M5Stack Atomic GPS. Tracker ESP32 TinyGPS++, export GPX sur carte SD, visualisation sur Google Maps ou VSCode • Domotique et objets connectés à faire soi-même

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Le module GPS pour M5Stack Atom est un mini boitier qui combine un module GPS u-blox UBX-M8030-KT et un mini module M5Atom Lite ESP32-PICO-D4 de M5Stack. Pour ce projet, nous allons développer un tracker GPS à l’aide de la librairie Arduino TinyGPS++ qui nous servira à récupérer les données de localisation, le nombre de satellite, l’altitude et la précision de positionnement (HDOP). Les données GPS du tracker seront enregistrées sur une carte microSD au format GPX afin de pouvoir afficher le tracé sur un logiciel de cartographie tel que OpenStreetMap, Google MAP ou Leaflet.

Un fichier de statistique est également généré automatiquement par le programme Arduino. Il exporte la distance parcourue en mètres et en kilomètres, la vitesse maxi et moyenne.

Présentation du module GPS M5Atom Lite de M5Stack

Le module GPS de M5Stack est un boitier qui embarque un récepteur GPS UBX-M8030-KT u-blox sur lequel vient s’insérer un Core M5Atom Lite (la version avec un seul point lumineux).

Le package contient les éléments suivants dans un boitier de protection en plastique transparent

  • M5Atom Lite construit autour d’un ESP32-PICO-D4 d’Espressif
  • Le boitier GPS u-blox
  • Un câble USB-C pour la programmation
  • Visserie + Clé 6-pans

Le boitier GPS est un équipé des éléments suivants

  • D’un récepteur GPS UBX-M8030-KT du fabricant u-blox
  • D’un lecteur de carte Micro-SD
  • D’un port Grove A PH2.0 4 broches exposant le bus I2C (broches 21 et 22 de l’ESP32-PICO-D4)

Petit regret, le boitier n’embarque pas de batterie LiPo. Pour alimenter le pack, il faudra utiliser une Power Bank, le bloc d’alimentation TailBat de M5Stack vendu séparément ou bricoler sa propre solution par impression 3D.

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Pack GPS avec mini module ESP32-Pico-D4 M5Atom Lite

Présentation du boitier M5Atom Lite ESP32-PICO-D4

Le M5Stack Atom Lite est une mini carte de développement très compacte mesurant 24x24x10mm construit autour d’un micro-contrôleur ESP32-PICO-D4 d’Espressif équipé de 4Mo de mémoire flash SPI intégré. Le PICO est une version adaptée à l’électronique vestimentaire ou mobile. Comme son grand frère, il dispose de la connectivité WiFi et Bluetooth.

Voici les principales équipement et caractéristiques techniques de l’Atom Lite

LED RGB Pilote SK6812 sur la broche GPIO27
Emetteur IR Broche GPIO12
Boutons Utilisateur sur la broche GPIO39

RESET

GPIO compatible breadboard G19, G21, G22, G23, G25, G33

3V3, 5V, GND

Ports USB-C pour alimentation et programmation

GROVE (I2C + I/0 + UART) connecteur PH2.0 4 broches. GND, 5V, G26, G32

Antenne WiFi Antenne 3D 2.4G
Température de fonctionnement 0°C à 40°C
Poids 3g
Dimensions 24 x 24 x 10 mm

Plus d’informations sur cette page.

Récepteur GPS UBX-M8030 u-blox (série M8)

Le récepteur UBX-M8030 est une puce GPS polyvalente de la série u-blox M8 dont voici les principales caractéristiques :

  • Réception simultanée jusqu’à 3 types de systèmes de positionnement GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou)
  • Sensibilité de navigation allant jusqu’à -167 dBm
  • Faible consommation énergétique
  • Précision de positionnement supérieur en milieu urbain
  • Prise en charge de tous les systèmes satellites
  • Plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C (qualité automobile)

D’un point de vue informatique, le récepteur GPS UBX-M8030 envoie à la fréquence de 10Hz (10 fois par secondes) des messages au standard NMEA via plusieurs interfaces (UART, I2C, USB et SPI). M5Stack a opté pour l’interface série UART à 9600 bauds.

