اغلب مردم تصور میکنند ارتباط با ماهواره‌های GPS فقط برای تجهیزات خاص است. ماهواره‌های جی پی اس امروزه برای مصارف عمومی در دسترس همگان هستند. در این متن سعی کرده‌ایم به سوالات شما پاسخ دهیم. تیترها را دنبال کنید.
شناخت جی پی اس GPS
موقعیت جغرافیایی شامل طول و عرض جغرافیایی است. بر اساس این اطلاعات از قرن‌ها پیش بشر اقدام به مسیریابی و تعیین جهت حرکت می‌کرده است. طول و عرض جغرافیایی از تشخیص موقعیت یک انسان یا خودرو برای مصارف روزمره کاربردی است تا استفاده‌های نظامی و یا حتی هواپیماها و پهپادها همگی از این دو پارامتر استفاده میکنند. به صورت مخفف به این سیستم GPS گفته می‌شود. طبق تعریف ویکی پدیا: سامانهٔ موقعیت‌یابی جهانی (به انگلیسی: Global Positioning System) با سرواژه جی‌پی‌اس (به اختصار: GPS) سامانه‌ای برای یافتن موقعیت جغرافیایی است. این سامانه از ۲۴ ماهواره است که زمین را دور می‌زنند و در هر مدار ۴ ماهواره قرار دارد. راکتهای کوچکی این ماهواره‌ها را در مسیر درست نگاه می‌دارد.
ماهواره‌های موقیت یاب و ناوبری جهانی
همانطور که پیشتر توضیح دادیم ماهواره‌های موقعیت یاب جهانی خارج از کره زمین قرار دارند. فعالیت کلی آن‌ها شامل تعیین و مخابره موقعیت جغرافیایی است. ماهواره‌های GPS منحصرا مربوط به آمریکا هستند و با نام NAVSTAR شناخته می‌شوند. ماهواره‌های گلوناس GLONASS متلعق به روسیه هستند. ماهواره‌های Beidou متعلق به چین هستند. ماهوراه‌های گالیله Galileo متعلق به اتحادیه اروپا هستند. ماهواره‌های هدی با نام LPS مربوط به ایران هستند و به زودی در دسترس عموم قرار خواهند گرفت. کشاورزی دقیق، کنترل ترافیک شهری، ردیابی خطوط انتقال نفت و گاز، خدمات محیط زیست، ناوبری خودروها، مدیریت بحران، خدمات اجتماعی، نقشه‌برداری، شناسایی اهداف ثابت و متحرک، خدمات مسکن و شهرسازی پیشرفته، کنترل امور گمرک و جلوگیری از قاچاق کالا، مهار دقیق آتش‌سوزی، خدمات کشتیرانی و بنادر، هواشناسی دقیق و . . . از جمله خدماتی است که توسط ماهواره هدی قابل اجرا است.
چگونه به ماهواره‌های موقعیت یاب متصل شویم؟
برای ارتباط گرفتن با ماهواره‌های موقعیت یاب خارج از کره زمین بایستی گیرنده مناسب را در دسترس داشته باشیم. معمولا در تلفن‌های همراه این مورد وجود دارند. امکان متصل شدن به ماهواره‌ها به راحتی فراهم است. ولی اگر در دستگاه دیگری نیاز به استفاده از ماهواره‌های جی پی اس داشته باشید، بایستی از ماژول GPS استفاده کنید. انواع ماژول موقعیت یاب را میتوانید در فروشگاه دانشجو کیت بررسی و خرید کنید. ماژول جی پی اس برای کارکرد نیازمند یک تراشه یا برد میکروکنترلر است. این ماژول‌ها معمولا توسط ارتباط سریال یا همان UART ارتباط برقرار میکنند. سپس میتوانید برنامه نویسی کرده و اطلاعات مربوطه را دریافت و استفاده کنید. به عنوان مثال در یک دستگاه ردیاب مخصوص خودروهای حمل و نقل، اطلاعات از ماهواره‌های موقعیت یاب خارج از کره زمین دریافت شده و سپس به مرکز دیگری جهت پایش منتقل می‌شوند. به این صورت امکان ردیابی آنلاین از موقعیت خودرو فراهم می‌شود.
