ПАК GPS+Эхолот логгер

     GPS                  Эхолот                          Карта глубин

Предисловие

В последнее время в нашу жизнедеятельность стремительно вошли такие системы, как: GPS-навигация, картография, рыбопоисковая эхолокация.  GPS-навигацией и картографией многие пользуются при путешествиях на автомобиле, пешем туризме, на охоте и рыбалке. Рыбопоисковыми эхолотами пользуются рыболовы. Активные датчики глубины (Active Transducer) используются на катерах и яхтах.

Многие карты дорог,  городов, топо-карты, карты глубин больших водоемов доступны для использования в GPS-навигации, но иначе  дело обстоит с картами глубин внутренних водоемов - озер и рек, которые в первую очередь могут быть полезны для рыболовов. Таких карт просто нет или их очень трудно достать или использовать.

Таким образом, возникла идея создать комплекс для накопления данных о местоположении и глубине для последующего изготовления собственных карт глубин часто посещаемых водоемов!

Проект "Создание программно-аппаратного комплекса для исследования глубин внутренних водоемов"

Основные задачи комплекса: сохранение синхронных данных о местоположении и глубине в распространенном формате на SD-карту, вывод в реальном времени мультиплексированных NMEA-данных * от GPS и Эхолота на внешнее устройство по различным интерфейсам связи.

* Здесь и далее подразумевается стандарт NMEA-0183!
NMEA 0183 Information Sheet Issue 3.pdf от Actisence (или еще ссылка, популярное изложение электрической спецификации стандарта, способы подключения устройств - Talkers, описание мариновских NMEA-сообщений, на английском).
Описание NMEA протокола. Реализация в приемниках Garmin и GlobalSat. (в поисковиках можно найти много дополнительных ссылок по NMEA-сообщениям GPS-приемников).

Варианты реализации комплекса:

1. С применением GPS-приемника, Эхолота и Ноутбука.
2. С применением GPS-приемника, Эхолота и МК *  блока типа Arduino.

* МК - микроконтроллер.

Для кого этот проект: проект заинтересует в первую очередь  рыболовов (троллингисты привет!), но сам комплекс может использоваться и в профессиональной деятельности.

Уровень сложности проекта: любительский для повторения, но некоторые аспекты требуют углубленного изучения.

Проект ведется своими силами.


Основные этапы реализации проекта:

1. Изыскания. Поиск информации о подобных решениях в Интернет. Поиск соответствующего оборудования и программного обеспечения. Поиск и изучение технической документации и стандартов. Посещение форумов по данной тематике.
2. Приобретение или создание оборудования и программного обеспечения.
3. Изготовление прототипа программно-аппаратного комплекса (ПАК). Настойка, отладка и тестирование в лабораторных условиях. Выбор оптимальной конфигурации оборудования и программного обеспечения.
4. Изготовление рабочего комплекса для использования в полевых условиях. Тестирование комплекса на водоеме. Первичное накопление данных Latitude/Longitude/Depth.
5. Обработка данных программным обеспечением (ПО), получение первичных результатов - карт глубин, 3D-моделей дна.
6. Работа над ошибками.
7. Накопление больших объемов данных.
8. Обработка данных и получение окончательных результатов.
9. Использование  результатов при последующих посещениях водоемов.

Реализация комплекса

I.  Первый вариант комплекса с использованием Ноутбука

Состав комплекса:

1. Эхолот с NMEA-выходом с передачей данных в стандарте RS-232 (или активный датчик глубины с NMEA-выходом).
2. GPS-приемник (в роли приемника выступает смартфон Nokia 6110 Navigator с передачей NMEA-данных по Bluetooth при помощи программы ExtGPS, есть вариант под Andriod!).
3. Ноутбук, к нему подключен эхолот через USB-RS232 переходник и GPS-приемник по Bluetooth.
4. ПО на  Ноутбуке для: мультиплексирования NMEA-данных (GPSGate Client), записи треков c данными о глубине (OziExplorer), построения в реальном времени модели дна (DrDepth).
5. Дополнительное ПО для апостериорной обработки накопленных данных и создания карт глубин и 3D-моделей дна (GlobalMapper, Surfer, DrDepth, ReefMaster).

Недостатки комплекса:

1. Ноутбук - высокое энергопотребление, автомобильный аккумулятор - это слишком  для использования в ПВХ лодке (хотя...).
2. Ноутбук - проблемы с влагозащитой оного.
3. Ноутбук - большие габариты, вес.
4. Ноутбук - дополнительные кабели и преобразователи напряжения питания, в лодке получается целая паутина из проводов.

Таким образом, главное устройство в первом варианте становится главной проблемой!

Тем, кто заинтересовался реализацией такого варианта комплекса, могу посоветовать Military Notebooks. Проблемы с влагозащитой и тряской отпадут. На некоторых моделях встроен GPS-приемник.

