ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266

بررسی اجمالی: در این پروژه قصد داریم با استفاده از آردوینو و ESP8266، یک ردیاب GPS کم‌مصرف مبتنی بر پروتکل LoRa بسازیم. این ردیاب، نوع خاصی از ردیاب GPS است، چون با پروتکل LoRa کار می‌کند و با بردهای Arduino و ESP8266 ساخته شده است. پروتکل LoRa تکنولوژی ای است که به دستگاه‌ها اجازه می‌دهد تا در فواصل بسیار طولانی و بدون مصرف انرژی زیاد با یکدیگر ارتباط داشته باشند.

در اینجا، بخش ترانسمیتر (فرستنده) ردیاب GPS ما یک دستگاه کوچک است که از چندین قطعه SMD ساخته شده است که قطعات اصلی آن یک میکروکنترلر به نام Atmega328، یک چیپ LoRa به نام SX1276 و یک ماژول GPS L80 هستند. این میکروکنترلر مانند مغز ردیاب است، چیپ LoRa به ردیاب این امکان را می‌دهد تا موقعیت مکانی GPS را ارسال کند و ماژول GPS مکان را با طول و عرض جغرافیایی نشان می‌دهد. برای صرفه‌جویی در مصرف برق، باید دستگاه زمانی که از آن استفاده نمی‌شود، به حالت خواب (sleep mode) برود و از طریق کابل USB شارژ شود.

فرستنده و گیرنده

همچنین، ما گیرنده این پروژه را با استفاده از ESP8266 و ماژول SX1276 LoRa ساختیم. ردیاب، اطلاعات لوکیشن را به گیرنده‌ای می‌فرستد؛ این گیرنده دیتاهای GPS و چیپ ESP8266 را برای اتصال به وای‌فای به دیتایی قابل‌فهم‌تر و ساده‌تر تبدیل می‌کند. سپس این گیرنده اطلاعات لوکیشن (موقعیت مکانی) را به برنامه Blynk می‌فرستد که می‌تواند به شما نشان دهد که ردیاب در گوگل‌مپ کجاست.

این نوع ردیاب می‌تواند در مواردی مانند پیداکردن حیوانات خانگی گمشده، ردیابی اقلام ارزشمند یا حتی در تحقیقات علمی برای ردیابی حرکات حیوانات در حیات‌وحش، کاربرد داشته باشد.

لازم به ذکر است چون این مقاله ترجمه می باشد، برخی از خدمات استفاده شده در این پروژه برای همراهان ما که داخل ایران هستند، در دسترس نمی‌باشد.

منبع ویدئو

موارد موردنیاز برای انجام پروژه

برای انجام این پروژه و ساخت این ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa به موارد زیر نیاز داریم:

قطعه سازنده	تعداد	فوت پرینت	نام	شماره
ATMEGA328-AU	1	TQFP-32_L7.0-W7.0-P0	ATMEGA328-AU MCU	1
ESP-12E	1	WIFIM-SMD_ESP-12E	ESP-12E WiFi MCU	2
HT7333-7	2	SOT-89-3_L4.5-W2.5-P1.50	LDO HT7333	3
	1	GPSM-SMD_L80-R	L80 GPS Module	4
	2	HPD13A	LoRa SX1276 (HPD13A)	5
MCP73831T-2ATI/OT	2	SOT-23-5	MCP73831	6
	5	C0805	Capacitor 10uF	7
	4	C0805	Capacitor 4.7uF	8
	8	C0805	Capacitor 0.1uF	9
	2	C0805	Capacitor 22pF	10
	1	C0805	Capacitor 470pF	11
	1	R0805	Resistor 470E	12
	1	R0805	Resistor 10K	13
	5	R0805	Resistor 12K	14
	2	R0805	Resistor 2K	15
	1	R0805	Resistor 470	16
	1	R0805	Resistor 330	17
	2	R0805	Resistor 47K	18
	2	R0805	Resistor 22K	19
	2	LED0805	LED Red	20
	2	SOT23	Transistor BC847	21
SS12D06	1	TOGGLE SWITCH (1P2T) SPDT	Slide Switch	22
U.FL-R-SMT-1(40)	2	ANT-SMD_UFL-R-SMT-1	U.FL-R-SMT	23
U-F-M5DD-Y-L	1	MICRO-USB-SMD_MICRO-USB-18	Micro USBFemale	24
	2		Battery Connector	25
		HDR-TH_6P-P2.54-V-F	Male Header (PROG)	26
Header-Male-2.54_1x6	1	HDR-TH_6P-P2.54-V-M-1	Female Header (PROG)	27
HEADER 1X1	2		868MHz LoRa Antenna	28
Pulsador	3	SWITCH SMD 3X4X2MM	Reset Switch	29
HC-49US 16.000MHz	1	HC49US	16MHz Crystal	30
	2	1000MAh	LiPo Battery 3.7V	31
	1		FTDI Module	32
	6		Jumper Wires	33

