Osobní GPS asistent
Bakalářská práce
Studijní program: B2646 – Informační technologie Studijní obor: 1802R007 – Informační technologie Autor práce: Lukáš Jon
Vedoucí práce: Ing. Tomáš Martinec, Ph.D.
Liberec 2016
1.6.2016
Poděkování
Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu bakalářské práce Ing. Tomáši Martincovi, Ph.D. za odborné vedení, vstřícnost a cenné rady.
Dále také rodině a přátelům za morální podporu. V neposlední řadě děkuji Bc. Lukáši Hůlovi za pomoc s konstrukcí a sestavením výsledného zařízení.
Abstrakt
Tato práce se zabývá analýzou prostředků pro zobrazování polohy, návrhem a konstrukcí osobního GPS asistentu, který je možné využít při navigaci v přírodě. Asistent byl zkonstruován s použitím platformy Arduino Me- ga2560 a rozšířen o moduly, které usnadňují pohyb a orientaci v neznámém terénu. Umožňuje zobrazení barevných mapových podkladů, na kterých je vykreslena aktuální poloha. Pomocí zařízení je možné navigovat k zadané- mu bodu a zaznamenávat ušlou trasu do souboru. Uživatel může také číst textové soubory na paměťové kartě a monitorovat teplotu a vlhkost okolního vzduchu. Při návrhu byl kladen důraz na intuitivní ovládání a rozměry, kte- ré neovlivní schopnost dlouhodobého používání.
Klíčová slova
Arduino, GPS, navigace, mapy, turistika
Abstract
This thesis analyses methods of displaying a geographical location and con- tains a design and instructions for constructing a GPS assistant, which can be used for outdoor navigation. The assistant was made using Arduino Mega2560 platform and extended by modules, which simplify travelling and orientation in unknown terrain. It allows displaying of maps and synchro- nize them with current location. It can be used to navigate to desired way- point and record routes in files. User can also read text files saved on a memory card and monitor air humidity and temperature. The design com- prises a requirement for intuitive controls and small dimensions, allowing for longer time period usage.
Key words
Arduino, GPS, navigation, maps, tourism
Obsah
1 Úvod ... 9
2 Existující možnosti sledování polohy ... 11
2.1 Outdoorové GPS navigace ... 11
2.2 GPS lokátory ... 12
2.3 Chytré telefony a tablety ... 14
2.4 Sportovní hodinky a sporttestery... 16
2.5 Automobilové navigace ... 18
3 Koncepce GPS asistenta ... 20
3.1 Dílčí požadavky GPS asistenta ... 20
4 Výběr komponent ... 22
4.1 Mikroprocesorová jednotka ... 22
4.2 LCD displej a čtečka SD karet ... 24
4.3 GPS modul ... 26
4.4 Modul reálného času ... 27
4.5 Teplota a vlhkost vzduchu ... 28
5 Kompletace zařízení ... 29
5.1 Box ... 29
5.2 LCD displej a čtečka paměťových karet ... 29
5.3 GPS modul ... 31
5.4 Modul reálného času ... 31
5.5 Senzor teploty a vlhkosti vzduchu ... 31
5.6 Ovládací prvky ... 31
5.6.1 Rotační enkodér ... 32
5.6.2 Mechanické spínače ... 32
6 Provoz ... 34
6.1 Hlavní menu ... 34
6.1.1 Mapové podklady ... 34
6.2 Menu navigace ... 36
6.3 Soubory na paměťové kartě... 36
6.4 Informace ze senzorů ... 37
7 Napájení ... 37
8 Shrnutí ... 39
Přílohy ... 42
Obsah přiloženého CD ... 42
Seznam obrázků
Obrázek 2-1: Outodoorová navigace Garmin Montana 650t ... 12Obrázek 2-2: GPS lokátor T300 společnosti T-Mobile ... 13
Obrázek 2-3: Sportovní hodinky Leikr-1 s GPS navigací ... 17
Obrázek 2-4: Automobilová navigace TomTom XL 340S ... 19
Obrázek 4-1: Arduino Mega2560 R3 ... 22
Obrázek 4-2: Vývojové prostředí Arduino IDE 1.0.6 ... 23
Obrázek 4-3: LCD displej ... 24
Obrázek 4-4: schéma pinů LCD modulu TFT-320QVT ... 25
Obrázek 4-5:Obrázek 4 5: GPS modul Ublox Neo-6M ... 26
Obrázek 4-6: Modul reálného času DS1302 ... 28
Obrázek 4-7: senzor teploty a vlhkosti DHT22 ... 28
Obrázek 5-1: modul s odpory pro LCD a čtečku karet... 30
Obrázek 5-2: Schéma zapojení tlačítek ... 33
Obrázek 6-1: Menu navigace ... 35
Obrázek 6-2: Menu procházení souborů ... 37
Obrázek 7-1: Osobní GPS asistent ... 38
9
1 Úvod
Již dlouhou dobu se zajímám o nevšední produkty z oboru technických zaří- zení, které mohou člověku ulehčit práci a slouží jako pomocníci při běžných činnostech každodenního života. Zároveň jsem také vášnivým turistou a rád podnikám dlouhé cesty nejen po památkách, ale i do přírody. Ze spojení těchto dvou mých zálib vzešla myšlenka zkonstruovat příruční či nositelné zařízení, které by bylo možné mít neustále u sebe a které by bylo schopné poskytovat užitečné informace o průběhu cesty, umožňovalo uživateli orien- taci v terénu, případně shromažďovalo data o okolním prostředí. V průběhu práce budu často odkazovat na výraz "outdoorové použití", znamenající pou- žití venku nebo v přírodě, u kterého platí jistý předpoklad vystavení ven- kovním povětrnostním vlivům.
V dnešní době, kdy jde vývoj nových technologií kupředu každým rokem a je kladen velký důraz na minimalizaci rozměrů jednotlivých součástek a celých zařízení, je možné vybrat si z široké palety produktů, které jsou přímo urče- ny pro stejné použití, kterého se tímto projektem snažím obsáhnout. Jsou jimi především outdoorové GPS navigační moduly, případně aplikace pro chytré telefony a tablety, které umožňují použití při turistice, geocachingu a další aktivitách. Avšak návrh těchto zařízení se s ohledem na specifické použití z pohledu podporovaných funkcí v mnohých případech téměř nemění a inovace tak spočívá především ve zlepšení určování polohy a obměně designu.
Na druhou stranu se však najdou výjimky, které se uživatelům snaží přinést nová rozšíření, která tak zvyšují pohodlí při používání a také celkové mož- nosti využití. Nevýhodou takových zařízení bývá zpravidla vysoká pořizovací cena, kvůli které se produkt dostává mimo dosah občasných uživatelů.
Při návrhu tohoto projektu jsem si dal za cíl vytvořit zařízení, které bude postaveno na univerzální platformě a bude uživateli poskytovat široké mož-
10
nosti využití. Zároveň kladu značný důraz na relativně snadnou rozšiřitel- nost v případě požadavku na další specifické funkce.
