモジュール」のみ。

液晶、電池などと合わせればパソコンなしで使えるため良いかもしれません。

作ってみても面白いかも。

必要なもの

USB接続用のPC（IDE統合環境がインストールされたPC）
→管理人が勝手に比較したBTOメーカーを紹介しています。
UNO R3(以下UNO)、おすすめUNO互換品（ELEGOO）
PCとUNOを接続するUSBケーブル
ブレッドボード安価（大）、ブレッドボード安価（中）
※おすすめブレッドボード（大）、おすすめブレッドボード（中）
M-M Jumper wire（UNOと部品をつなぐための配線）
M-F Jumper wire（UNOと部品をつなぐための配線）
M-F M-M F-F セット Jumper wire（UNOと部品をつなぐための配線）

GY-NEO-6MV2 GPSモジュール

※ブレッドボードはセンサとUNOを直接つなぐ場合不要です。
※ジャンパワイヤーは「M-M」「M-F」を必要に応じて使い分けてください。

Jumper wire、抵抗は今後も頻繁に利用します。

Jumper wireはできれば、「オス-メスオス-オスメス –メス」の３種類を揃えておくことをお勧めします。

ELEGOO 120pcs多色デュポンワイヤー、arduino用ワイヤ—ゲ—ジ28AWG オス-メスオス-オスメス –メスブレッドボードジャンパーワイヤー

ELEGOO

短めが使いやすい場合も。

ブレッドボード・ジャンパーワイヤー 40*6ピン 10cm Emith デュポンケーブル Arduino Raspberry piに適用ジャンパー線 6本セット

Emith

抵抗も単品で揃えるよりはセットをおすすめします。

OSOYOO(オソヨー)金属皮膜抵抗器抵抗セット 10Ω~1MΩ 30種類各20本入り合計600本 (600本セット)

OSOYOO

ELEGOO 17値1％抵抗器、0オーム〜1Mオーム（525本）

ELEGOO

抵抗、LEDなどを個別でセット品を購入しても、そんなに使わない！

という方は、「電子工作基本部品セット」が使い勝手が良い。

OSOYOO(オソヨー) 電子工作基本部品セット LED 5色合計100PCS 金属皮膜抵抗器 30種類合計600本電解コンデンサ 12種類合計120本セラミックコンデンサー 30種類合計300本ダイオード 8種類合計100本トランジスタ 17種類合計170本 (電子部品セット6種類)

OSOYOO

使用部品説明

「GPSモジュール」について説明していきます。

GPSモジュール　実物写真

下の写真が「GPSモジュール」の実物写真です。

本Lessonで使用するものは、「ublox NEO-6M」が実装されたモジュール。

■本体とアンテナをつないだ状態

アンテナと本体は分離可能です。

■モジュール部分の拡大図

信号ピンは上から、VCC、GND、TXD、RXD、PPSとなっています。
※本LessonではPPSは使用しません。

GPSモジュール　回路図

「GPSモジュール」の回路図を示します。

回路に興味がないかたは必ず読み飛ばしてください。

回路図を見てわかるように、RX/TXは直接NEO-6Mに接続されることがわかります。

Arduino は5V出力、NEO-6Mは3.3Vですので、接続するにはレベル変換回路を使用する必要があります。
※直接接続すると壊れる可能性があります！

ただし、NMEAフォーマットをArduino で読むだけであれば、RXは使用する必要がありません。
※Arduino の出力ピンは接続しないということ

読み出しだけであれば、GPSモジュールのTXとの接続だけで十分です。

レベル変換回路については下記で紹介しています。

手元に1つ置いておいて損はないと思います。

【電子部品紹介】双方向ロジックレベル変換モジュール

Arduino入門編にてセンサの解説をしていますが、ときおり電圧があわないといったことがあります。例えば、センサ部品の入力が3.3Vの場合。Arduinoの5V出力ピンをそのまま接続すると使用範囲外で使うことになり電子部品が壊れるといったこ…

■詳細回路図

GY-NEO-6MV2 GPSモジュールの説明から抜粋。

GPSモジュール(NEO-6M)　仕様

遊び、学習で使う分には気にする特性はとくにありません。

供給電圧が2.7V～3.6Vとなっていますが、GPSモジュールには3.3VのLDOが搭載されているためVCCに5Vを与えて問題ありません。

くどいですが、RX、TXピンにArduinoの信号ピンを接続するときは、レベル変換(5V → 3.3V)が必要です。

注意
RX/TXにArduinoのピンを
直接つなぐ場合は自己責任でお願いします。
使用範囲外です！

【電子部品紹介】双方向ロジックレベル変換モジュール

といっても、本Lessonでは読みだしだけできればよいのでRXは使用しません。

Arduino　5V　⇔　GPS　VCC
Arduino　TX　 →　GPS　RX（ここは接続しない！）
Arduino　RX　← 　GPS　TX
Arduino　GND ⇔　GPS　GND