طراحی سخت‌افزار LoRa GPS Tracker

ازآنجایی‌که این پروژه از فناوری LoRa استفاده می‌کند، تصمیم گرفتیم برای انجام آن، از محبوب‌ترین چیپ LoRa که یک چیپ کم‌مصرف است، استفاده کنیم. در اروپا فرکانس LoRa پشتیبانی شده 868 مگاهرتز است. در دبی و هند نیز فرکانس مجاز LoRa حدود 868 مگاهرتز است. در ایالات متحده آمریکا و کانادا، فرکانس مجاز LoRa حدود 915 مگاهرتز است. همچنین، در اکثر کشورهای قاره آسیا، باند فرکانسی مجاز 433 مگاهرتز است.

ازآنجایی‌که ما در کانادا هستیم، از LoRa Module SX1276 استفاده کردیم که این دستگاه از هر دو باند فرکانسی 868 مگاهرتز و 915 مگاهرتز پشتیبانی می کند.

ماژول oRa Module SX1276

SX1276 که توسط شرکت Semtech تولید شده است، یک مدار مجتمع فرکانس رادیویی است که دارای برد زیاد و مصرف کم (RFIC) است و به طور گسترده در دستگاه‌های IoT برای ارتباطات LPWAN استفاده می‌شود. این دستگاه در محدوده فرکانس 868 تا 915 مگاهرتز کار می‌کند، از انواع مدولاسیون از جمله LoRa پشتیبانی می‌کند و در کاهش مصرف انرژی موثر است که آن را به انتخابی مناسب برای دستگاه‌های battery-operated تبدیل می‌کند.

ماژول L80 کوییکتل

به طور مشابه برای قسمت GPS، ما از GPS Module L80 شرکت Quectel استفاده کردیم که دارای یک آنتن پچ امبدد است و در دریافت سیگنال‌های ماهواره‌ای عالی عمل می‌کند. برای کسب اطلاعات بیش‌تر در مورد این ماژول GPS می‌توانید به راهنمای Arduino L80 interfacing مراجعه کنید.

بخش سخت‌افزاری این پروژه شامل فرستنده و گیرنده است. هر دو بخش فرستنده و گیرنده توسط باتری لیتیوم یونی 3.7 ولت تغذیه می شوند. برای شارژ باتری لیتیوم یونی، ما از BMS و آی سی شارژ باتری MCP73831 میکروچیپ استفاده کردیم. کل مدار با ولتاژ 3.3 ولت کار می کند. از این رو ما از LDO HT7333 از Holtek استفاده کردیم.

طراحی و شماتیک قطعات ترانسمیتر (فرستنده)

ترانسمیتر (فرستنده) قابل‌حمل است و از ماژول‌های LoRa و GPS برای ارتباط استفاده می‌کند. در زیر یک شماتیک کامل برای قسمت فرستنده آورده شده است.

شماتیک ترانسمیتر (فرستنده) ردیاب GPS LoRa

ما از میکروکنترلر ATMega328 با بوت لودر آردوینو استفاده کردیم. شما می‌توانید بوت لودر را روی چیپ خام SMD ATMega328 رایت کنید یا چیپ ATMega328 را مستقیماً از برد آردوینو نانو جدا کنید.

همچنین، شما می‌توانید یک شارژر میکروUSB پنج (5) ولتی را به پورت USB وصل کنید و باتری را شارژ کنید. LED1 وضعیت شارژ را نشان می‌دهد. یک باتری لیتیوم یونی یا LiPo با ولتاژ 3.7 را می‌توان به یک کانکتور باتری متصل کرد تا کل مدار را تغذیه کند. SW1 سوئیچی برای روشن/خاموش‌کردن ماژول است. برق از باتری به LDO HT7333 منتقل می‌شود که ولتاژ را به 3.3 ولت می‌رساند. کل مدار با ولتاژ 3.3 ولت کار می‌کند.