11
2 Existující možnosti sledování polohy
Vzhledem k tomu, že prostředků sledování polohy v reálném čase je velké množství, pokusil jsem se je rozčlenit do hlavních kategorií, u kterých popi- suji jejich hlavní princip fungování a uvádím u nich také jejich hlavní před- nosti a nedostatky.
2.1 Outdoorové GPS navigace
GPS navigace jsou nejpoužívanějším zařízením pro monitorování polohy a zaznamenávání trasy při pohybu v terénu. Celkový výčet funkcí se mimo jiné odvíjí od značky výrobce, především ale od cenové kategorie. Zpravidla jsou tyto navigace odolné proti prachu a vodě mezi jejich funkce patří větši- nou záznam trasy, navigace k určenému bodu, kompas, často také barometr, kalkulačka, stopky a další. U vyšších modelů můžeme najít například ve- stavěné fotoaparáty či svítilny. Outdoorové navigace bychom mohli ještě dá- le dělit podle zobrazovacích schopností na mapové a nemapové. Mapové na- vigace umožňují zobrazit mapové podklady na displeji, díky čemuž může uživatel nejen sledovat trasu, ale také se jednoduše orientovat v okolním prostředí a ručně z mapy volit další cíle, ke kterým chce navigovat. Nema- pové aplikace zpravidla uživateli nabídnou záznam ušlé trasy a navigaci k cíli, u kterého však musí znát jeho přesnou GPS pozici.
Jedním z nejznámějších výrobců outdoorových GPS navigací v České repub- lice je společnost Garmin, která nabízí několik řad, lišících se svými vlast- nostmi a funkcemi. Z těch nižších můžeme jmenovat například sérii Etrex a Dakota, z vyšších pak řadu Montana, která disponuje například multido- tykovým LCD displejem nebo fotoaparátem. Zajímavostí u navigací Garmin je řada Monterra, která, na rozdíl od ostatních modelů, využívá operační systém Android a, až na GSM konektivitu, obsahuje veškeré funkce moder- ních chytrých telefonů, přičemž si stále drží vysokou odolnost proti povětr- nostním podmínkám a dlouhou výdrž baterie. Její nevýhodou je však pořizo- vací cena, která překračuje hranici 15 000 Kč.
Mezi další významné výrobce outdoorových navigací patří například spole nosti Holux, Canmore nebo Magellan, jehož produkty našly
uplatnění i v ozbrojených složkách mnoha států.
Obrázek 2-1: Outodoorová navigace Garmin Montana 650t
Hlavní výhody outdoorových navigací:
• ochrana proti povětrnostním vlivům
• dlouhá výdrž baterie (často kolem 20 hodin)
• jednoduchá výměna baterií
Hlavní nevýhody outdoorových navigací:
• jednostrannost použití
• výběr z omezeného rozsahu funkcí
• často vysoká pořizovací cena (až 30 000 Kč)
2.2 GPS lokátory
GPS lokátor, u nás často také ozn
GPS tracker, také slouží k zaznamenání pohybu objektu nebo osoby. Na rozdíl od GPS navigace však není jeho účelem zobrazovat polohu na displeji nebo navigovat k předem zvolenému cíli. Uplatnění nachází GPS lokátor především v případech, kdy
Může se tak jednat o automobil
12
Mezi další významné výrobce outdoorových navigací patří například spole nosti Holux, Canmore nebo Magellan, jehož produkty našly
uplatnění i v ozbrojených složkách mnoha států.
: Outodoorová navigace Garmin Montana 650t zdroj: www.garmin.cz
Hlavní výhody outdoorových navigací:
ochrana proti povětrnostním vlivům
dlouhá výdrž baterie (často kolem 20 hodin) jednoduchá výměna baterií
Hlavní nevýhody outdoorových navigací:
jednostrannost použití
výběr z omezeného rozsahu funkcí
často vysoká pořizovací cena (až 30 000 Kč)
GPS lokátor, u nás často také označovaný z angličtiny přejatým výrazem GPS tracker, také slouží k zaznamenání pohybu objektu nebo osoby. Na rozdíl od GPS navigace však není jeho účelem zobrazovat polohu na displeji nebo navigovat k předem zvolenému cíli. Uplatnění nachází GPS lokátor h, kdy hrozí odcizení či ztráta objektu či předmětu.
Může se tak jednat o automobil či motocykl, ale také sledování osob
Mezi další významné výrobce outdoorových navigací patří například společ- mimo jiné
ačovaný z angličtiny přejatým výrazem GPS tracker, také slouží k zaznamenání pohybu objektu nebo osoby. Na rozdíl od GPS navigace však není jeho účelem zobrazovat polohu na displeji nebo navigovat k předem zvolenému cíli. Uplatnění nachází GPS lokátor hrozí odcizení či ztráta objektu či předmětu.
motocykl, ale také sledování osob při zá-
13
vodech a akcích, kdy je třeba monitorovat jejich pohyb k vyhodnocení vý- sledku nebo pokud existuje šance, že by dotyční mohli zabloudit a ztratit se.
Dalším příkladem z praxe je umisťování GPS lokátorů do dálkově ovláda- ných modelů letadel. Tyto modely mohou mít hodnotu i několika desítek ti- síc korun a při ztrátě kontroly a následném pádu mohou být kvůli vzdále- nosti až několika set metrů bez GPS trackeru těžko lokalizovatelné.
Vzhledem k jednoduché konstrukci a absenci energeticky náročných kompo- nent, jako je například LCD displej, je GPS lokátor s běžným akumulátorem schopen vydržet v nepřetržitém provozu řádově dny až týdny. V případech, kde není instalace prostorově limitována, je možné připojit vysokokapacitní akumulátor, který prodlouží výdrž na úroveň měsíců.
I zde můžeme zvolit základní rozdělení na lokátory aktivní a pasivní. Pasiv- ní modely zaznamenávají průběžnou polohu do vnitřní paměti, ze které je poté třeba data stáhnout, aby mohla být zobrazena například na mapě. Na- proti tomu aktivní lokátor nepřetržitě odesílá svoji pozici, ve většině případů pomocí vložené SIM karty přes SMS zprávy nebo mobilní internetové připo- jení. Uživatel tak potřebuje další zařízení, jako je telefon či počítač, pomocí kterého je schopen průběžnou pozici GPS lokátoru sledovat. Navíc mu vzni- kají další výdaje spojené s provozem SIM karty nebo paušální poplatky za provoz služby, které mohou být s některými modely spojené. Konstrukce GPS lokátorů není vzhledem k přímočarosti použití nijak složitá, proto je možné pořídit je zhruba od 1 000 Kč.
Obrázek 2-2: GPS lokátor T300 společnosti T-Mobile zdroj: www.t-mobile.cz
14 Hlavní výhody GPS lokátorů:
• průběžné sledování polohy
• velmi dlouhá výdrž od několika dní po několik měsíců
• automatický provoz bez nutnosti aktivního ovládání Hlavní nevýhody GPS lokátorů:
• omezené způsoby použití
• často nemožnost zobrazení aktuální polohy přímo na lokátoru
• výdaje za provoz aktivního lokátoru
2.3 Chytré telefony a tablety
Mohutný rozvoj mobilních zařízení rozšířil také jejich funkce. Téměř všech- ny modely chytrých telefonů a tabletů, které přicházejí na trh, obsahují již GPS modul, případně elektronický kompas. Softwaroví vývojáři tak mají k dispozici hotovou hardwarovou platformu a veškerý další vývoj se tak může plně soustředit na realizaci jednotlivých funkcí. Zároveň zde existuje prostor pro menší subjekty, které mohou své aplikace prosadit s minimálním zá- kladním kapitálem.