تولید کنندگان ماژول جی پی اس
ماژول جی پی اس انواع مختلفی دارد که هر کدام برای نیازمندی‌های خاصی طراحی و ساخته شده است. در فروشگاه دانشجو کیت از دو برند uBlox و quectel میتوانید جی پی اس مورد نظرتان را بررسی و خرید کنید. هر کدام از این تولید کننده‌های جی پی اس انواع مختلفی دارند. به صورت معمول ساده‌ترین ماژول فقط امکان اتصال به ماهواره‌های آمریکایی یا همان GPS را دارد. ماژول‌های حرفه‌ای تر امکان اتصال به ماهواره‌های روسی یا همان GNSS را هم دارا هستند. که در این صورت سرعت اتصال و دقت تشخیص موقعیت مکانی بالاتر می‌رود.
در کنار ماژول GPS چه ماژول‌هایی نیاز داریم؟
ماژول موقعیت یاب جی پی اس به تنهایی هیچ کاربردی ندارد. برای راه اندازی نیازمند یک میکروکنترلر است. این میکروکنترلر میتواند به صورت تراشه و یا بردهای آماده به کار باشد. برد آماده به کار یا همان برد امبدد انواع مختلفی دارد. ولی معمول‌ترین نوع آن برد آردوینو است. توسط برد آردوینو میتوانید برای ماژول جی پی اسپ برنامه نویسی کنید. اگر بخواهید اطلاعات دریافتی از ماهواره‌های موقعیت یاب را پردازش کرده و برای مصرفی خاص مورد استفاده قرار دهید. نیازمند یک ماژول دیگر برای مخابره اطلاعات هستید. معمول‌ترین انتخاب برای این حالت استفاده از ماژول سیم کارت یا همان GSM است. که توسط اینترنت سیم کارت امکان ارسال اطلاعات بدست آمده به مقصد دیگری فراهم خواهد شد. مثلا اطلاعات دریافتی از ماهواره جی پی اس شامل طول و عرض جغرافیایی را توسط اینترنت سیم کارت به یک سرور منتقل کنید. اطلاعات را ذخیره کرده و مسیر حرکتی را روی نقشه ترسیم کنید. مشابه اتفاقی که روی نقشه‌های اسنپ مشاهده می‌کنید.
تفاوت ماژول Neo-6M و ماژول Neo-7M و ماژول Neo-8M چیست؟
تراشه‌های جی پی اس ساخت uBlox تنوع زیادی دارند. هر کدام براساس فرکانس کاری، سرعت تبادل اطلاعات، بادریت و جریان مصرفی و تعداد اتصال همزمانی ماهواره‌ای متفاوت هستند. این سه نسخه از تراشه‌های جی پی اس uBlox در بازار ایران بسیار پر مصرف هستند. در ادامه تفاوت هر کدام را توضیح خواهیم داد.
دارای قابلیت اتصال فقط به ماهواره‌های GPS است. تا 22 ماهواره را از طریق 50 کانال میتواند پشتیبانی کند. همچنین در -161 dB بالاترین سطح دقت با گرید صنعتی را ارایه میدهد. میزان جریان مصرفی هم در حد 45mA است. ماژول GPS Neo6M دارای اینترفیس‌های ارتباطی UART و USB و I2C و SPI است. انواع مختلف از این نسل شامل NEO-6G و NEO-6Q و NEO-6M هستند. برای درک تفاوت کامل هر کدام بایستی به دیتاشیت ماژول‌ها مراجعه کنید.
این ماژول قابلیت Multi-GNSS را داراست. به این معنی که علاوه بر اتصال به ماهواره‌های GPS به دیگر ماهواره‌ها هم متصل می‌شود. به صورت عمومی قابلیت اتصال به ماهواره‌های آمریکایی و روسی را دارد. ماژول GPS Neo7M دارای اینترفیس‌های ارتباطی UART و USB و I2C و SPI است. انواع مختلف از این نسل شامل NEO-7N و NEO-7M است. برای درک تفاوت هر کدام بایستی به دیتاشیت ماژول‌ها مراجعه کنید.