Фото реализации первого варианта комплекса:

Комплектующие будущего комплекса.

Распайка кабеля эхолота, питание и данные.

Tx эхолота к Rx DB9(2), GND к GNG DB9(5)

USB-RS232 конвертер MasterKit, куплен в радиомагазине.
Питание от USB хоста.

Питание на 2 устройства куплено в автомагазине.
Переделано под контакты аккумулятора.
Контакт в прикуриватель достался эхолоту (на верхнем снимке).

Шнуры питания и данных в сборе.

GPSGate Client мультиплексирует NMEA-данные COM-портов от GPS и Эхолота,
может направить MUX NMEA-данные на n виртуальных COM-портов для
параллельной работы нескольких навигационных программ на PC.

DrDepth может создавать 3-D модель дна и линии глубины в реальном времени.
Понимает формат файла трека OziExplorer.

OziExplorer умеет записывать данные глубины  в поле для данных альтитуды,
полученные txt-треки можно обработать ПО  для построения карт глубин или 3D-моделей дна.

Немного поработав напильником и паяльником получаем эту красоту.
(без изоленты тоже не обошлось :)

Собственно сабж. Пора в поля!

II. Второй вариант комплекса с использованием МК блоков типа Arduino

Осознав всю сложность тестирования и использования созданного комплекса в полевых условиях на ПВХ лодке, я решил устремить свой взор в сторону МК устройств... и случайно на одном форуме в теме про NMEA-мультиплексоры обнаружил упоминание о МК блоке Arduino Mega. После краткого ознакомления с характеристиками данного блока и сопутствующих шилдов (Shield) у меня появилось стойкое убеждение создать компактный комплекс с низким энергопотреблением и массой возможностей по расширению функционала на МК блоках серии Arduino или подобных.

Минимальный состав комплекса:

1. МК блок Iteaduino Mega V1.0 (ATmega 2560) с четырьмя UART, один UART используется под USB на плате. МК выполняет функции NMEA-фильтра и NMEA-мультиплексора данных от GPS и Эхолота, осуществляет запись синхронных данных о местоположении и глубине в заданном формате на SD-карту, выводит MUX NMEA-данные на USB (и/или UART).
2. Эхолот с NMEA-выходом с передачей данных в стандарте RS-232 (или активный датчик глубины с NMEA-выходом). Для подключения этих устройств к UART МК потребуется конвертер сигналов RS232-TTL (на микросхеме MAX232 / MAX3232).
3. GPS Shield V1.0 (+Micro SD интерфейс) - очень удобный комбайн, рекомендую! Активная GPS антенна. (в данном GPS Shield используется модуль GlobalSat EB-365, который передает константные данные Lat, Lon, Speed при низких скоростях передвижения. ВНИМАНИЕ! Это можно исправить, отключив в модуле режим Static Navigation для GPS-модулей с чипом SiRF StarIII; в новом варианте комплекса используется GROVE модуль GPS на чипе u-blox NEO-6М).
4. Дополнительное ПО для обработки накопленных данных, как и в первом варианте ПАК.

Достоинства комплекса:

1. Доступность комплектующих для массового потребителя. Простота повторения.
2. Возможность (пере)программирования МК на языке высокого уровня C++ под свою реализацию комплекса (Open Source). Заливка программного кода (скетчей) из среды разработки по USB. Не нужен программатор!
3. Компактность, малый вес.
4. Низкое энергопотребление. Широкий диапазон напряжений питания.
5. On-board GPS - избавляемся от лишних проводов.
6. On-board SD   - независимое сохранение данных.
7. Возможность вывода MUX NMEA-данных на внешнее устройство по USB (например: Ноутбук, как в первом варианте ПАК, КПК) или на другое NMEA-устройство по RS-232.
8. Расширение/изменение возможностей комплекса под свои  потребности (например: беспроводные решения, подключение на вход дополнительных датчиков, TFT/LCD-дисплеи, солнечные панели и т.п.). Типа радиоэлектронный конструктор на базе МК!

Требования к комплексу:

• Требования озвучены в достоинствах.
• Дополнительное требование - надежная герметичность корпуса устройства, кабельных вводов, коннекторов, слотов и т.п.