Jak již bylo naznačeno, výhoda použití chytrých telefonů a tabletů pro navi- gaci spočívá v tom, že základní hardware potřebný k určení polohy je již od výroby v zařízení přítomen. Stačí tak pouze dodat aplikaci, která dokáže tento hardware obsluhovat a získaná data zprostředkovat uživateli. Vzhle- dem k širokým možnostem mobilních platforem a vysokému výpočetnímu výkonu je možné zakomponovat do aplikace funkce, které se u klasických GPS navigací mohou objevovat pouze u nejvyšších modelů, nebo dokonce vůbec. Jako příklad lze uvézt fotoaparát, svítilnu nebo připojení k internetu.
Na druhou stranu má používání mobilních telefonů a tabletů také své nevý- hody. Jedním z těch nejzásadnějších je průměrná výdrž akumulátoru. Vý- robci v zásadě udávají výdrž na jedno nabití v řádech dnů až týdnů. Těchto časů však bývá dosaženo v laboratorních podmínkách při maximálním ome- zení funkčnosti a bez interakce uživatele. To znamená, že v zařízení jsou
15
vypnuty veškeré komponenty, které nejsou bezprostředně nutné k jeho fun- gování. Je tak potlačena GSM konektivita, Wi-Fi, GPS a všechny nadbyteč- né procesy. K nejvíce energeticky náročným součástkám patří samozřejmě displej, který se během testování také nezapíná. Při takovémto útlumu funkčnosti jsou některá zařízení skutečně schopna na jedno nabití vydržet i několik týdnů, avšak jejich použitelnost v tomto stavu je prakticky nulová.
Skutečná výdrž zařízení se přímo odvíjí od způsobu jeho používání. Jednot- livé komponenty mají různý odběr elektrické energie a v závislosti na délce a intenzitě jejich používání se pak celková výdrž na jedno nabití může pohy- bovat v řádu jednotek až desítek hodin. Jedním z hlavních faktorů je také samotná kapacita instalovaného akumulátoru.
Právě zmíněný akumulátor může být jednou z nevýhod použití telefonů a tabletů k účelům navigace. Ten bývá v zásadě specifický pro každý kon- krétní model, případně jen úzký okruh, a jeho dobíjení probíhá přes systé- mový port. U spousty takových zařízení je sice možné vyměnit vybitý aku- mulátor za záložní, toto řešení je však neefektivní, neboť pořizovací cena akumulátorů je, oproti například bateriovým článkům pro jednorázové pou- žití, výrazně vyšší. Tuto skutečnost lze do jisté míry kompenzovat například pomocí externích nabíječek, tzv. powerbank.
Dalším faktorem, který má vliv na použitelnost telefonů a tabletů pro navi- gaci v přírodě je jejich odolnost vůči vlivům počasí. Některé modely sice dis- ponují odolností proti vodě a nečistotám, jejich poměr k ostatním zařízením bez odolnosti je však minimální. I tuto vlastnost však lze do jisté míry kom- penzovat pomocí různých odolných pouzder a krytů, které mohou být záro- veň uchyceny například na předloktí uživatele či na kole nebo motocyklu.
Hlavní výhody telefonů a tabletů:
• vysoký výpočetní výkon
• velký výběr aplikací s různými funkcemi
• univerzální použití nejen pro určování polohy a navigaci
16 Hlavní nevýhody telefonů a tabletů:
• relativně nízká výdrž akumulátoru při plném zatížení
• neefektivní možnosti výměny akumulátoru při vybití
• ve většině případů žádná odolnost proti povětrnostním vlivům
2.4 Sportovní hodinky a sporttestery
Tato zařízení jsou především doménou aktivních sportovců. Jejich hlavním úkolem je monitorování průběhu cvičení, sledování srdečního tepu, podle kterého pak uživatel upravuje aktuální intenzitu tréninku, aby dosáhl co nejlepších výsledků. Rozdíl mezi sportovními hodinkami a sporttesterem není jednoduše a jednoznačně definovatelný. Z hlediska zaběhnutých kon- vencí můžeme za sporttester považovat zařízení, jehož primárním účelem je monitorování pohybu, případně některých životních funkcí uživatele. Napro- ti tomu sportovní hodinky stále plní hlavní funkci ukazatele času, k čemuž mohou být doplněny o další nadstandardní funkce.
Ať už se ale bavíme o chytrých hodinkách nebo sporttesterech, jejich schop- nost určování polohy můžeme pro obě skupiny popsat shodně. Informace o ušlé trase mají ve většině případů význam z hlediska ušlé vzdálenosti, případně překonaného převýšení, které jsou opět zpracovávány pro potřeby tréninku. Najdeme zde však také zařízení, jejichž pokročilé funkce je přibli- žují na úroveň plnohodnotných GPS navigací. Jako příklad můžeme uvézt chytré hodinky Leikr-1 od dánské společnosti Leikr nebo model Epix od již dříve zmiňovaného výrobce Garmin. Obě uvedená zařízení disponují barev- ným displejem s možností navigace na mapových podkladech. Nechybí jim také další funkce, jako jsou barometr, krokoměr nebo kompas.
Výhodou těchto zařízení je velké množství funkcí při zachování kompakt- ních rozměrů a diskrétnosti. Na druhou stranu však při zapnutí všech funk- cí rapidně klesá výdrž akumulátoru, který z pravidla bývá integrovaný a k jeho nabití je potřeba připojit celé zařízení k nabíječce. Není tak možné vyměnit vybitý akumulátor za jiný, což by prodloužilo dobu používání v te- rénu.
17
Cenové rozpětí sportovních hodinek a sporttesterů je velice široké. Nejlev- nější modely s monochromatickými nebo žádnými displeji a jednoduchými funkcemi pro určování polohy a zaznamenávání trasy lze pořídit přibližně od 1 500 Kč. Ta nejdražší zařízení pak mohou stát i více než 20 000 Kč.
Obrázek 2-3: Sportovní hodinky Leikr-1 s GPS navigací zdroj: www.leikr.com
Hlavní výhody sportovních hodinek a sporttesterů:
• kompaktní rozměry
• širší možnosti využití
Hlavní nevýhody sportovních hodinek a sporttesterů:
• v zásadě nemožnost rychlé výměny vybitého akumulátoru
• žádné nebo velmi omezené možnosti navigace
• malý displej s omezeným množstvím zobrazovaných údajů
18
2.5 Automobilové navigace
Jak již název napovídá, autonavigace jsou určeny primárně ke stanovení polohy a trasy při cestování automobilem. Pracují se specifickými mapovými podklady, které nekladou důraz na členitost a složení terénu, ale tvoří síť cest a bodů, reprezentovaných silnicemi, zpevněnými cestami, městy a adre- sami.