Ressources utiles

Voici quelques liens vers des ressources utiles

Le standard NMEA 0183

Il existe plusieurs constellations de satellites permettant de faire de positionnement

  • Galileo le système Européen
  • GPS le système Américain le plus ancien (et le plus connu)
  • GLONASS le système Ruse
  • BeiDou le système Chinois

Chaque satellites envoie des trames qui sont une simple chaîne de caractère que le récepteur satellite va récupérer et décoder. Le NMEA 0183 est un standard employé par tous les système de positionnement ce qui a permis le développement de puces polyvalentes multi-systèmes. La norme NMEA 0183 est une spécification pour la communication entre équipements marins, dont les équipements GPS. Elle est définie et contrôlée par la National Marine Electronics Association (NMEA), association américaine de fabricants d’appareils électroniques maritimes.

Chaque système dispose de son préfixe pour l’identifier

Voici un exemple de trame NMEA

$GPGGA,064036.289,4836.5375,N,00740.9373,E,1,04,3.2,200.2,M,,,,0000*0E

$GPGGA          :   Type de trame
074036.289     :   Trame envoyée à 07h40m 36,289s (heure au standard UTC)
4936.5375,N    :   Latitude 49,608958° Nord = 48°36’32.25″ Nord
00740.9373,E  :   Longitude 7,682288° Est = 7°40’56.238″ Est 1                          :   Type de positionnement. 1 pour le GPS

04                       :   Nombre de satellites utilisés pour calculer les coordonnées

3.2                      :   Précision horizontale ou HDOP (Horizontal dilution of precision)
202.2,M            :    Altitude 202.2 mètres ,,,,,0000            :   D’autres informations peuvent être inscrites dans ces champs

*0E                    :    Somme de contrôle de parité, un simple XOR sur les caractères entre $ et *3

Plus d’informations sur cette page Wikipedia.

En récupérant le signal de plusieurs satellites, le récepteur GPS est capable de déterminer par triangulation sa position au sol. Plus il y aura de satellite, meilleur sera la précision de positionnement. C’est le HDOP.

TinyGPSPlus, la librairie idéale pour un Tracker GPS

Il existe plusieurs librairies Arduino compatibles ESP32 / ESP8266 qui permettent de décoder les messages GPS au standard NMEA. Vous trouverez également dans l’exemple AtomicGPS avec la librairie M5Atom une librairie pour décoder les messages NMEA.

Après avoir testé la librairie M5Stack et MicroNMEA de Steve Marple, je vous conseille d’utiliser TinyGPSPlus de Mikal Hart. Le gros avantage de TinyGPS++ est quelle dispose de pleins d’outils :

  • Extraction de la date et de l’heure qui est au format UTC
  • Vérifie la validité de toutes les informations (localisation, date, heure, vitesse…)
  • Et surtout la méthode distanceBetween() qui permet de calculer la distance parcourue entre deux points

Créer un projet et installer les librairies ESP32 et M5Stack sur l’IDE Arduino

Avant de commencer, vous devrez déjà installer le SDK Arduino-ESP32 prenant en charge les cartes de développement ESP32 et ESP32-Pico. Tout est expliqué en détail dans ce tutoriel.

Une fois l’IDE Arduino prêt, ouvrez le gestionnaire de librairie et installez les librairies suivantes :

  • M5Atom la librairie de base qui permet d’accéder à la LED et ou bouton utilisateur
  • FastLED elle est utilisée par la librairie M5Atom pour piloter la LED située sous le bouton utilisateur
  • TinyGPSPlus la librairie pour décoder les trames GPS NMEA
  • CSV Parser utilisée dans le projet pour stocker et recharger quelques statistiques (distance parcourue, vitesse moyenne et vitesse maxi.)