این ماژول GPS قابلیت اتصال به انواع بیشتری از ماهواره‌های GPS است. این موارد شامل ماهواره‌های BeiDou, Galileo, GLONASS, GPS / QZSS هستند. از این جهت ماژول Neo-M8 uBlox دقت بسیار بالاتری به نسبت نسل‌های قدیمی‌تر و سرعت تبادل اطلاعاتی بالاتری هم دارد. به صورت همزمان قابلیت دریافت اطلاعات از سه ماهواره مجزا را دارد. انواع مختلف از این نسل شامل NEO-M8J و NEO-M8M و NEO-M8N و NEO-M8Q هستند. برای درک تفاوت کامل هر کدام بایستی به دیتاشیت ماژول‌ها مراجعه کنید. ماژول GPS NeoM8 دارای اینترفیس‌های ارتباطی UART و USB و I2C و SPI است.
زبان برنامه نویسی تراشه‌های GPS
تراشه‌های GPS همگی طبق استاندارد بین المللی تولید می‌شوند. این تراشه‌ها قابلیت ارتباط با انواع میکروکنترلرها و سیستم‌ها را دارند. همانطور که پیشتر توضیح داده شد، معمولا از پروتکل ارتباطی UART و I2C و SPI پیشتیبانی میکنند. این پروتکل‌ها برای برقراری ارتباط با انواع سیستم‌ها کافیست. از اینرو برای برنامه نویسی از زبان‌های C و یا میکروپایتون بسته به نوع میکروکنترلر مورد استفاده میتوان استفاده کرد. بنابراین اگر از میکروکنترلر استفاده می‌کنید. میتوانید از طریق فرامین NMEA اقدام کنید. در این حالت از طریق ارتباط سریال میتوانید این فرامین را ارسال و داده‌های مورد نیاز را فیلتر کنید. بجز این مورد میتوانید از کتابخانه‌های توسعه داده شده از جمله TinyGPS++ استفاده کنید. که در این حالت بایستی دستورات کتابخانه را در برنامه بنویسید. توصیه می‌شود به مجموعه آموزش‌ها در سایت دیجی اسپارک مراجعه کنید. لینک آموزش ماژول GPS و موقعیت یاب اگر از میکروکنترلر استفاده نمی‌کنید، بهترین انتخاب برای راه اندازی استفاده از نرم افزار UCENTER است. این نرم افزار که توسط شرکت UBLOX(سازنده ماژول GPS مدل NEO6M) توسعه یافته، ما را قادر می سازد تا داده های دریافتی از ماژول GPS را به صورت گرافیکی و نموداری، مشاهده نماییم.
برنامه نویسی NEO6M و راه اندازی با آردوینو
بردهای آردوینو کاربردهای بسیار زیادی دارند. همچنین امکان راه اندازی انواع ماژول جی پی اس با این بردها فراهم است. برای برنامه نویسی ماژول Neo از uBlox بایستی ارتباط سریال بین برد آردوینو و ماژول جی پی اس برقرار کرد. پس از آن فرامین NMEA را به برد ارسال می‌کنید. این فرامین براساس سناریو مورد استفاده و یا کاربری مد نظرتان بایستی تعیین شوند. در صورت تمایل همانطور که پیشتر هم اشاره شد میتوانید از طریق نصب کتابخانه Tinygps++ اقدام به برنامه نویسی توسط آردوینو کنید. اتصالات هم ساده است. کافیست مطابق تصویر زیر اقدام کنید.
راه اندازی ماژول GPS Neo6M
همانطور که پیشتر توضیح دادیم، ماژول GPS Neo6M یک ماژول مبتنی بر GPS است که میتواند اطلاعات موقعیت جغرافیایی، ارتفاع، سرعت و زمان را برای سیستم‌های الکترونیکی فراهم کند. برای راه‌اندازی این ماژول چند روش وجود دارد. در کل بایستی یک سری فرمان برای راه اندازی ماژول GPS به آن ارسال شود. این اقدام میتواند از طریق یک کامپیوتر و با رابط USB به سریال صورت گیرد. یا اینکه میتواند از طریق یک برد میکروکنترلر مانند آردوینو صورت بگیرد. در ادامه مراحل راه اندازی ماژول GPS را توضیح خواهیم داد.