Pro co největší přehlednost za jízdy jsou automobilové navigace vybaveny funkcí přichytávání pozice na existující cestu. Princip spočívá v tom, že na- vigace nezobrazuje naprosto přesnou pozici vozidla vůči mapě, ale podle ur- čitých kritérií, mezi která může patřit například směr jízdy, vykreslí svou pozici na předpokládané cestě v mapě. Tímto způsobem je kompenzována odchylka GPS signálu nebo nepřesnosti v mapových podkladech. Zároveň nedochází k rozptylování řidiče, který tak neustále vidí svoji pozici na dané silnici, i když ta může být ve skutečnosti vůči mapovým podkladům i něko- lik metrů vychýlená.
Výše popsaná funkce tak prakticky znemožňuje použití automobilových na- vigací v přírodě. Z toho důvodu jsou i mapové podklady zaměřené na co nej- přesnější a nejpodrobnější zdokumentování silniční sítě, případně okolní infrastruktury, která řidiči ulehčí orientaci především ve městech.
Napájení automobilových navigací počítá s připojením do zásuvky zapalova- če a napájením 12 nebo 24 V z elektrického okruhu automobilu. Odpadá te- dy nutnost zajištění dlouhodobého provozu na akumulátor, který v zásadě bývá součástí navigace, ale slouží především pro krátkodobý běh navigace při vypnutí motoru. Pro co nejlepší přehlednost bývají automobilové naviga- ce vybaveny velkými barevnými displeji, v dnešní době již převážně dotyko- vými.
Další případné funkce nad rámec samotného určování polohy jsou nejčastěji zaměřeny na co nejlepší výběr trasy případně orientaci v provozu. Mohou mezi ně patřit například asistent jízdních pruhů, pravidelné aktualizace
19
map, zohlednění průjezdnosti úseků v různou denní dobu či evidence poli- cejních radarů a bodů zájmu.
Obrázek 2-4: Automobilová navigace TomTom XL 340S zdroj: www.tomtom.com
Hlavní výhody automobilových navigací:
• velký displej pro větší přehlednost
• v zásadě neomezená doba provozu při napájení ze zástrčky zapalovače
• možnost vyhledávání cílových bodů podle adres nebo názvů Hlavní nevýhody automobilových navigací:
• jednostrannost použití pouze v automobilovém provozu
• v zásadě minimální nebo žádná odolnost proti povětrnostním vlivům
20
3 Koncepce GPS asistenta
Cílem tohoto projektu je navrhnout zařízení, které bude částečně vycházet z moderních systémů určování polohy, které jsou aktuálně dostupné na tr- hu. Hlavní myšlenkou je využít co nejvíce z jejich výhod a spojit je do jedno- ho výsledného zařízení. To by mělo být zároveň postaveno na co nejjedno- dušší konstrukci. A to nejen z důvodu zachování přijatelných nákladů na realizaci, ale také kvůli možnosti jednoduché replikovatelnosti zařízení bez nutnosti využití složitých průmyslových postupů a prostředků.
3.1 Dílčí požadavky GPS asistenta
Jednoduchost. Struktura GPS asistenta musí být dostatečně jednoduchá z toho důvodu, aby bylo možné jej podle sepsaných postupů a výkresů sesta- vit jen s použitím běžně dostupných nástrojů a bez potřeby speciálních zna- lostí práce s elektronikou. Zároveň musí být veškeré komponenty v případě selhání jednoduše vyměnitelné.
Kompaktní rozměry. GPS asistent by měl být dostatečně malé rozměry a nízkou hmotnost, aby bylo možné jej dlouhodobě nosit u sebe. V případě pojetí asistentu jako nositelného zařízení, pevně připevněného k tělu nebo oblečení, mohou být některé komponenty odděleny od ostatních za účelem lepšího rozdělení hmotnosti a objemu. To se týká například velkokapacitní- ho zdroje energie, který může být připojen k hlavní jednotce mechanicky odolnými vodiči a zároveň umístěn například v batohu, kde by jeho větší hmotnost nezpůsobovala takové nepohodlí jako v případě umístění u samot- né jednotky.
Rozšiřitelnost. Při výběru jednotlivých komponent by měla být zohledněna možnost jednoduchého rozšíření funkčnosti přidáním odpovídajících modulů a úpravou zdrojového kódu. Komponenty by měly tvořit jednotný celek, ale zároveň by co nejméně měly záviset jedna na druhé, aby bylo možné měnit konfiguraci asistenta s co nejmenším zásahem do fyzického zapojení a zdro- jového kódu ostatních modulů.
21
Nízká spotřeba a univerzálnost napájení. Hardwarové komponenty použité pro GPS asistent by měly mít nízkou spotřebou energie, která by umožnila jeho nepřetržitý provoz v terénu po dobu několika hodin. Dalším požadav- kem je univerzálnost použitého zdroje napájení, který musí být v případě vybití jednoduše vyměnitelný, aby byla zaručena použitelnost asistentu i po delší dobu. V neposlední řadě je vhodné zahrnout funkce pro úsporu energie, aby se co nejvíce prodloužila výdrž napájecího zdroje.
Odolná konstrukce. Vzhledem k tomu, že je GPS asistent určen k venkov- nímu použití, především v přírodě, měla by jeho konstrukce odolávat vněj- ším vlivům. To zahrnuje v první řadě odolnost proti nečistotám a vodě, což může představovat například prach, pyl, hlínu a rosu či déšť. Konstrukce by měla být také dostatečně pevná, aby odolala případným pádům nebo nára- zům.
Jednoduchost ovládání. Povaha použití GPS asistentu vyžaduje, aby bylo možné jej jednoduše ovládat za jakýchkoliv okolností. Ovládání musí být přehledné a snadno přístupné i za chůze a zároveň dostatečně jednoduché a intuitivní, aby s ním mohl uživatel zacházet co nejrychleji a nejefektivněji.
Nízká pořizovací cena. Pro zachování alespoň částečné konkurenceschopnos- ti GPS asistentu vůči komerčním produktům by celkové pořizovací náklady použitých komponent neměly přesahovat prodejní cenu podobně vybavené komerční GPS navigace.
22
4 Výběr komponent
Při výběru komponent jsem kladl důraz na dílčí požadavky stanovené v konceptu GPS asistentu. V těch aspektech, kde docházelo ke konfliktu jednotlivých požadavků, byly tyto zohledňovány podle priority dané jejich pořadím v kapitole 3.1.
4.1 Mikroprocesorová jednotka
Pro centrální ovládání všech komponent byla zvolena platforma Arduino ve verzi Mega2560 R3. Důvodem je kompletnost jednotky, kterou tak není tře- ba konstruovat a zároveň disponuje dostatečným množstvím pinů k připoje- ní jednotlivých modulů a pamětí pro obsáhlý zdrojový kód jejich ovládání.