بخش منبع تغذیه و شارژ باتری

برای تشخیص ولتاژ باتری خوانده شده توسط میکروکنترلر، از یک شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ با مقاومت‌های R4 و R5 استفاده شده است. مقدار ولتاژ، نصف می شود و از پین آنالوگ A0 برد آردوینو تغذیه می شود. ماژول GPS L80 یک ماژول UART است، بنابراین Tx و Rx L80 به ترتیب به D2 و D3 در آردوینو متصل می شوند. در اینجا ما می توانیم از نرم افزار سریال برای ارتباطات UART استفاده کنیم.

ماژول LoRa SX1276 با استفاده از پروتکل ارتباطی SPI به کار گرفته می‌شود. SS، RST و DIO0 SX1276 به بردهای آردوینو D10، D9 و D7 متصل می شوند. سایر پین های SPI SX1276 نیز به صورت پیش فرض به ATmega328 متصل می شوند. ماژول LoRa به یک آنتن نیاز دارد. شما می توانید از هر آنتن LoRa که فرکانس آن 868 مگاهرتز است، استفاده کنید. یک کانکتور UFL نیز برای اتصال آنتن ارائه شده است یا اینکه شما می توانید آنتن دیگری را در نقطه ANT1 لحیم کنید.

ماژول FTDI

برای پروگرام چیپ ATMega328، شما می‌توانید از پین ISP P1 استفاده کنید. یک ماژول FTDI یا کانورتر USB-to-TTL را می‌توان مستقیماً به پین هدر متصل کرد.

طراحی و شماتیک قطعه گیرنده

بخش گیرنده این پروژه از چیپ خام ESP8266 و LoRa Module SX1276 تشکیل شده است. گیرنده پیام دریافتی را از فرستنده دریافت می‌کند و مختصات GPS را در برنامه Blynk آپلود می‌کند. در اینجا شماتیک کامل گیرنده ردیاب GPS LoRa آورده شده است:

شماتیک گیرنده ردیاب GPS LoRa

یک شماتیک قابل‌اجرا از مدار ESP8266 در اینجا استفاده شده است. در حین آپلود کد نیازی به فشاردادن دکمه ریست یا بوت نیست. شما می‌توانید ماژول کانورتر USB-to-TTL را به پین‌های PROG متصل کنید و مدار را پروگرام کنید. فرایند پروگرام کردن به‌صورت اتوماتیک و توسط دو سوئیچ (FLS و RST)، دو ترانزیستور BC547 (Q1 و Q2) و چند قطعه دیگر انجام می شود.

شماتیک گیرنده ردیاب GPS LoRa بخش ماژول ESP

سیگنال RTS ، ESP8266 را ریست می‌کند و سیگنال DTR، ESP8266 را در مد فلاش (flash mode) قرار می‌دهد. زمانی که مقدار هر دوی این سیگنال‌ها کم است، می‌توان با استفاده از Q1 و Q2 از ریست شدن چیپ، جلوگیری کرد. به محض تشخیص کامند آپلود، ماژول ESP برای آپلود یکپارچه طرح به مد فلاش تبدیل می شود. در صورت عدم وجود کامند آپلود، ESP-12E/F در مد نرمال (normal mode) شروع به کار می کند.

مدار مرجع طراحی را در اینجا بررسی کنید: ESP8266 Automatic Programmer Circuit

یک شارژرMicro-USB ۵ ولتی را می‌توان برای شارژ باتری در پورت USB قرار داد و LED1 وضعیت شارژ را نشان می‌دهد. برق کل مدار را می‌توان با اتصال یک لیتیوم یون 3.7 ولت به کانکتور باتری تأمین کرد. SW1 به‌عنوان یک سوئیچ ON/OFF ماژول عمل می‌کند. برق باتری به LDO HT7333 هدایت می‌شود که ولتاژ را به 3.3 ولت محدود می‌کند و اطمینان می‌دهد که کل مدار در این ولتاژ کار می‌کند.

LoRa Module SX1276 از طریق پین‌های SPI به ESP8266 متصل می‌شود. ما از پین‌های SS، RST و DIO0 به ترتیب به‌عنوان GPIO15، GPIO16 و GPIO4 استفاده کردیم. یک آنتن با فرکانس 868 مگاهرتز و با حساسیت و قدرت بیش تر در ترمینال ANT1 وصل کنید. شما می توانید یک آنتن مارپیچی لحیم کنید یا یک آنتن را با یک کانکتور UFL وصل کنید.