ابتدا ماژول Neo6M را با کابل‌های جامپر به میکروکنترلر خود وصل کنید. پایه TXD ماژول به RXD میکروکنترلر و پایه RXD ماژول به TXD میکروکنترلر وصل شود. همچنین پایه VCC ماژول به منبع تغذیه ۵ ولت و GND ماژول به زمین وصل شود.
-
نرم‌افزار راه اندازی ماژول GPS
نرم‌افزاری مانند Arduino IDE را باز کرده و کد مربوط به ماژول Neo6M را برنامه‌ریزی کنید. برای این کار، میتوانید از کتابخانه TinyGPSPlus استفاده کنید که برای پردازش داده‌های GPS طراحی شده است.
پس از برنامه‌ریزی، میتوانید اطلاعات GPS را با استفاده از توابع کتابخانه TinyGPSPlus دریافت کنید. برای مثال، با استفاده از تابع location.lat() میتوانید عرض جغرافیایی و با استفاده از تابع location.lng() میتوانید طول جغرافیایی را بدست آورید.
اطلاعات GPS را میتوانید بر روی یک نمایشگر LCD یا سریالی یا در یک برنامه کامپیوتری نمایش دهید. برای این کار، میتوانید از توابع Serial.print() یا Serial.println() استفاده کنید.
لازم به ذکر است که برای استفاده از ماژول Neo6M، نیاز به داشتن آنتن GPS مناسب و ایجاد دسترسی آسمانی برای دریافت سیگنال GPS از ماهواره‌های بیرون از کره زمین است.
نرم افزار UCENTER برای راه اندازی ماژول‌های جی پی اس uBlox
شرکت uBlox برای راه اندازی و کار با ماژول‌های جی پی اس، نرم افزاری جامع و کاربردی طراحی کرده است. این نرم افزار به اسم یوسنتر UCenter است. استفاده از این نرم افزار gps کاملا رایگان است. تمامی اتفاقاتی که توسط یک ماژول gps رخ میدهد را میتوانید با این نرم افزار مشاهده و کنترل کنید. این نرم افزار که توسط شرکت UBLOX(سازنده ماژول GPS مدل NEO6M) توسعه یافته، ما را قادر می سازد تا داده های دریافتی از ماژول GPS را به صورت گرافیکی و نموداری، مشاهده نماییم. این نرم افزار رایگان بوده و جهت دانلود آن باید روی این لینک کلیک نمایید. پس از دانلود نرم افزار آن را از حال فشرده خارج کرده و روی فایل نصبی آن کلیک کنید. نرم افزار ublox قادر است تا داده های دریافتی از ماهواره را به صورت گرافیکی نمایش دهد. این داده ها مربوط به زمان و تاریخ، سرعت، ارتفاع و… است. تصویر زیر منو های مربوط به نمایش هریک را با کادر قرمز رنگ، نمایش می دهد.
هریک از منوهای فوق داده های خاصی از ماهواره را نمایش داده که با کلیک بر روی آن می توانیم داده های مربوط را مشاهده نماییم. این منوها از راست به چپ به صورت زیر تعریف می شوند.
- نمایشگر ارتفاع
- نمایشگر ساعت(ساعت دریافتی از ماهواره)
- نمایشگر سرعت
- قطب نما
- نمایش اطلاعات کلی: به کمک این گزینه اطلاعات کلی نظیر طول، عرض، ارتفاع و … به صورت عددی در یک جدول به نمایش در می آیند.
- با کلیک بر روی این گزینه و فعال سازی آن، نقشه جهانی جهت نمایش موقعیت به نمایش در می آید.
- با کلیک و فعال سازی این گزینه، کیفیت سیگنال ماهواره ها را می توان مشاهده نمود.
- این گزینه تاریخچه کیفیت سیگنال های ماهواره را نمایش می دهد.
- با فعال شدن این گزینه، موقعیت ماهواره را نمایش می دهد.
- با کلیک و فعال سازی این گزینه، می توان خطای اندازه گیری را در زمان مشاهده نمود.
در نهایت با کلیک بر روی کلیه گزینه ها، پس از فیکس، داده های دریافتی به شکل زیر به نمایش در می آید.