I po osazení všech plánovaných modulů zůstává dostatečná rezerva pro bu- doucí rozšíření, které by mohlo být předmětem další navazující práce. Pomo- cí Arduina je možné ovládat další elektronické součástky na nejnižší úrovni fyzického propojení či přes sériové a paralelní spojení. Pokud by bylo řešení bráno jako finální bez dalších požadavků na nové funkce, bylo by vhodné vytvořit desku plošných spojů, osadit ji daným čipem a jednotlivými moduly, čímž by se optimalizovala velikost výsledného zařízení a bylo by možné vy- nechat součásti, které nejsou pro GPS asistent potřebné.
Obrázek 4-1: Arduino Mega2560 R3 zdroj: www.arduino.cc
23
Arduino Mega2560 je mikroprocesorová deska, řízená mikročipem ATMEL ATmega2560. Arduino bylo vyvinuto jako open-source projekt pro výukové použití. Programuje se v jazyce, který vychází z platformy Wired a zahrnuje základní metody jazyka C/C++. Programovat je možné v open-source vývojo- vém prostředí Arduino IDE, případně lze po instalaci patřičných knihoven použít prostředí Eclipse. Pro připojení k počítači pro účely programování a ladění je na desce přítomen druhý čip ATmega16U2, naprogramovaný jako USB-Serial převodník, virtualizující RS232 sériovou linku.
Obrázek 4-2: Vývojové prostředí Arduino IDE 1.0.6
K připojení periferií je k dispozici několik komunikačních rozhraní. Hlavní část tvoří 54 digitálních vstupně-výstupních pinů, 15 z nich podporuje na výstupu PWM modulaci a 4 dvojice pinů lze použít k sériové komunikaci.
Dalších 16 pinů je určeno ke vstupu a měření analogového signálu. Jeden AREF pin slouží k definici maximálního měřeného napětí na analogových vstupech. IOREF pin umožňuje případným připojeným shieldům přizpůso- bit své napětí pracovnímu napětí Arduina. Zbytek tvoří 1 VIN pin pro ex- terní napájení desky, 1 pin s výstupním napětím 3,3 V, 3 piny o napětí 5 V, 5 GROUND pinů a jeden pin vyhrazený pro budoucí vývoj. Nakonec jsou na
24
desce přítomna dvě ICSP rozhraní pro přímé programování obou ATmega čipů.
Arduino má vlastní stabilizátor vstupního napětí. Ten umožňuje stabilně napájet desku napětím v rozmezí 7–12 V. V extrémních případech je možné použít napětí mimo tuto mez, konkrétně 6–20 V. Překračování povoleného rozpětí se však důrazně nedoporučuje, neboť při menším napětí mohou mít digitální piny na výstupu méně než 5 V a deska může být nestabilní. Nao- pak při větším napětí může dojít k přehřátí stabilizátoru a poškození desky.
Desku lze napájet třemi různými způsoby. Prvním je konektor USB typ B, primárně určený k připojení k USB portu počítače. Port na desce je opatřen polovodičovou pojistkou, která automaticky odpojí napájení, pokud proud na vstupu přesáhne 500 mA. Druhým způsobem je 5,5mm konektor pro souosý napájecí jack, například z adaptéru. Třetím způsobem je přivedení napětí přímo na VIN vstupní pin.
4.2 LCD displej a čtečka SD karet
K zobrazení zaznamenávaných údajů byl zvolen modul LCD TFT displeje, nesoucí označení TFT-320QVT. Jedná se o displej s rozlišením 320×240 ob- razových bodů a úhlopříčkou 3,2". O ovládání se stará mikročip SSD1289.
Rozměry a rozlišení displeje umožňují přehledně interpretovat data v dostatečné velikosti, která zaručí čitelnost i za chůze. Každý pixel je scho- pen zobrazit 65 535 (216) barev, což je dáno šířkou sběrnice ovládacího čipu.
Obrázek 4-3: LCD displej
25
Součástí modulu je také dotyková vrstva. Ta umožňuje přenášet interakce uživatele do hlavní řídící jednotky, která je dále zpracovává a na jejich zá- kladě řídí. Vzhledem k požadavku na odolnost proti povětrnostním vlivům není dotykové ovládání použito, neboť by neúměrně zvyšovalo nároky na provedení vnějšího pouzdra, které by mělo chránit veškerou elektroniku včetně displeje a zároveň by muselo umožňovat přenesení dotyku na displej.
Dále je na modulu přítomna čtečka SD paměťových karet. To je výhodné zejména kvůli úspoře místa. Paměťová karta je použita k ukládání naměře- ných dat, ze kterých je možné později vytvářet statistiky. Jsou na ni také nahrávány mapové podklady pro zobrazení na displeji a záznamy ušlých tras, případně uživatelem definovaných bodů.
Pro ovládání displeje je používáno 16bitové datové rozhraní mezi Arduinem a čipem LCD modulu. Komunikace s dotykovou vrstvou a čtečkou SD karet probíhá přes SPI sériové rozhraní.
Obrázek 4-4: schéma pinů LCD modulu TFT-320QVT zdroj: www.geeetech.com
26
4.3 GPS modul
K určení polohy byl vybrán GPS modul osazený čipem Ublox NEO-6M. Ten- to čip byl vyvinut s ohledem na přesnou detekci polohy díky samostatnému vyhledávacímu systému při zachování minimálních rozměrů a co nejmenší spotřeby energie.
Součástí modulu je paměť EEPROM pro uchování konfiguračních dat. Od- nímatelná anténa přijímá signál z GPS družic a předává jej čipu. V případě potřeby lze původní anténu o ploše 22×22 mm nahradit modelem s větší plo- chou a přesností, případně s delším vodičem. Modul komunikuje přes sério- vé rozhraní a použitý stabilizátor umožňuje jej napájet napětím v rozmezí 3–5 V.
Ublox NEO-6M disponuje 50kanálovým přijímačem, který je tak schopný zaznamenávat signál ze všech viditelných satelitů. Při studeném startu a přímé viditelnosti satelitů trvá určení polohy maximálně 27 sekund. Data se poté aktualizují každou sekundu. Výrobcem udávaná přesnost je 2,5 m.
Ublox NEO-6M podporuje asistované určování polohy (A-GPS) pomocí onli- ne nebo offline dat. Online data obsahují aktuální pozice všech satelitů podle času. Offline data uchovávají poslední známou pozici, podle které je
Obrázek 4-5:Obrázek 4 5: GPS modul Ublox Neo-6M zdroj: www.fut-electronics.com
27
možné vypočítat přibližnou pozici satelitů. Offline data jsou platná pouze 3 dny od poslední synchronizace GPS pozice.
GPS modul dokáže pracovat v několika energetických režimech. V běžném režimu je pro prvotní inicializaci polohy používán samostatný vyhledávací systém. Po inicializaci neustále pokračuje ve vyhledávání dalších družic, aby tak bylo dosaženo co nejpřesnější lokalizace. V "eko" módu je vyhledávací systém použit pouze pro prvotní inicializaci polohy. Poté dochází k jeho vy- pnutí, což značně snižuje spotřebu energie. Polohu poté snímá sledovací sys- tém, který průběžně zpracovává signál z objevených satelitů. Pokud se obje- ví nový satelit, sledovací systém je schopen jej detekovat. V úsporném módu je dosaženo maximální úspory energie selektivním zapínáním a vypínáním jednotlivých systémů dle jejich aktuální potřeby.