Блок-схема комплекса:

Функциональные возможности комплекса:

• GPS-модуль подключается к UART1. Эхолот подключается к UART2. Читаем NMEA-данные с обоих UART почти в синхронном режиме, т.е. не ждем NMEA-предложения от одного устройства целиком. Новая версия программы: GPS, Эхолот или MUX NMEA-данные от обоих устройств можно подключить к любому UART (UART1 или UART2).
• Комплекс может работать как обычный GPS-логгер (трекер), когда не используется эхолот. Тогда вместо данных глубины будет участвовать альтитуда (высота над уровнем моря).
• Вывод MUX NMEA-данных на UART0 (USB). К USB может быть подключен ПК (ноутбук) для тестирования комплекса в период настройки или для работы с навигационным ПО в период эксплуатации комплекса.
• UART3 остается свободным для последующего расширения функциональных возможностей комплекса. Например, можно выводить на него  MUX NMEA-данные, а можно подключить Serial LСD или другие устройства.
• NMEA-данные, поступающие от GPS и эхолота, проходят проверку по контрольной сумме - фильтр по контрольной сумме, если таковая присутствует в NMEA-предложении. Если проверка не пройдена, то это NMEA-предложение отбрасывается и не участвует в дальнейшей обработке, оно не поступает на внешнее устройство по USB и не будет записано на SD-карту.
• На поступающие NMEA-данные могут быть наложены дополнительные NMEA-фильтры: свой фильтр на данные GPS, свой фильтр на данные эхолота, фильтр на вывод данных по USB, фильтр на обработку и запись на SD-карту. Это может пригодиться для уменьшения потока данных, проходящих через комплекс и, как следствие, уменьшения временных и вычислительных ресурсов комплекса. Например, программа DrDepth заранее настраивается на определенные NMEA-предложения от GPS и эхолота и остальные ей просто не нужны, следовательно, мы можем поставить соответствующий NMEA-фильтр на вывод данных по USB.
• Запись на SD-карту: запись происходит в трек-файл формата OziExplorer, после обязательных полей для  OziExplorer можно записывать дополнительные поля с любыми приходящими от устройств данными. Например, для построения температурной карты водоема можно записывать в трек данные от термодатчика эхолота. Или параметр HDOP, для последующего анализа и удаления первых точек трека. Данные глубины записываются в поле для данных альтитуды. Трек легко просмотреть на карте, проанализировать и отредактировать в OziExplorer. Данный формат файла понимают многие программы: DrDepth, Global Mapper, Surfer.
• Формат имени директории и имени файла: YYYYMMDD\DDhhmmss.plt , где: дата и время - текущие дата и время начала работы комплекса (первых синхронных данных).
• В имени директории и файла можно использовать: либо UTC, либо локальное время региона. Аналогично и для полей даты и времени в файле трека.
• При записи данных на SD применяется еще один фильтр - GPS FixData, по качеству принимаемых данных от GPS. В трек записываются данные только с признаком GPS FixData.
• При записи данных на SD реализован механизм контроля синхронности поступающих данных от GPS и эхолота, на тот случай, когда одно из устройств перестает передавать данные, передает их с низкой точностью (GPS FixData) или с ошибками (контрольная сумма).
• Для прореживания точек при записи в трек могут использоваться два алгоритма: с указанием минимальной дистанции между географическими координатами и минимальной разницы глубины, и с адаптивной дистанцией, зависящей от скорости передвижения и минимальной разницы глубины (эта возможность удалена, зачем заведомо терять такую ценную информацию о глубине!?).
• Реализован механизм определения точек разрыва трека, когда пропадают данные от устройств, они низкой точности или с ошибками.
• Новый файл (директория) формируется каждый раз при включении и рестарте комплекса или при вставке SD-карты в работающий комплекс.
• SD-карту можно снимать и вставлять во время работы комплекса. После вставки карты произойдет ее инициализация и настройка комплекса из файла настроек, записанного на SD, будет создан новый файл трека, пойдет запись данных в трек.
• Индикация основных процессов работы комплекса реализована на светодиодах: индикация инициализации SD-карты или ее отсутствия, индикация чтения файла настроек или его отсутствия, индикация процесса чтения поступающих данных от UART1 и UART2 (GPS и Эхолот), индикация процесса вывода данных на UART0 и UART3 (USB и Bluetooth), индикация процесса записи синхронных данных в трек на SD, индикация GPS FixData и пропадание сигнала GPS. Предусмотрена возможность использования пищалки для озвучивания процесса записи синхронных данных в трек на SD.
• Основные настраиваемые параметры комплекса могут быть установлены из INI-файла, который должен находиться в корневой директории SD-карты, иначе будут использованы значения, установленные в программе.
• 
  

Тестирование комплекса:

Тест длительной записи данных на SD-карту:

Тест длился больше 12 часов, в стационарном положении в помещении, эхолот в режиме симуляции. Запись на SD в txt-файл в формате трека OziExplorer + дополнительные поля данных. Период записи точек ~1с.

Результаты:

• Размер файла: 3.24 Мб.
• Количество путевых точек: 43509.
• Замечено много "выбросов" GPS, с которыми предстоит бороться (фильтровать).

Тестирование комплекса при поездке на автомобиле:

Тест проводился без эхолота, вместо данных глубины в алгоритм подставлялись данные высоты (альтитуды). Настройка ограничения записи точек: дистанция между точками >= 5 м, разность глубин (высоты) >= 1 м, запись на SD происходит по срабатыванию одного из этих условий.