شناخت ماژول Neo-6M جی پی اس
همانطور که پیشتر اشاره شد این ماژول موقعیت یاب یکی از کوچکترین‌ها و ارزان قیمت‌ترین ماژول‌های جی پی اس است. اکثر دستورات NMEA را میتوانید توسط این ماژول دریافت کنید. این ماژول از بادریت 4800bps تا 230400bps را پشتیبانی می‌کند. به صورت پیش فرض این میزان 9600 است. به صورت نامی دقت این ماژول در فضای باز و با شرط دریافت اطلاعات از 5 ماهواره در حدود 2.5 متر است. اما این مقدار دقت در ماژول جی پی اس Neo6M با شرایط استاندارد و اولیه ماژول بسیار بیشتر است. این ماژول برای کارکرد بهینه‌تر به آنتن اکتیو هم نیاز دارد. در جدول زیر مشخصات فنی ماژول GPS Neo-6M را مشاهده می‌کنید.
| Receiver Type |
50 channels, GPS L1(1575.42Mhz) |
| Horizontal Position Accuracy |
2.5m |
| Navigation Update Rate |
1HZ (5Hz maximum) |
| Capture Time |
Cool start: 27sHot start: 1s |
| Navigation Sensitivity |
-161dBm |
| Communication Protocol |
NMEA, UBX Binary, RTCM |
| Serial Baud Rate |
4800-230400 (default 9600) |
| Operating Temperature |
-40°C ~ 85°C |
| Operating Voltage |
2.7V ~ 3.6V |
| Operating Current |
45mA |
| TXD/RXD Impedance |
510Ω |
پارامتر NMEA در خواندن اطلاعات GPS
همانطور که پیشتر توضیح داده شد، ماژول‌های جی پی اس از یک استاندارد کدگذاری به اسم NMEA استفاده میکنند. داده های NMEA دارای پکت های مختلفی هستند که هرکدام با یک پیشوند، شروع می شوند. هر کدام از این پکت ها اطلاعات خاصی را به کاربر ارائه می دهند. البته بعضی از داده ها در پکت ها با هم یکسان هستند. دو مورد از پایه‌ای‌ترین پکت‌های NMEA در فناوری جی پی اس موارد GPRMC و GPGGA هستند. عبارت GPRMC مخفف Global Positioning Recommended Coordinates بوده و به کمک این پکت داده های اصلی جغرافیایی نظیر موقعیت، سرعت، زمان و تاریخ در اختیار کاربر قرار می گیرد. پکت GPGGA داده های مشترک زیادی با پکت GPRMC داشته، اما به کمک این پکت می توانیم ارتفاع خود را از سطح دریا، بدست آوریم. اگر علاقمند به یادگیری بیشتری هستید، پیشنهاد می‌شود مجموعه آموزش‌های راه اندازی و کار با ماژول GPS مدل Neo6M را در دیجی اسپارک دنبال کنید.
برای ساخت ردیاب چه وسایلی نیاز داریم؟
ردیاب یک وسیله کاربردی با موارد مصرفی متنوعی است. شرکت‌های پخش برای ردیابی خودروهایشان، شرکت‌های حمل و نقل برای تعیین مسافت طی شده و یا مسیر حرکتی خودروها، صاحبان خودروهای شخصی جهت ایجاد امنیت و تشخیص سرقت خودرو، یا حتی تعریف حصار جغرافیایی جهت اطلاع از خارج شدن وسیله نقلیه از محل تعریف شده و یا عبور از سرعت مجاز تعریف شده، همگی از کاربردهای متنوع رد یاب هستند. ساخت رد یاب کار ساده‌ای نیست. به این جهت که علاوه بر بخش سخت افزاری نیازمند بخش نرم افزاری و سرور هم دارند. بخش سخت افزاری ردیاب خودرو شامل ماژول GPS ماژول GSM برد میکروکنترلر و یک سری متعلقات دیگر است. در این بخش بایستی برنامه نویسی میکروکنترلر انجام دهید. شرط‌ها و نیازمندی‌ها را در آن اعمال کرده و سپس در سمت سرور اطلاعاتی که شرط نویسی شده بودند را دریافت کنید.