4.4 Modul reálného času
V GPS asistentu plánuji zaznamenávat také aktuální datum a čas. Arduino však obsahuje pouze časový čítač, který je resetován při každém odpojení energie, neboť postrádá záložní baterii. Z toho důvodu je třeba připojit sa- mostatný modul reálného času (RTC).
Pro tento účel byl zvolen modul DS1302. Jedná se o modul reálného času, který dokáže evidovat informaci o aktuálním datu a čase. Z data lze zobrazit aktuální den, měsíc a rok. Konec měsíce je automaticky přizpůsoben, pokud je počet dní v měsíci menší než 31. Z času lze zobrazit sekundy, minuty a hodiny, a to buď ve 24 nebo 12hodinovém formátu s indikátorem ranního a večerního času (AM a PM). Formátování data je možné díky nevolatilní SRAM paměti o velikosti 56 Bytů. Zobrazení času a data probíhá odkazem na odpovídající Byte v paměti.
28
Obrázek 4-6: Modul reálného času DS1302
Součástí modulu DS1302 je také obvod, který automaticky detekuje pokles napájecího napětí pod stabilní hranici a přepne napájení na záložní baterii, která je součástí obvodu. Komunikace probíhá přes sériové I2C rozhraní.
4.5 Teplota a vlhkost vzduchu
Teplota a vlhkost vzduchu jsou veličiny, které se u běžně prodávaných GPS navigací běžně nevyskytují. Důvodem je to, že modul starající se o jejich mě- ření, nemůže být umístěn uvnitř voděodolného pouzdra, neboť potřebuje přímý přístup vzduchu.
DHT22 je miniaturní digitální senzor teploty a vlhkosti vzduchu. Dokáže změřit relativní vlhkost vzduchu s přesností na desetiny procenta, s maxi- mální odchylkou 2 %. Teplotu měří v rozmezí -40–80 °C s přesností na 0,1 °C a maximální odchylkou 0,5 °C. Naměřená data jsou obnovována každé 2 sekundy. Komunikace probíhá přes obousměrné sériové rozhraní realizo- vané po jediném datovém vodiči.
Obrázek 4-7: senzor teploty a vlhkosti DHT22 zdroj: www.robotshop.com
29
5 Kompletace zařízení
5.1 Box
Pro uložení komponent jsem zvolil montážní krabičku s označením KP58.
Jedná se o dvoudílný plastový box o rozměrech 153×84×42 mm. Velikost vnitřního prostoru je dostačující pro uložení veškerých komponent, a sou- časně je box dostatečně kompaktní pro dlouhodobé nošení a používání.
Jednotlivé moduly bylo třeba do boxu připevnit. K tomu jsem použil plastové matice se závitem M3. Matice jsem přilepil k dovnitř krabičky a k nim po- mocí šroubů připevnil jednotlivé součástky.
Box je vyroben z černého plastu a není průhledný. Proto jsem do čelní stěny vyřízl otvor a do něj vlepil polykarbonátovou desku.
5.2 LCD displej a čtečka paměťových karet
Při výběru knihovny pro obsluhu displeje jsem se zaměřoval především na co nejvyšší rychlost vykreslování, dostupné funkce kompatibilitu se zvole- ným displejem.
Jako nejvhodnější jsem zvolil knihovnu UTFT od Henninga Karlsena. Ta podporuje kompletní barevnou paletu, jednoduše definovatelnou mícháním RGB kanálů. Dále obsahuje funkce pro vykreslování základních geometric- kých obrazců. V neposlední řadě umožňuje psaní textu. Ke stažení je velká škála předpřipravených písem o různých velikostech. Veškeré vykreslované elementy lze přesně pozicovat zadáním souřadnic osy X a Y.
Při zapojování displeje jsem narazil na problém s provozním napětím. Dis- plej je nutné napájet napětím 3,3 V. Arduino Mega2560 obsahuje výstupní pin s odpovídajícím napětím, komunikační piny však pracují s napětím 5V.
Z toho důvodu bylo nutné připojit piny přes rezistor o odporu 10 kΩ. Re- zistory jsem připájel k univerzálnímu plošnému spoji. Zároveň bylo nutné změnit pozice jednotlivých pinů. Knihovna UTFT sice umožňuje zvolit umís- tění základních řídících pinů, zbytek jich je však pevně definován přímo v knihovně. Proto jsem na plošný spoj připájel také kolíkové konektory
30
a dutinkové lišty, kterými je modul připojen do. Pro pohodlnější manipulaci a výslednou montáž do boxu je displej s rezistorovým modulem spojen plo- chým 40žilovým kabelem s odpovídajícími konektory, které jsou přímo kom- patibilní s kolíkovými konektory na displeji a rezistorovém modulu.
Obrázek 5-1: modul s odpory pro LCD a čtečku karet
Pro čtečku paměťových karet jsem vybral knihovnu SdFat. Ta vychází ze základní knihovny SD, která je dostupná přímo ve vývojovém prostředí Ar- duino IDE. SdFat je optimalizována pro rychlejší obsluhu paměťových karet a implementuje rozšířené funkce pro obsluhu souborového systému. Další výhodou této knihovny je fakt, že je schopna komunikovat s knihovnou UTFT, díky čemuž je možné rychleji a efektivněji vykreslovat na LCD dis- pleji obrázky uložené na kartě. Toho jsem využil především při zobrazování mapových podkladů. Knihovna SdFat podporuje paměťové karty SD a SD- HC se souborovým systémem FAT16 nebo FAT32. Soubory je možné pojme- novávat libovolnými názvy podle konvencí definovaných odpovídajícím sou- borovým systémem. U starších knihoven bylo třeba zachovávat konvenci 8.3, což znamená maximálně 8 znaků pro název souboru a 3 znaky pro pří- ponu.
31
5.3 GPS modul
GPS modul je hlavní součástí projektu. Platná GPS pozice je nutná k identi- fikaci polohy na mapových podkladech, zaznamenávání trasy, ale i synchro- nizaci aktuálního času v RTC modulu. GPS anténa je připojena přes několik centimetrů dlouhý kabel, což vzhledem k velikosti zjednodušuje umístění obou součástek v boxu. Anténa však nesmí být zakryta žádnými kovovými předměty ani elektronickými součástkami, to by mohlo dramaticky snížit přesnost i samotnou schopnost synchronizace signálu s družicemi.
Pro obsluhu GPS modulu jsem vybral knihovnu TinyGPS++, která je kom- paktní, rychlá a jednoduchá na používání. Jakmile se modul synchronizuje s družicemi, je možné získat aktuální čas, pozici, nadmořskou výšku a také směr pohybu.
5.4 Modul reálného času
Modul DS1302 zaručuje udržování aktuálního času i při vypnutí zařízení.
Čas je zobrazován v menu GPS navigace a v souhrnných informacích. Při každé synchronizaci GPS modulu se satelity je čas mezi oběma moduly po- rovnán a v případě odchylky je čas získaný z GPS uložen do paměti RTC modulu.