■仕様抜粋

項目	仕様
供給電圧	2.7V ～ 3.6V
消費電力	111mW@3.0V(continuous)
動作温度	-40℃ ～ 85℃
Serial interface	1 UART / 1 USB / 1 DCC / 1 SPI
Serial and I/O	2.7V ～ 3.6V
Maximum Navigation update rate	５Hz
CFG＿COM1/CFG＿COM0	左記ピンのデフォルトは１/１設定のため UARTaud rate：9600bps
CFG_GPS0	左記ピンのデフォルトは１設定のため Maximum Performance Mode

測定間隔はデフォルトで1000msとなっているようです。

測位間隔を上げたい場合はNEO-6Mにアクセスして設定変更が必要。

設定変更したい場合はソフトウェアをダウンロードしパソコンと接続する必要があります。

u-center

GNSS evaluation software for Windows…

パソコンとの接続はUSBとなるため、USB接続のためのコンバータが必要↓。

KKHMF 2個 FT232RLモジュール 5V 3.3V USB to TTL シリアルコンバーターアダプターモジュール Arduinoに対応

KKHMF

本Lessonは遊び、学習を想定しています。

Arduinoの仕様範囲内で使用していれば問題になることもありません。

遊び、学習以外での使用用途をお考えの場合はデータシートを必ず確認しましょう。

実践回路作成とコード作成

最初に回路図を確認してください。

次に、回路図に合わせて部品を接続します。

最後にコードを書いて、「GPSモジュール」を動かしていきましょう。

Arduinoのピン配置を確認したい方は番外編02を参照してください。

Arduino 入門番外編 02 【外観とピン配置】

本日は、番外編02 Arduino UNO R3 外観とピン配置です。arduinoの入門編を書いていて、arduino自体の説明をしたいと考えていました。やはり、arduino自身のことを理解しておいた方が良いですよね。ということで番外編…

回路図

Arduinoの使用ピンは以下。

Serial入力(RX)：8
Serial出力(TX)：7　←　使わない！
5V、GND

回路図がこちら。

こちらがブレッドボード図。

回路図は「fritzing」を利用しています。

「fritzing」の使い方は下記を参照してください。

Arduino 入門番外編 01 【回路図を書こう fritzing】

UNOの実際の回路を写真で掲載しても、接続がわかりずらいかなと考えていました。前々から「fritzing」を利用して回路を描くことで、わかりやすくしたいと考えていました。そこで本日は、「fritzing」のインストールと回路図を描くことに挑…

接続

下図に示すように、用意した部品を使用して接続しましょう。

部品は「GPSモジュール」のみとなります。

部品はわずかであるため接続は簡単です。

使用するポートは

Serial入力(RX)：8
Serial出力(TX)：7　←　使わない！
5V、GND

穴に挿入しづらいときは、ラジオペンチなどを使用してください。

コードの書き込み

接続が終わったら、USBケーブルを使用してUNOにプログラムを書き込んで行きましょう。

コードを書き終えたら、いつでも利用できるように「ファイル」⇒「名前を付けて保存」で保存しておきましょう。

本Lesssonのスケッチは下記を参考にしています。

TinyGPS++ | Arduiniana

…

コマンド説明

本Lessonでは、「SoftwareSerial.h」「TinyGPS++.h」のライブラリを使用します。

簡単に関数を説明しておきます。

■「SoftwareSerial.h」

関数名	説明
SoftwareSerial xxx(rxPin, txPin)	xxxという新しいSoftwareSerialオブジェクトの作成 rxPin：データを受信するピン txPin：データを送信するピン
xxx.begin(speed)	シリアル通信のスピード(ボーレート)を設定 speed： 300、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、31250、38400、57600、115200
xxx.available()	ソフトウェアシリアルポートのバッファに何バイトのデータが到着しているかを返す
xxx.read()	受信した文字を返す戻り値：読み込んだ文字、ない場合は-1