Результаты:

• При остановке на перекрестках нет лишних точек. Плавная линия трека на круговых перекрестках.
• На малой скорости по лесной дороге запись  шла через несколько секунд – прореживание точек. На трассе ограничение в 5м срабатывало каждую секунду (72 км/ч это уже 20 м/с).
• Надо сделать второй алгоритм - адаптивный, который будет вычислять дистанцию записи точек в зависимости от скорости движения.
• Первый трек 100 км пути, 6000 точек. Второй трек 90 км пути, 5100 точек.

Тестирование комплекса при низких скоростях передвижения:

Тест проводился без эхолота в пешем режиме передвижения.

Результаты:
Выяснилось, что при скорости передвижения ниже "пороговой" для GPS-модуля GlobalSat EB-365 (~ 1.0 - 1.3 м/с), GPS выдает константные значения Lat / Lon и скорость равную нулю !? При этом все три сообщения GLL, GGA и RMC с признаком GPS FixData! При превышении пороговой скорости GPS-модуль начинает выдавать реальные данные и комплекс работает правильно.

В чем проблема? Что за порог скорости?

Если проблему не получится решить, то данный GPS Shield придется исключить из комплекса, заменить на другой или использовать GPS от смартфона через Bluetooth (GPS в смартфоне пишет треки и с меньшими скоростями передвижения).

ВНИМАНИЕ! Это можно исправить, отключив в GPS-модуле режим Static Navigation (особенность изначальной настройки GPS-модулей с чипом SiRF StarIII).

Тестирование комплекса на водоеме

В конце мая удалось выбраться на рыбалку, накатали немного треков. Как и предвидел, при троллинге на скорости 3.2 - 4.0 Км/ч трек не записывался (см. проблему GPS-модуля выше), только странные точки ровно через 200 м!? А при переходах с места на место на больших скоростях, все отлично записалось. Треки обработал в программе DrDepth, что-то даже получилось :)

На ЮГ идем с низкой скоростью, фиксируются точки ровно через 200 м!?
Кстати, на Африку чем-то похоже J

Вдоль берега накатали очень плотно, получилось похоже на конечный результат.
Результатом может быть: как цветная карта, так и просто изолинии с числовыми метками глубины.
Результат можно наложить на растровую карту или спутниковый снимок или преобразовать в
векторный формат для устройств типа Garmin.

На замену шилда с GPS-модулем GlobalSat EB-365 заказал GROVE модуль GPS на чипе u-blox NEO-6М, SD card Shield V3.0 с GROVE контактами. GROVE - Модуль Serial Bluetooth для использования внешнего Bluetooth-GPS или для возможности отправки навигационных данных комплекса на внешнее устройство (смартфон, таблетку и т.д.). 

Новый вариант комплекса представлен в статье ниже.


Первый результат

Что тут говорить, вот результат проделанной работы.
Представлен пример 3D-модели дна глубоководного участка озера.
Площадь обследования - несколько десятков квадратных километров, глубины до 40 метров.
Красиво!

Самодельные растровые карты озер в Oziexplorer PC

Растровая карта глубин с наложением на спутниковую подложку.
На карте: линии глубины с отметками глубины в метрах, интервалы
глубин окрашены цветом, серыми линиями показаны треки, черные
области - еще не обследованные места, красная сетка - 100 м, синяя - 1 км.

Подсветка при создании карты для придания карте рельефности.
В центре карты "Пик Коммунизма" - 5м, за который раньше
часто цепляли снасти, теперь обходим мимо 😊

Фото реализации второго варианта комплекса на МК:

Вкусняшки J

Старый знакомый из первого варианта комплекса...

...выводит NMEA-данные в стандарте RS-232 (Tx - синий провод),
еще потребуется земля (GND - черный провод) и питание - красный.

Пришлось разобрать свой "черный ящик" из первого варианта комплекса
для подключения к эхолоту дата-кабеля с конвертером RS232-TTL.
Дата кабель - как временный вариант для изучения и тестирования в домашних условиях.

Вот и пригодился дата-кабель от телефона Siemens ME45 (фирменный DCA-500),
к его DB9(Tx) подключаем Tx провод от эхолота,
на TTL выходе дата-кабеля это уже будет Rx (Pin6, см. ниже),
не забываем подключить землю от эхолота к DB9(GND).

Разъем дата-кабеля к телефону с TTL уровнями, нас интересуют Rx (Pin6), Tx(Pin5), GND(Pin1), PWR(Pin4).
Tx вроде как и не нужен, т.к. в эхолот ничего не передаем, но пока не подключил его к Tx  Iteaduino
данные не приходили на UART (глюк какой-то) !?

Распиновка телефонного разъема дата-кабеля DCA-500.

Вкусняшки воссоединились.
Обращаю внимание на то, что у GPS Shield есть возможность перекидывать Rx/Tx пины
на разные пины Iteaduino,  что мне и пригодилось, т.к. программу я разрабатывал заранее и
в коде посадил GPS на UART1, а эхолот на UART2. Перемычками пересадил GPS на UART1.