طراحی PCB، فایل‌های Gerber و سفارش PCB

هر دو شماتیک بالا با استفاده از EasyEDA طراحی شده‌اند. شما می‌توانید شماتیک را به PCB تبدیل کنید.

PCBها دارای قطعات SMD با مقاومت و خازن با پکیج SMD 0805 هستند. سایر آی‌سی‌ها نیز در پکیج SMD هستند. قسمت جلوی PCB فرستنده و گیرنده چیزی شبیه به شکل زیر است:

PCB فرستنده

PCB گیرنده

به طور مشابه، نمای سه‌بعدی PCB به این شکل است:

نمای سه بعدی PCB فرستنده

نمای سه بعدی PCB گیرنده

در زیر فایل Gerber برای PCB آورده شده است.

دانلود فایل Gerber: ترانسمیتر PCB

دانلود فایل Gerber: گیرنده PCB

شما می‌توانید از طریق این فایل Gerber، از یک PCB با کیفیت بالا برای انجام این پروژه استفاده کنید. برای سفارش PCB ما به وب‌سایت ALLPCB مراجعه کردیم که لینک آن در زیر آمده است.

https://www.allpcb.com/

وبسایت allpcb

با انتخاب گزینه Quote Now فایل Gerber را آپلود کنید. از بین این گزینه‌ها می‌توانید نوع متریال، ابعاد، مقدار، ضخامت، رنگ ماسک لحیم‌کاری و سایر پارامترهای موردنیاز را انتخاب کنید.

وبسایت allpcb

پس از انتخاب تمامی این موارد، کشور و روش ارسال خود را انتخاب کنید و در نهایت، می‌توانید سفارش خود را ثبت کنید.

PCB و مونتاژ سخت‌افزار نهایی

بعد از ثبت سفارش PCB، حدود 5 روز طول کشید تا سفارشم به دستم رسید.

بسته بندی ارسالی PCB

به دلیل کیفیت بسیار بالای PCBهای ALLPCB، اکثر مردم برای خریداری PCB/PCBA به سایت ALLPCB مراجعه می‌کنند.

PCB فرستنده ردیاب GPS LoRa

در ترانسمیتر (فرستنده) PCB، ابتدا تمام اجزای SMD مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، ترانزیستورها، LED، دکمه‌های فشاری و پورت میکرو USB را لحیم کنید. پس از لحیم‌کاری همه اینها، می‌توانید چیپ ATMega328 را لحیم کنید.

در اینجا، من چیپ ATMega328 را از آردوینو نانو جدا کردم؛ زیرا بوت لودر از قبل نصب شده بود. ماژول SX1276 LoRa و ماژول GPS نیز لحیم‌کاری شده بودند. سپس شما باید اسیلاتور کریستالی، کانکتور باتری، سوئیچ و پین‌های مادگی را لحیم کنید.

برد فرستنده

در گیرنده PCB، ابتدا شما باید تمام اجزای SMD مانند مقاومت‌ها، خازن‌ها، ترانزیستورها، LED، دکمه‌های فشاری و پورت میکرو USB را لحیم کنید. دراین‌بین، مراقب SMD LED polarity باشید و آن را در جهت مناسب قرار دهید. پس از لحیم‌کاری همه این موارد، شما می‌توانید ماژول SX1276 LoRa و چیپ خام ESP8266 را لحیم کنید. سپس کانکتور باتری، سوئیچ و پین‌های نری را لحیم کنید.

برد گیرنده

اکنون باتری را به ترانسمیتر (فرستنده) و گیرنده برد PCB وصل کنید.

اتصال منبع تغذیه فرستنده و گیرنده

اکنون، سخت‌افزار LoRa GPS Tracker با استفاده از Arduino (ATMega328) و ESP8266 آماده است و می‌توانید فرایند پروگرام کردن را شروع کنید.

راه‌اندازی برنامه Blynk

اکنون برای بررسی دیتای GPS به‌صورت وایرلس (بی‌سیم) و نظارت بر آن به‌صورت آنلاین، به یک سرور IoT (اینترنت اشیا) با داشبورد نیاز داریم. برنامه Blynk برای این کار، بهترین گزینه است.

وارد سایت blynk.cloud شوید و یک حساب Blynk در وب‌سایت Blynk بسازید یا می‌توانید به‌راحتی با استفاده از ایمیل ID ثبت شده وارد شوید.