Sélectionner la carte de développement M5Stick-C

Le M5Atom Lite est construit une version allégée de l’ESP32, l’ESP32-PICO. Si vous choisissez une carte de développement ESP32 standard, vous obtiendrez une erreur en téléversant le programme depuis l’IDE Arduino.

Il n’y a pas (encore) de configuration pour les Core M5Atom Lite et M5Atom. Il faut sélectionner le M5Stick-C dans la liste qui embarque également un ESP32-PICO.

Diminuez la vitesse de transfert à 115200 bauds sinon vous obtiendrez une erreur.

Sélectionner le niveau des messages de mise au point, Info par exemple.

Créer un projet et installer les librairies sur PlatformIO

Sur PlatformIO, il y a beaucoup moins de préparatifs. Ouvrez l’écran d’accueil de PlatformIO

Créer un nouveau projet

Dans l’assistant de configuration :

  • Donner un nom à votre projet
  • Sélectionner la carte M5Stick-C (comme sur l’IDE Arduino)
  • Conserver le framework Arduino
  • Modifier éventuellement le dossier d’enregistrement
  • Lancer la création du projet en cliquant sur Finish

Lorsque le projet est prêt, ouvrez le fichier de configuration platformio.ini et collez la configuration suivante pour installer les librairies. L’installation des librairie débute à chaque sauvegarde du fichier platformio.ini.

[env:m5atom]
platform = espressif32
board = m5stick-c
framework = arduino

monitor_speed = 115200

lib_deps = 
    m5stack/M5Atom @ ^0.0.1
    fastled/FastLED @ ^3.3.3
    mikalhart/TinyGPSPlus @ ^1.0.2
    michalmonday/CSV Parser @ ^0.2.0

build_flags = -DCORE_DEBUG_LEVEL=5

Que contient cette configuration

  • monitor_speed permet de modifier la vitesse du moniteur série de PlatformIO qui utilise par défaut un débit de 9600 bauds
  • lib_deps la liste des librairies à installer (M5Atom, FastLED, TinyGPSPlus, CSV Parser)
  • build_flags permet de définir le niveau des messages de la librairie ESP_LOG, plus pratique que le Serial.print().

Un projet de tracker GPS avec export au format GPX

L’objectif de ce projet est d’enregistrer à intervalle régulier les coordonnées ainsi que au format GPX. Le format GPX est un format d’enregistrement de coordonnées GPS standard supporté par tous les logiciels de cartographies. C’est un fichier au format XML dont voici un exemple tiré du projet. Pour en savoir plus sur le format GPX, vous trouverez plein d’infos sur cette page Wikipedia.


  
    
      
        ...
        ...
        ...
        ...
      
      
        ...
      
    
  
trk : trace

trkseg : segment

trkpt : coordonnées GPS (latitude, longitude)

time : horodatage au format ISO 8601

sat : nombre de satellites

ele : altitude

hdop : précision

Plus la fréquence d’acquisition augmente, plus le risque de détruire la carte micro SD augmente lorsqu’on souhaite récupérer les données. Plutôt que de couper brutalement l’alimentation en retirant la batterie par exemple, il suffira d’appuyer une fois sur le bouton utilisateur (broche GPIO39 de l’ESP32) et d’attendre que la LED clignote deux fois en orange.

Pour reprendre l’enregistrement, insérer la carte micro SD dans le lecteur et faites un Reset à l’aide du bouton latéral.

Paramètres du programme Arduino

Voici les paramètres que vous pouvez ajuster en fonction de vos besoins. La valeur entre (parenthèses) est la valeur par défaut.