Питание для дата-кабеля берем от Iteaduino, я подал 5V.
Пока не пришла GPS-антенна, подключил обычный TV-кабель,
кинул конец на окно - работа GPS стала возможной.

Общий вид прототипа.

Старый знакомый , б/у от UPS: 12V, 7 Ah, Pb-гелиевый (или кислотный). Рекомендую!
Заряжать можно зарядным устройством для автомобильных аккумуляторов, меньшим током.
 На рыбалке используется для питания эхолота и смартфона с GPS.
В рабочей версии комплекса будет питать весь комплекс.

Тестирование связки GPS-МК-ПК-OziExplorer в домашних условиях.
Созвездие спутников просто атаковало меня  J  

Записал трек на SD-карту в формате OziExplorer.

Путевые точки этого трека. Все точно, как в аптеке!
 (похоже работа режима Static Navigation в SiRF StarIII)
Эхолот не был подключен, поэтому в поле Alt нули.

Рассыпуха для RS232-TTL конвертера и светодиодной индикации.
Микросхема - MAX232 CPE в DIP16 корпусе. Конденсаторы для ее обвязки - керамика, 0.1uF.

MAX232

Схема  RS232-TTL конвертера на MAX232.
(я использовал все неполярные конденсаторы)

RS232-TTL конвертер на MAX232. Давненько не паял микрухи...

... но все отлично получилось.

Вешаю конвертер на питание 5В Iteaduino.

Временный вариант подключения эхолота к комплексу.
В рабочей версии все соединения будут спрятаны в герметичный корпус,
все шнурки  через гермовводы, как в первом варианте комплекса.

Забыл подключить землю к DB9 :(

Кабель от эхолота тоже временно пришлось переделать.

Соединил RS232-TTL конвертер с пинами Tx2/Rx2 Iteaduino.

Подключил светодиоды на цифровые пины МК через резисторы номиналом 1K.
Индикация следующих процессов: чтение входящих данных из UART1,
чтение входящих данных из UART2, запись данных на SD-карту,
 вывод данных на UART0 (USB).

Гирлянда замигала всеми цветами J

Пришла активная GPS-антенна, теперь дело пойдет веселее.

Проверка работы комплекса в роли мультиплексора NMEA-данных.
MUX NMEA выводились прямо на USB-интерфейс Iteaduino,
а затем просматривались на SerialMonitor в среде разработки Arduino IDE.
NMEA-предложения: $GPxxx - от GPS, а $SDxxx - от эхолота.

"Сижу за решеткой в темнице сырой..."
Эх, корпус так долго не приходит.

Наконец пришел герметичный корпус фирмы GAINTA.
Модель G2104С, размеры 120 x 80 x 55, класс защиты IP-65.
В комплекте винты для крепления крышки и неопреновый уплотнитель.

Решил использовать такие гермовводы для тонких кабелей 3-5 мм.
Класс защиты IP-67.

SMA разъем для GPS-антенны.
Родной разъем пришлось отрезать для пропуска кабеля
антенны через гермоввод.

Гермовводы установлены.

Отверстия для крепежа на плате Iteaduino сделаны в неподходящих местах.
Одни очень близко к радиоэлементам на плате и к отверстиям для пайки,
другие непонятно где. Пришлось попотеть с креплением платы.

Корпус пришел за несколько дней до выезда на рыбалку,
монтажную плату уже не успел разработать, поместил все
в корпус, как было на момент прототипирования.

Уплотнитель на месте. Отверстия для крепежа вне зоны герметизации.

Комплекс в сборе.
Кабель от эхолота, кабель питания, GPS-антенна.

Тестирование комплекса на водоеме.
Ура!

III. Новый вариант комплекса на МК с использованием GPS u-blox NEO-6M и SD Shield

Из-за неприемлемого режима работы GPS-модуля GlobalSat EB-365 на низких скоростях, пришлось подыскивать новый GPS-модуль. Выбор пал на модуль u-blox NEO-6M (DataSheet), и, как оказалось, выбор был сделан удачно. Данный модуль обновляет навигационные данные c  частотой до 5 Гц, имеет несколько интерфейсов: UART, USB, SPI, I2C, работает с протоколами NMEA и UBX и имеет кучу других вкусностей. А самое главное - модуль выдает навигационные данные при низких скоростях передвижения! По модулям u-blox на сайте производителя доступна обширная документация. Имеется фирменная программа u-center для изучения и настройки модулей u-blox, даже есть возможность навигации с использованием картографии Google Earth. Все супер!