روی New Templat + کلیک کنید.

راه‌اندازی برنامه Blynk

هر نامی می‌خواهید به سخت‌افزار “LoRa GPS Tracker” بدهید. نوع سخت‌افزار را ESP8266 و نوع اتصال را وای‌فای انتخاب کنید.

انتخاب نوع سخت افزار و نوع اتصال در نرم افزار blynk

تمپلیت با موفقیت ساخته شد.

ثبت تمپلیت

اکنون باید Datastreams را راه‌اندازی کنیم؛ بنابراین روی گزینه New Datastreams + کلیک کنید و Virtual Pin را انتخاب نمایید.

دیتا استریم Latitude

ایمیج این دیتا استریم متعلق به Latitude (عرض جغرافیایی) است و Virtual Pin V1، به آن اختصاص‌داده‌شده است.

دیتا استریم Longitude

این دیتا استریم متعلق به Longitude (طول جغرافیایی) است و Virtual Pin V2، به آن اختصاص‌داده‌شده است.

دیتا استریم Speed

این دیتا استریم متعلق به Speed (سرعت) است و Virtual Pin V3، به آن اختصاص‌داده‌شده است.

ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266

ایمیج این دیتا استریم متعلق به Map (نقشه) است و Virtual Pin V0، به آن اختصاص‌داده‌شده است.

دیتا استریم Map

ازاین‌رو، بخش Datastream (جریان داده) تکمیل می‌شود.

حال به وب داشبورد بروید؛ زیرا باید داشبورد را تنظیم کنید.

داشبورد blynk

اکنون 4 ویجت (widget) را بکشید و رها کنید. Map widget برای نمایش نقشه است. نقشه یک بخش پریمیوم است. یعنی باید آن را خریداری کنید. به غیر از Map (نقشه)، 3 ویجت دیگر نیز برای Latitude (عرض جغرافیایی)، Longitude (طول جغرافیایی) و Speed (سرعت) وجود دارد.

انتخاب ویجیت نقشه

اکنون باید قسمت Map (نقشه) را تنظیم کنیم. برای این کار روی تنظیمات کلیک کنید و مانند تصویر زیر، این گزینه ها را انتخاب کنید.

تنظیمات Map

به طور مشابه، Virtual Pin V1 را به Latitude (عرض جغرافیایی)، Virtual Pin V2 را به Longitude (طول جغرافیایی) و Virtual Pin V3 را به Speed (سرعت) اختصاص دهید.

استریم دیتا های طول و عرض جغرافیایی و سرعت

اکنون، راه‌اندازی داشبورد کامل شده است؛ بنابراین، روی گزینه Save کلیک کنید.

حالا به بخش Home بروید و روی گزینه Add First Device کلیک کنید.

اضافه کردن دستگاه در نرم افراز blynk

یک نام دلخواه برای دستگاه انتخاب کنید مانند LoRa GPS Tracker و سپس روی گزینه Create کلیک کنید.

انتخاب نام دستگاه

اکنون دستگاه با موفقیت ایجاد شد و توکن احراز هویت نیز تولید شد.

ایجاد توکن احراز هویت

حال می‌توانید از این توکن احراز هویت برای اتصال ESP8266 به داشبورد Blynk استفاده کنید.

سورس کد (کد منبع) و پروگرام LoRa GPS Tracker

اکنون می‌خواهیم بخش پروگرام کردن ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با برد آردوینو و ESP8266 را بررسی کنیم. ازآنجایی‌که ما مدارهای ترانسمیتر (فرستنده) و گیرنده داریم، بنابراین باید کدهایی برای مدارهای فرستنده و گیرنده بنویسیم.

کد ترانسمیتر (فرستنده)

ما کد قسمت ترانسمیتر را نوشته‌ایم که دارای میکروکنترلر ATMega328 است. ترانسمیتر دیتاها را از ماهواره با استفاده از ماژول گیرنده GPS L80 به دست می‌آورد. LoRa SX1276 دیتا را به‌صورت وایرلس (بی‌سیم) منتقل می‌کند که این دیتا باید توسط گیرنده دریافت و خوانده شود. تا زمانی که ردیاب، مختصات درست GPS را دریافت نکند، انتقال دیتا انجام نخواهد شد و پس از دریافت مختصات GPS، انتقال دیتا LoRa آغاز می‌شود.