5.5 Senzor teploty a vlhkosti vzduchu
Senzor DHT22 bylo třeba umístit tak, aby byl přímo vystaven okolnímu vzduchu. Zároveň však musela být zachována voděodolnost vnitřních částí.
Z toho důvodu jsem pomocí ruční frézky vyřízl v boxu několik průduchů, pod které jsem senzor umístil. Současně jsem z plastu vytvořil kolem senzoru stěny, čímž jsem jej oddělil od ostatních součástí a zabránil vniknutí vlhkos- ti dovnitř boxu.
5.6 Ovládací prvky
Jak již bylo dříve zmíněno, od dotykového ovládání jsem nevyužil z důvodu zachování odolnosti proti povětrnostním vlivům. Asistent je tedy ovládán elektromechanickými spínacími prvky.
32 5.6.1 Rotační enkodér
Pro základní přepínání mezi položkami menu jsem zvolil mechanický rotač- ní enkodér. Ten se skládá ze základny s piny a otočné hřídele s krokovou kulisou a převádí rotační pohyb hřídele na digitální signál. Umožňuje otáče- ní v obou směrech po stejných úhlových krocích. Rotační enkodér je opatřen třemi piny.
Směr otáčení je určen na základě porovnání 2bitové hodnoty před a po změ- ně stavu. Posloupnost jednotlivých hodnot můžeme demonstrovat na signá- lech, kterými jsou dvě fázově posunuté čtvercové vlny.
5.6.2 Mechanické spínače
K ovládání jednotlivých menu jsem použil mechanická tlačítka. Dvě z nich jsou primárně určena k pohybu mezi položkami. Další dvě tlačítka slouží k potvrzení a zrušení.
Ke všem tlačítkům je na jeden kontakt přivedeno napětí 5 V. Druhý kontakt je napojen na zemnící pin přes 10kΩ rezistor a zároveň na odpovídající vstupní digitální pin. Je-li tlačítko rozpojené, je vstupní pin spojen se zemní- cím a na vstupu je tedy logická hodnota „0“. Při stisku tlačítka je na vstupní pin přivedeno napětí 5 V, tj. logická „1“.
Vzhledem k mechanické konstrukci tlačítka vzniká při stisku šum, stejně jako u dříve zmíněného rotačního enkodéru. Tento šum je poté interpreto- ván jako několikanásobné sepnutí tlačítka. Pro eliminaci šumu („deboun- cing“) je při stisku tlačítka vyvoláno přerušení, které porovnává hodnoty na vstupu s časovým zpožděním. Testováním jsem jako ideální hodnotu zpož- dění zvolil 50 ms.
33
Obrázek 5-2: Schéma zapojení tlačítek vytvořeno v programu Fritzing
34
6 Provoz
6.1 Hlavní menu
Hlavní menu se nachází ve spodní části displeje. Je tvořeno pěti položkami.
Pro přepínání mezi nimi slouží rotační enkodér. Položky jsou vykreslené ze- lenou barvou na černém pozadí a ohraničené zaobleným obdélníkem. Aktiv- ní položka je vykreslena inverzně, tedy zeleně vyplněný zaoblený obdélník, ve kterém je černý text. Tato barevná kombinace umožňuje dobrou čitelnost při různých světelných podmínkách. Spodní část displeje, která je vyhrazená pro menu, má výšku 48 pixelů a shora je ohraničená 1pixelovou čárou.
6.1.1 Mapové podklady
Ve výchozím menu je zobrazena pozice na mapových podkladech. Synchro- nizace pozice se satelity může při tzv. "studeném" startu trvat až půl minu- ty. Do té doby je mapa vykreslena podle poslední zaznamenané lokace, která je uložena na paměťové kartě.
Po průzkumu dostupnosti mapových podkladů jsem se rozhodl pro projekt OpenStreetMap. Ten si vznikl za účelem poskytnout veřejnosti volně do- stupné mapy celého světa, se kterými je možné libovolně a bez jakýchkoli poplatků dále nakládat.
Naneštěstí OpenStreetMap neposkytuje přímo žádný efektivní způsob, jak získat funkční mapu včetně kalibrovaných pozic. Je možné stáhnout oblast mapy v jednom velkém obrázku, poté je však nutné ručně zjistit GPS pozici několika konkrétních pixelů, ze kterých je následně možné vypočítat jakýko- liv další bod.
Po testování velkého množství aplikací se jako nejideálnějším řešením osvědčil program Mobile Atlas Creator, dříve známý jako TrekBuddy Atlas Creator. Ten byl původně určen pro mapovou aplikaci TrekBuddy, která ja- ko jedna z prvních umožňovala import uživatelských map. Mobile Atlas Creator je schopen stáhnout mapové podklady přímo ze serveru Open- StreetMaps, okótovat je a následně uložit v několika desítkách různých for-
35
mátů. Zvolil jsem formát pro Windows Mobile aplikaci Glopus. Výstupem je obrázkový soubor PNG s mapovým podkladem a soubor KAL, ve kterém jsou uloženy GPS souřadnice všech čtyř rohů obrázku. Mobile Atlas Creator také umožňuje rozdělit vybranou oblast na čtverce o zvolené velikosti. Vzhledem k rozměrům použitého LCD displeje a paměťové náročnosti jsem zvolil čtverce o velikosti 64×64 pixelů. Dlaždice jsou pojmenovány ve formátu MAP_X_Y.PNG, kde X a Y reprezentují pořadí dlaždice od levého horního rohu.
Na displeji je vždy vykreslována matice o pěti dlaždicích v horizontálním a třech dlaždicích ve vertikálním směru. Pro výpočet středové dlaždice, na které je následně vyznačena aktuální pozice, jsem nejprve vypočítal abso- lutní rozdíl zeměpisné šířky a délky mezi kalibrovanými body. Tyto rozdíly jsem následně vydělil počtem dlaždic v odpovídajícím směru, čímž jsem zís- kal zeměpisnou šířku a délku jedné dlaždice. Touto hodnotou jsem následně vydělil rozdíl mezi kalibrovaným bodem a aktuální pozicí. Výsledkem jsou souřadnice X a Y, odpovídající mapové dlaždici. Stejným způsobem jsem vy- počítal přesnou pozici pixelu v dlaždici, který odpovídá dané GPS pozici.
Navigace ke zvolenému bodu je v mapě reprezentována modrou přímkou.
K jejímu přesnému vykreslení bylo třeba vypočítat umístění obou bodů na mapovém podkladu. Poté je vykreslena přímka mezi těmito dvěma body.
Obrázek 6-1: Menu navigace
36
6.2 Menu navigace
V tomto menu je umístěno ovládání GPS navigace. Obsahuje volbu pro za- znamenávání trasy. Jakmile je zaznamenávání zapnuté, je na paměťové kartě vytvořen nový soubor. Pokud rozdíl aktuální a poslední zaznamenané pozice překročí 10 metrů, je nová pozice zapsána na nový řádek na konci souboru. Ukládána je zeměpisná šířka, délka a nadmořská výška. Hodnoty jsou na řádku odděleny středníkem.
Dalším volbou menu je cílový bod. Uživatel může zadat zeměpisnou šířku a délku. Pokud je tato volba vyplněna je na mapových podkladech automa- ticky zobrazována barevná úsečka pro navigování.