Состав комплекса:

1. Эхолот с NMEA-выходом с передачей данных в стандарте RS-232 (или активный датчик глубины с NMEA-выходом). Для подключения этих устройств к UART МК потребуется конвертер сигналов RS232-TTL (на микросхеме MAX232 / MAX3232).
2. МК блок Iteaduino Mega V1.0 (ATmega 2560) с четырьмя UART, один UART используется под USB на плате. МК выполняет функции NMEA-фильтра и NMEA-мультиплексора данных от GPS и Эхолота, осуществляет запись синхронных данных местоположения и глубины в заданном формате на SD-карту, выводит MUX NMEA-данные на USB (и Bluetooth).
3. GROVE - Модуль GPS (с мини антенной) на чипе u-blox NEO-6М.
4. SD card Shield V3.0 с GROVE разъемами интерфейсов UART и I2C .
5. GROVE - Модуль Serial Bluetooth для вывода навигационных данных комплекса на внешнее устройство (смартфон, планшет и т.п.).

Блок-схема комплекса:

Дополнительные функциональные возможности комплекса:

• изменение частоты работы GPS-модуля: 1, 2, 4, 5 Гц - повышает точность привязки данных глубины к GPS-координатам (синхронизация данных, об этом см. ниже).
• изменение скорости передачи данных UART GPS-модуля - позволяет установить большие скорости передачи данных для нормальной работы комплекса при режимах работы GPS-модуля с частотами выше 1 Гц.
• вывод MUX NMEA-данных комплекса на внешнее устройство через Serial Bluetooth (в стадии тестирования) - беспроводное подключение устройств с картографическими навигационными программами.

Фото реализации третьего варианта комплекса на МК:

Новые вкусняшки J
 GROVE - модуль GPS, GROVE - модуль Serial Bluetooth,
SD card Shield, GROVE кабель.

Все удачно поместилось в гермокорпус.

Теперь GPS-антенна внутри корпуса, меньше проводов - это плюс.
(а может и минус, т.к. антенна должна быть как можно выше и ничем не экранироваться)

Сабж.

Сабж готов к рыбалке.

Программа u-center от u-blox.
Использование Google Earth.

Программа u-center от u-blox.
Просмотр GPS-данных по протоколам NMEA и UBX.

Программа u-center от u-blox.
Просмотр статистических GPS-данных.

IV. Новый вариант комплекса на МК с использованием Serial Bluetooth и RS232 Shield

Состав комплекса:

1. Эхолот с NMEA-выходом с передачей данных в стандарте RS-232 (или активный датчик глубины с NMEA-выходом). Для подключения этих устройств к UART МК потребуется конвертер сигналов RS232-TTL (на микросхеме MAX232 / MAX3232).
2. МК блок Iteaduino Mega V1.0 (ATmega 2560) с четырьмя UART, один UART используется под USB на плате. МК выполняет функции NMEA-фильтра и NMEA-мультиплексора данных от GPS и Эхолота, осуществляет запись синхронных данных местоположения и глубины в заданном формате на SD-карту, выводит MUX NMEA-данные на USB (и Bluetooth).
   
3. GROVE Модуль GPS (с мини антенной) на чипе u-blox NEO-6М (wiki, правда теперь выпускают на модуле SIM28, протокол UBX этим модулем не поддерживается!).
   
4. SD card Shield V3.0 с GROVE разъемами интерфейсов UART и I2C (wiki).
   
5. GROVE Модуль Serial Bluetooth для вывода навигационных данных комплекса на внешнее устройство (смартфон, планшет и т.п.) (wiki).
   
6. Новичок: RS232 Shield с площадкой для прототипирования и DB9 разъемом (wiki).
   

Этот вариант был разработан под заказ, постарался сделать конструкцию товарного вида.

Основные изменения в конструкции:

• использование RS232 Shield: избавление от "соплей" самодельного RS232-TTL конвертера и резисторов, LED BAR с резисторами и контактные колодки распаяны на площадке для прототипирования.
• использование модуля Serial Bluetooth.
• использование геркона для сброса МК (reset) с целью записи трека в новый файл.
• использование LED BAR индикатора (красный, желтый, зеленые).

Монтажная схема комплекса:

Дополнительные рисунки к схеме:

Используемые пины Iteaduino Mega 2560.

Пины и интерфейсы SD Shield.

Пины и интерфейсы RS232 Shield.

Фото-сессия (понеслась):

Такой вот бутерброд из трех шилдов J

Плюсы RS-232 Shield: два варианта подключения Эхолота по RS-232,
удалось разместить LED BAR с резисторами
и контактные колодки для питания комплекса.

Плюсы SD-card Shield: слот под SD и microSD,
GROVE разъемы пригодятся для подключения питания к
GROVE GPS и GROVE Bluetooth.

К SD слоту проще будет добираться.

Первый способ подключения Эхолота к RS-232 Shield.

Второй способ подключения Эхолота к RS-232 Shield.

Разводка питания от аккумулятора к комплексу и Эхолоту.

Разъем DB9 - временный вариант.
GPS прикручен к плате МК.

LED BAR - индикатор процессов комплекса.