  • TIME_ZONE (1) compensation du décalage horaire
  • RECORD_FREQUENCY (5000) Fréquence d’enregistrement
  • ACTIVATE_DEEP_SLEEP_ONCLICK (true) active la mise en veille lorsqu’on appuie sur le bouton utilisateur
  • GPS_TIMEOUT (5000) Signale une erreur si le GPS n’a pas répondu dans le temps alloué
  • FORCE_UPDATE_STATS (false) Permet de force l’enregistrement des statistiques
  • SPEED_BUFFER_SIZE (10) Nombre de points permettant de calculer la vitesse moyenne

Comment utiliser la librairie TinyGPS++

Le récepteur GPS envoie en permanence sur le port série (UART) les messages. Pour récupérer ces chaînes, on va donc ouvrir un second port série et “passer” les chaînes à la librairie TinyGPS++ qui va s’occuper de décoder tout ça.

On créé un objet de type TinyGPSPlus qui contient toutes les méthodes et les données GPS ainsi qu’un deuxième port série (le premier étant utilisé pour téléverser et mettre au point le programme). Le nom n’a aucune importance.

TinyGPSPlus gps;
HardwareSerial gps_uart(1);

Dans le setup(), il suffira ensuite d’ouvrir le port série sur la broche 22. La broche RX du module GPS n’étant pas connectée, on passe la valeur -1 comme paramètre.

gps_uart.begin(9600,SERIAL_8N1,22,-1);

Ensuite, il suffit de récupérer à intervalle régulier (par exemple chaque seconde) les messages envoyés par le module GPS dans la loop().

loop()
{
  readGPS();
  delay(1000);
}
static void readGPS(unsigned long ms)
{
  do 
  {
    while (gps_uart.available())
      gps.encode(gps_uart.read());  
  } while (millis() - start < ms);
}

Comment récupérer les données GPS avec TinyGPS++ (API)

Les données GPS sont regroupés dans la librairie TinyGPS++ dans les objets suivants. Chaque objet dispose d’une méthode isValid() qui permet de contrôler que les valeurs décodées sont correctes et isUpdated() qui permet de savoir si la valeur a été actualisée depuis la dernière acquisition. Cela permet de réduire le nombre de points GPS dans le fichier GPX.

  • TinyGPSLocation location, coordonnées GPS. Fonctions age(), lat(), lng(), rawlat(), rawlng()
  • TinyGPSDate date , date du point GPS. Fonctions age(), year(), month(), day()
  • TinyGPSTime time heure du point GPS. Fonctions age(), hour(), minute(), second(), centisecond()
  • TinyGPSSpeed speed. Vitesse. Fonctions knots(), mph(), mps(), kmph()
  • TinyGPSCourse course. Fonction course()
  • TinyGPSAltitude altitude. Fonctions meter(), miles(), kilometers(), feet()
  • TinyGPSInteger satellites. Fonctions value() pour récupérer le nombre de satellites
  • TinyGPSHDOP hdop. fonction hdop()

Par exemple pour récupérer la vitesse du véhicule en km/h, on exécutera

gps.speed.kmph();

En plus de ces méthodes, on peut connaître la distance entre deux points (coordonnées GPS) à l’aide des méthodes

static double distanceBetween(double lat1, double long1, double lat2, double long2)

ou

static double courseTo(double lat1, double long1, double lat2, double long2)

Par exemple, connaissant les coordonnées GPS du point précédent, on pourra estimée la distance parcourue entre deux mesures comme ceci

double _distance = gps.distanceBetween(gps.location.lat(), gps.location.lng(), prev_lat, prev_long);
Serial.print("distance = "); Serial.println(_distance);

Comment créer puis ajouter des données à un fichier GPX ?

Dans l’article “Stocker des données sur une carte micro SD. Code Arduino compatible ESP32, ESP8266”, nous avons vu les méthodes de base de stocker des données sur une carte SD. C’est finalement aussi simple que d’imprimer du texte sur le moniteur série.

Ici, on souhaite ajouter des données à un fichier existant à chaque fois qu’on récupère de nouvelles coordonnées GPS. Pour ajouter un nouveau point au fichier GPX (qui est un format XML), l’astuce consiste à déplacer le pointeur à l’endroit ou l’on souhaite insérer de nouvelles données à l’aide de la fonction seek().