موقعیت یاب داخل ساختمان یا ردیابی داخلی
ردیابی اهمیت بسیار زیادی دارد. از جمله موارد محاسبه هزینه‌ها و یا بازاریابی و یا بهبود راندمان کاری از جمله اهداف اولیه‌ای هستند که در یک سناریو موقعیت یابی دنبال می‌شود. ردیاب داخل ساختمانی یا همان indoor positioning system امکان رد یابی افراد را در داخل یک ساختمان فراهم می‌کند. به عنوان مثال در یک فروشگاه خرده فروشی بزرگ مانند شهروند و یا رفاه و یا هایپر، اگر امکان ردیابی تک به تک افراد فراهم باشد، میتوان نسبت به ارتقا خدمات و تسهیل فروش اجناس برنامه ریزی شود. این مجموعه‌ها به شدت برای بهبود بازاریابی و ارایه خدمات بهتر نیازمند سامانه رد یاب داخل ساختمانی هستند. تکنولوژی به کار رفته در این سامانه معمولا از بلوتوث با حالت ibeacon است. مورد دیگری که در رد یابی داخلی اهمیت دارد، پاساژهای بزرگ و محلی هستند. در چنین حالتی توسط استقرار سامانه‌های موقعیت یاب داخلی امکان تشخیص محل حرکت و تردد افراد فراهم خواهد شد. برخی از ماژول‌های کاربردی برای ساخت سیستم indoor positioning system را در فروشگاه دانشجو کیت میتوانید تهیه کنید.
انواع آنتن در ماژول جی پی اس Gps
ماهواره‌های جی پی اس در خارج کره زمین و از ارتفاع 20200 کیلومتری تا 45000 کیلومتری قرار گرفته‌اند. دقت داشته باشید که این ارتفاع مربوط به تمامی ماهواره‌های موقعیت یاب کشورها است. برای برقراری ارتباط با این ماهواره‌ها بایستی آنتن مناسب هم استفاده شود. به صورت پیش فرض همراه ماژول‌های GPS یک عدد آنتن پسیو قرار دارد. ولی برای ارتباط بهتر و سریع‌تر با ماهواره‌ها لازم است که از آنتن اکتیو استفاده شود. معمولا در شهرهای شلوغ و پرتردد امکان اتصال به ماهواره‌ها بدون استفاده از آنتن مناسب فراهم نخواهد شد. انواع آنتن جی پی اس را میتوانید در فروشگاه دانشجو کیت بررسی و خرید کنید. برای اتصال بهتر و سریع‌تر ماژول GPS به آنتن اکتیو نیاز خواهید داشت.
ماژول مکان یاب GSP جی پی اس
موقعیت یاب ماژول gps جی پی اس یا همان ردیاب GPS توسط سامانه موقعیت یاب جهانی از طریق دست کم ۴ ماهواره تعیین موقعیت می‌کند. این کار با دریافت سیگنال از ماهواره‌های GPS جی پی اس (که در مدارهایی به دور کره زمین در چرخش هستند) انجام می‌گردد. برای تعیین موقعیت، گیرنده ماژول gps جی پی اس زمان‌های دریافت شده را با زمان خود مقایسه می کند. تفاوت این دو مشخص کننده فاصله گیرنده جی.پی.اس از ماهواره مزبور خواهد بود و این عملی است که دقیقا یک گیرنده جی پی اس انجام میدهد. آموزش ساخت دستگاه موقیعت یاب با GPS ماژول SIM808 نمایش نقشه توسط برد آردوینو میتواند ایده جالبی باشد.
مکان‌یابی با ماژول gps جی پی اس ، موقعیت‌یابی و تعیین محل یک جسم از دیرباز بحثی مهم به شمار می‌رفته است. امروز به مدد وجو ماهواره‌های مختلف، به سادگی و رایگان میتوان موقعیت هر جسمی را تعیین نمود. شرکت ublox با تولید ماژول‌های مختلف مکان‌یابی، یکی از شرکت‌های پیشرو در زمینه تولید تجهیزات مکان‌یابی ماژول Gps است. یکی از ماژول‌های پر استفاده این شرکت، ماژول Ublox Neo6M است که در اکثر پروژه‌های مکان یابی میتوان رد این ماژول را مشاهده نمود.