Монстр! Брутальный видок J
Да, минимизация не помешала бы.

Ужас! Но а кому в Зимнюю Олимпиаду легко!?
Все ресурсы туда, вот винтиков и не осталось.

Тестирование передачи NMEA GPS по BT.

А тут и Эхолот присоединился.

Тестирование передачи NMEA одновременно по BT и USB.

Укладка в корпус.

Последние приготовления.

Проверка доступа к SD слоту.

Геркон сброса комплекса для записи трека в новый файл.
Файлы при создании именуются по текущему времени,
которое берется из NMEA GPS.

Готов к отправке в дальние края!
"Будет вечно Карелия сниться..."

Красота!

Ошибки измерений вносимые комплексом

В этом разделе описаны ошибки измерений и способы их устранения, которые  известны мне.

1) Ошибка привязки данных о глубине к географическим координатам из-за асинхронности поступления данных от GPS и Эхолота в комплекс.

На рисунке приведены два примера: первый - работа GPS на частоте 1 Гц, второй - с частотой 2 Гц. 

Из рисунка видно, что данные от двух устройств поступают в комплекс с задержкой dT. Значение dT непостоянно и может быть с разным знаком. Двигаясь с определенной скоростью, мы за время dT пройдем определенный путь, следовательно измеренная глубина будет не в той географической точке, которую мы получим от GPS. Ошибка max(dL) зависит от скорости движения и прямопропорциональна ей.

Пример 1: частота измерений Эхолота - 1 Гц, частота измерений GPS - 1 Гц, следовательно max(dT) = 1 c, скорость движения - 7.2 км/ч (2 м/с). Получаем max(dL) = 2 м.

Пример 2: частота измерений Эхолота - 1 Гц, частота измерений GPS - 1 Гц, следовательно max(dT) = 1 c, скорость движения - 3.6 км/ч (1 м/с). Получаем max(dL) = 1 м.

Пример 3: частота измерений Эхолота - 1 Гц, частота измерений GPS - 2 Гц, следовательно max(dT) = 0.5 c, скорость движения - 3.6 км/ч (1 м/с). Получаем max(dL) = 0.5 м.

В данном комплексе величина dT известна на каждом измерении (сохранении пары). Значение dT вычисляется по процессорному времени в миллисекундах и записывается в дополнительное поле в файл трека OziExplorer.

Пути уменьшения ошибки:

• Увеличение частоты измерений GPS. Чем больше частота измерений GPS, тем меньше  max(dT) и max(dL), т.е. точка измерения глубины ближе к точке измерения GPS.
• Т.к. значение dT записывается в файл трека, то есть возможность проводить апостериорную обработку данных на ПК с целью вычисления более точных географических координат измерения глубины (скорость движения тоже записывается в файл трека, истинный курс можно вычислить по паре точек в треке).

2) Ошибка привязки данных о глубине к географическим координатам из-за задержки между измерением координат в GPS-модуле и поступлением их в комплекс.

Данная проблема всесторонне описана в ветке форума на сайте geodesist.ru.

У меня только один комментарий: в моем комплексе нужно учесть тот факт, что подобная задержка присутствует и при передаче NMEA-данных с эхолота. Плюс к этому, проблема асинхронности поступления данных от обоих устройств может вносить бОльшую ошибку измерения и маскировать ошибку из-за задержки поступления данных.

Пути уменьшения ошибки:

• В сообщении на форуме описано несколько вариантов решения проблемы с задержкой.
• Отключение ненужных NMEA-сообщений на GPS-модуле, переход на бинарные протоколы GPS-модулей, увеличение скорости передачи данных в интерфейсах передачи данных. Т.о. можно свести эту задержку к одному порядку с задержкой поступления данных от эхолота. Дальше остается решить проблему асинхронности поступления данных (см. выше).

3) Вычисления с плавающей точкой.

На платформе Arduino предусмотрены два типа данных для работы с числами с плавающей точкой: float и double. Но казус в том, что тип двойной точности - double занимает в памяти всего 4 байта, как и тип float, т.е. имеет ту же точность. Тип double поддерживается в Arduino для совместимости с другими платформами.

В комплексе числа с плавающей точкой применяются при преобразовании географических координат из формата "dddmm.mmmm", в котором приходят данные в NMEA-сообщении, в формат "ddd.dddddd". На этом этапе получаем погрешность вычисления координат.

Пути уменьшения ошибки:

• Можно перейти на другую платформу, где тип double будет реально двойной точности.
• Можно записывать в трек данные о координатах в формате "dddmm.mmmm", как они приходят в NMEA-сообщении и делать апостериорную обработку данных на ПК, но тогда в комплексе придется отказаться от формата файла OziExplorer.

Несколько вариантов подбора X-duino блоков под имеющееся у вас оборудование для создания комплекса с минимальной конфигурацией:

У вас должен быть  Эхолот с NMEA-выходом (типа этого) с передачей данных в стандарте RS-232 (или активный датчик глубины с NMEA-выходом (типа этих)). Для подключения этих устройств к UART потребуется конвертер сигналов RS232-TTL (на микросхеме MAX232 / MAX3232).