■「TinyGPS++.h」

本Lessonで使用したもの以外もあります。

詳細は下記で確認ください。

TinyGPS++ | Arduiniana

…

isValid()、isUpdated()のどちらを使うのかは使用に合わせて選択ください。

関数名	説明
TinyGPSPlus xxx	xxxという新しいTinyGPSPlusオブジェクトの作成
xxx.encode()	到着した文字()をArduinoに送信
xxx.location.isValid()	オブジェクトに有効なデータが含まれているかどうか、およびクエリを実行しても安全かどうかを示す
xxx.location.isUpdated()	最後にクエリを実行してからオブジェクトの値が更新されたかどうかを示す
xxx.date.year()	最新の修正日　年（UT）
xxx.date.month()	最新の修正日　月（UT）
xxx.date.day()	最新の修正日　日（UT）
xxx.satellites.value()	使用中である衛星の数
xxx.location.lat(), 6	現在地の緯度、小数点以下6桁
xxx.location.lng(), 6	現在地の経度、小数点以下6桁
xxx.altitude.meters()	高度（m）
xxx.speed.kmph()	対地速度（km/h）

サンプルコード１

まずは、単純にNMEAフォーマットをシリアルモニタに読み出してみます。

読み出すだけであれば、「TinyGPS++.h」は必要ありません。

//Lesson 68-1 GY-NEO-6M GPS Sensor
//GPSセンサッモジュールでNMEAフォーマトを読む
//https://omoroya.com/

#include <SoftwareSerial.h>

const int P_RX = 8; //Arduinoで受信するピンの設定
const int P_TX = 7; //設定するが接続しない

SoftwareSerial mySS(P_RX, P_TX); //mySSというオブジェクトの作成

void setup() {
  Serial.begin(9600); //シリアル通信のスピード(ボーレート)を設定
  mySS.begin(9600);   //mySSシリアル通信のスピード(ボーレート)を設定
}

void loop() {
  //データが有効であれば読み出し
  if (mySS.available()) {
    Serial.write(mySS.read());
  }
}

動作確認１

では、さっそく動作を確認していきます。

まず、GPSモジュールは窓際、もしくは外で使用する必要があります。

おそらく、室内では衛星を補足することはできません・・・。

GPSモジュールの電源をONにすると実装されているLEDが点灯します。

補足
LED点灯後、衛星を補足することができればLEDが点滅にかわります。
スケッチとは無関係の動作です。
まずは電源を入れてGPSモジュールの点滅を確認してください。
点滅するまでに、それなりの時間をようします。
点滅しなければ、外に出てみる。
それでも、点滅しなければ壊れているかも・・・。

シリアルモニタを開いて読みだしたデータをみてみましょう。

■シリアルモニタの結果

「$GP＊＊」などから始まるセンテンスと呼ばれる1行ごとの文字列がカンマ区切り形式で出力されます。

いわゆる「NMEAフォーマット」です。

これでも、読めないこともないのですが・・・。

ということで、「TinyGPS++.h」の出番です。

サンプルコード２

「TinyGPS++.h」ライブラリを利用して「NMEAフォーマット」からほしい情報のみ取り出します。

//Lesson 68-2 NEO-6M GPS Sensor
//GPSセンサッモジュールでNSMフォーマトから欲しい情報のみ取り出す
//https://omoroya.com/

#include <TinyGPS++.h>
#include <SoftwareSerial.h>

const int P_RX = 8; //Arduinoで受信するピンの設定
const int P_TX = 7; //設定するが接続しない

TinyGPSPlus gps;                 //gpsというオブジェクトの作成
SoftwareSerial mySS(P_RX, P_TX); //mySSというオブジェクトの作成

void setup() {
  Serial.begin(9600); //シリアル通信のスピード(ボーレート)を設定
  mySS.begin(9600);   //mySSシリアル通信のスピード(ボーレート)を設定
}

void loop() {
  //データが有効であれば読み出し
  while (mySS.available() > 0){
    if (gps.encode(mySS.read())){
      //Serial.println("gps start");
      display_monitor();
    }
  }
}

void display_monitor() {

  //GPS情報が正常に更新されていたら表示
  if (gps.location.isUpdated()) {

    //年、月、日、衛星数、緯度、経度、高度、対地速度の表示
    Serial.print(gps.date.year());  // 年 (2000+) (u16)
    Serial.print("-");
    Serial.print(gps.date.month()); // 月 (1-12) (u8)
    Serial.print("-");
    Serial.print(gps.date.day());   // 日 (1-31) (u8)
    Serial.print(" SateNum=");
    Serial.print(gps.satellites.value()); //衛星数
    Serial.print(" LAT=");
    Serial.print(gps.location.lat(), 6);  //緯度
    Serial.print(" LNG=");
    Serial.print(gps.location.lng(), 6);  //経度
    Serial.print(" ALT=");
    Serial.print(gps.altitude.meters());  //高度
    Serial.print(" SPEED=");
    Serial.print(gps.speed.kmph());       //対地速度
    Serial.println(" ");
  }
}