6.3 Soubory na paměťové kartě
Uživatel má možnost procházet a zobrazovat obsah textových souborů na paměťové kartě. To je užitečné například v případě uložení popisu plánova- né trasy, informací o zájmových bodech nebo je lze využít při orientačních aktivitách, jako je geocaching.
Pro uživatelem zobrazitelné soubory je vyhrazena speciální složka na pamě- ťové kartě. Není nezbytně nutné zobrazovat další podpůrné soubory, jako jsou mapové dlaždice či soubory se záznamy tras. Orientace v souborech je tak pro uživatele jednodušší a přehlednější.
Soubory jsou na displeji vypsány pod sebou v abecedním pořadí. Vzhledem k limitované výšce displeje je pod sebou vypsáno pouze určité množství sou- borů. Pro minimalizaci počtu vykreslovaných dat, a tedy i zrychlení, je vždy zobrazena jedna skupina souborů a po přesunutí kurzoru na soubor mimo danou skupinu, je opět zobrazena celá další skupina. Při pohybu v dané skupině je tak nutné překreslovat pouze pozici kurzoru a ne celý seznam souborů.
Stisknutím tlačítka OK je zobrazen obsah souboru. Vypisování opět probíhá po skupinách řádků. Stisknutím tlačítka Zpět je znovu zobrazen seznam souborů ve složce. Ovládání je tak co možná nejjednodušší.
37
Obrázek 6-2: Menu procházení souborů
6.4 Informace ze senzorů
Tato položka menu slouží k zobrazení souhrnných informací ze všech senzo- rů na jednom místě. Zároveň tak umožňuje odhalit případnou poruchu.
Zobrazenými informacemi jsou:
• čidlo DHT22 – aktuální teplota a vlhkost vzduchu
• paměťová karta – kapacita, volné místo, souborový systém a další
• modul reálného času – aktuální datum a čas
• GPS modul – stav spojení, počet synchronizovaných satelitů, země- pisné souřadnice, nadmořská výška a směr pohybu
7 Napájení
Po zvažování různých způsobů napájení s ohledem na proudové a napěťové nároky GPS asistentu jsem z důvodu zachování kompaktnosti zvolil napáje- ní externím zdrojem napětí. Rozhodl jsem se použít napětí 5V přes USB ko- nektoru na desce. Do stěny boxu jsem umístil souosý napájecí konektor o rozměrech 5,5×2,1 mm, který je opatřen gumovou krytkou pro zamezení vniknutí nečistot. Ke konektoru jsem z vnitřní strany připojil USB kabel, který je zapojen do USB konektoru na desce. To umožňuje jej v případě nut- nosti nahrát nový kód jednoduše odpojit.
38
Aby bylo možné připojit GPS asistent například k přenosné nabíječce, která bývá zpravidla vybavena USB konektorem, zkonstruoval kabelovou redukci, na jejíž jedné straně je USB-A konektor a na druhé se nachází souosý ko- nektor 5,5×2,1 mm.
Obrázek 7-1: Osobní GPS asistent
39
8 Shrnutí
Cílem této práce bylo navrhnout a zkonstruovat GPS asistent, který bude použitelný při pohybu v přírodě a bude umožňovat zobrazovat aktuální pozi- ci na mapě, navigovat k určeným bodům a zaznamenávat trasy. Další pod- půrné funkce zahrnují monitorování teploty a vlhkosti okolního vzduchu a čtení textových souborů.
Asistent jsem zkonstruoval s použitím mikrokontroléru Arduino Mega2560, především z důvodu jeho vysokého výpočetního výkonu a možnosti připojit velké množství periférií. K těm patří barevný LCD displej se čtečkou pamě- ťových karet, GPS modul pro určování polohy, senzor teploty a vlhkosti okolního vzduchu a modul reálného času.
Celou sestavu jsem umístil do plastového boxu, který umožňuje pohodlnou manipulaci a zároveň ochraňuje komponenty před vlivy okolního prostředí.
Napájení jsem zvolil z externího zdroje energie, kterým může být například přenosná nabíječka v případě pěšího pohybu v terénu, případně adaptér do zástrčky zapalovače v případě umístění na motocykl. Z vnější strany boxu jsem umístil nylonové popruhy s přezkami, díky kterým je možné nosit asis- tent připnutí na předloktí, což ještě více zpříjemňuje použití. Celkový prou- dový odběr při maximální zátěži nepřevyšuje 0,3 A. V závislosti na kapacitě zvolené externí nabíječky je tedy možné dosáhnout doby aktivního provozu v řádech desítek hodin.
Důraz byl kladen na co nejjednodušší manipulaci, čehož jsem docílil rotač- ním enkodérem pro pohyb mezi jednotlivými obrazovkami a čtveřicí tlačítek pro ovládání aktivní obrazovky. K zapnutí a vypnutí slouží kolébkový spí- nač.
GPS asistent se při testování v přírodě osvědčil jako funkční a užitečný prvek. Je vhodný jak pro neustálé monitorování postupu, tak i jako nouzový
40
prostředek při ztrátě orientace v neznámém terénu. Tím byly naplněny všechny stanovené cíle.
Tento projekt chci v budoucnu nadále rozvíjet. Vhodným rozšířením by mohl být například bezdrátový modul pro synchronizaci dat s mobilním telefonem nebo počítačem. Dále by mohla být celková velikost zredukována navržením jediné desky plošných spojů, na kterou by byl umístěn použitý čip ATme- ga2560 spolu s ostatní elektronikou. Tato úprava vy značně zmenšila objem komponent, což by umožnilo vše umístit do ještě kompaktnějšího ochranné- ho boxu, případně využít ušetřené místo k uložení samostatného akumulá- toru.
41
Seznam použité literatury
[1] ĎAĎO, Stanislav. 1999. Senzory a měřicí obvody. 2. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 315 s. ISBN 80-010-2057-6.
[2] Seriál Na internet s Arduinem, [online] http://www.root.cz/serialy/na-internet- s-arduinem/
[3] Arduino Playground: RotaryEncoders [online]. [cit. 2016-05-14]. Dostupné z:
http://playground.arduino.cc/Main/RotaryEncoders [4] UTFT Library [online]. [cit. 2016-05-14]. Dostupné z:
http://www.rinkydinkelectronics.com/library.php?id=51 [5] TinyFat Library [online]. [cit. 2016-05-14]. Dostupné z:
http://www.rinkydinkelectronics.com/library.php?id=37 [6] TinyGPS++ Library [online]. [cit. 2016-05-14]. Dostupné z:
http://arduiniana.org/libraries/tinygpsplus/
[7] Mobile Atlas Creator [online]. [cit. 2016-05-14]. Dostupné z:
http://mobac.sourceforge.net/
[8] OpenStreetMaps: Tile downloading [online]. [cit. 2016-05-14]. Dostupné z:
https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Category:Tile_downloading
42
Přílohy
Obsah přiloženého CD
V kořenovém adresáři přiloženého CD se nachází tato bakalářská práce ve formátu bakalarska_prace.pdf.