  Вход данных:

1. У вас есть GPS-устройство (приемник или навигатор) с NMEA-выходом по RS-232 или USB. Для подключения устройства к UART потребуется соответствующий конвертер. Тогда вам следует приобрести: Iteaduino Mega V1.0 (ATmega 2560) и SD Card Shield.
2. У вас есть GPS-устройство (приемник или навигатор) с передачей NMEA-данных по Bluetooth. Тогда вам следует приобрести: Iteaduino Mega V1.0 (ATmega 2560), Bluetooth Shield и SD Card Shield. (Например, свой смартфон Nokia 6110 Navigator с программой ExtGPS я мог применить в этом варианте).
3. У вас нет GPS-устройства или нет возможности получить с него NMEA-данные - мой вариант комплекса. Тогда вам следует приобрести Iteaduino Mega V1.0 (ATmega 2560) и GPS Shield V1.0 (+Micro SD интерфейс) + Активную GPS антенну (в новом варианте: GROVE - Модуль GPS (с мини антенной), SD card Shield V3.0).

  Выход данных:

1. USB: вывод MUX NMEA-данных по USB будет по-умолчанию в моем варианте комплекса. Следующие пункты зависят от конкретной конфигурации комплекса.
2. RS-232: если остался свободный UART, то через конвертер сигналов RS232-TTL MUX NMEA-данные можно вывести на морское NMEA-оборудование или любое другое устройство с интерфейсом RS-232.
3. Bluetooth: если остался свободный UART, то используя  Bluetooth Shield (если он не используется для входа данных),  MUX NMEA-данные можно вывести на любое устройство с  Bluetooth (КПК, смартфон, ноут, таблетку).
4. Wi-Fi (пока не изучал, но думаю проблем не будет).

В минимальных конфигурациях комплекса для индикации состояния системы можно использовать светодиоды . Для топовых конфигураций можно установить TFT/LCD-дисплей.

Все зависит от связки: цена - возможности комплекса - потребности пользователя!

Полезные материалы по проекту:

Платформа Arduino (AVR):

• Arduino (Home)
• Arduino (железо)
• Arduino (IDE)
• Arduino (описание языка программирования)
• Arduino (примеры программ и библиотеки)
• Arduino.ru (русский сайт)
• 
  

Платформа Leafmaple (ARM STM32):

• Maple
• LeafLabs (документация)
• Maple (IDE)
• Maple (описание языка программирования)
• Maple (библиотеки)
• Maple (доп. библиотеки - wiki)
• 
  

Конвертер RS232-TTL или как подключить NMEA-устройства к МК:

• Картинки по запросу (ссылка).
• Подключение NMEA-устройства к OpenLog (с сайта DrDepth).
• MICROCONTROLLER UART TUTORIAL (с сайта Society Of Robots).
• Конвертер RS-232-TTL (с сайта Digital Electronics).
• 
  

Некоторые результаты создания карт глубин и 3D-моделей дна из Интернет:

• DrDepth: примеры с сайта разработчика программы (ссылка).
• DrDepth: модель дна (ссылка).
• http://www.rusfishing.ru (требуется регистрация для просмотра вложений).
• 
  

Форумы по данной тематике, которые натолкнули меня на создание первого варианта комплекса:

• Тема на  http://www.rusfishing.ru (требуется регистрация для просмотра вложений).
• Тема на  http://www.gps-forum.ru 
• Тема на  http://forum.motolodka.ru 
• Русский сайт Arduino http://arduino.ru
• 
  

Форумы по батиметрии:

• Раздел "Гидрография и подводная съемка" на сайте geodesist.ru
• Описание проблемы синхронизации данных по времени на форуме сайта geodesist.ru
• 
  

Ссылки на активные датчики глубины фирмы CruzPro Ltd:

• Датчики (внизу страницы приведены схемы подключения)
• Цены на датчики 2013
• Как заказать и оплатить?
• 
  

Сайты разработчиков ПО для навигации и моделирования:

• DrDepth (Внимание! Проект DrDepth куплен американской компанией Humminbird, которая на этой основе выпускает новую программу Autochart с выходом карт в формате Lakemaster, который поддерживается картплоттерами от Humminbird!)
• Архив сайта DrDepth
• ReefMaster (можно использовать вместо DrDepth, заточена под создание карт глубин для картплоттеров фирмы Lowrance и Humminbird, создание растровых карт глубин тоже поддерживается). Инструкция на русском (PDF).
• OziExplorer
• GlobalMapper
• Surfer
• GPSGate Client
• ExtGPS (Symbian, Android)
• SAS.Planet (SAS.Планета)  (Android, WinCE)
• 
  

(Продолжение следует)