همچنین، ما قابلیت Sleep Mode را فعال کردیم تا برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، باتری دستگاه به حالت Sleep برود. فقط در حین انتقال دیتا دستگاه از حالت Sleep خارج می‌شود و بعد از آن دوباره به حالت Sleep می‌رود. ازآنجایی‌که در کد ترانسمیتر (فرستنده)، دستگاه فقط به مدت 12 ثانیه در حالت Sleep قرار می گیرد، ممکن است لازم باشد کد را تغییر دهید تا دستگاه برای مدت زمان بیش تری در حالت Sleep قرار گیرد.

همچنین، می‌توانید ولتاژ باتری را با استفاده از ADC pin A0 که در بخش سخت‌افزاری توسط یک شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ با دو مقاومت K47 کانفینگ شده است، اندازه‌گیری کنید. این کد برای اندازه گیری ولتاژ باتری پیاده سازی نشده است. برای انجام این کار می توانید به پروژه سیستم مانیتورینگ باتری مراجعه کنید.

در زیر کد کامل قسمت ترانسمیتر (فرستنده) آورده شده است:

#include <TinyGPS++.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <LoRa.h>
#include <avr/sleep.h>
#include <avr/power.h>
#include <avr/wdt.h>
 
// Define GPS serial communication pins
#define rxGPS 3
#define txGPS 2
 
// Define LoRa parameters
#define ss 10    // Pin for the CS (chip select)
#define rst 9    // Pin for the RESET
#define dio0 7   // Pin for the interrupt. Can be any digital pin.
 
// Create gps and serial instance
TinyGPSPlus gps;    // This is the GPS object that will manage the GPS data
SoftwareSerial gpsSerial(rxGPS, txGPS); // This will be the serial connection to the GPS
 
volatile int f_wdt = 1; // This flag is used to keep track of the sleep status
 
// Watchdog timer interrupt service routine
ISR(WDT_vect) {
  if (f_wdt == 0) {
    f_wdt = 1;  // If f_wdt was 0, set it to 1
  } else {
    WDTCSR |= _BV(WDIE);  // Enable the WD interrupt (note no reset)
  }
}
 
void setup() {
  Serial.begin(9600); // Begin serial communication with a baud rate of 9600
  gpsSerial.begin(9600); // Begin GPS Serial with a baud rate of 9600
  Serial.println("GPS initialized...");
 
  // Initialize LoRa with specific pins and frequency
  LoRa.setPins(ss, rst, dio0);
  if (!LoRa.begin(868E6)) { // If LoRa does not start successfully, print an error message
    Serial.println("Starting LoRa failed!");
    while (1);
  }
  Serial.println("LoRa initialized...");
 
  // Set sleep mode to power down mode for energy efficiency
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);
}
 
void loop() {
  while (gpsSerial.available()) { // Check if there is communication from GPS
    if (gps.encode(gpsSerial.read())) { // If GPS data can be encoded...
      if (gps.location.isValid()) { // ...and if the GPS data is valid
 
        // Store GPS data in strings
        String lat = String(gps.location.lat(), 6);
        String lon = String(gps.location.lng(), 6);
        String speed = String(gps.speed.mps());
 
        // Print the acquired GPS data to the Serial Monitor
        Serial.println("GPS data acquired...");
        Serial.println("LAT: " + lat);
        Serial.println("LONG: " + lon);
        Serial.println("SPEED: " + speed);
 
        // Combine GPS data into one string to send
        String dataToSend = "LAT:" + lat + ",LONG:" + lon + ",SPEED:" + speed;
 
        // Begin LoRa transmission
        LoRa.beginPacket();
        LoRa.print(dataToSend); // Send the GPS data string
        int result = LoRa.endPacket(); // Finish LoRa transmission
 
        // Check if the LoRa transmission was successful and print result to Serial Monitor
        if (result) {
          Serial.println("Packet transmission successful");
        } else {
          Serial.println("Packet transmission failed");
        }
 
        delay(2000); // Wait 2 seconds
 
        // Go to sleep mode to save energy
        Serial.println("Going to sleep now");
        Serial.println();
        delay(100);
 
        // Sleep for 12 seconds (8 seconds + 4 seconds)
        f_wdt = 0;
        setup_watchdog(9); // Set watchdog timer for approx 8 seconds
        while (f_wdt == 0) {
          system_sleep();
        }
 
        f_wdt = 0;
        setup_watchdog(8); // Set watchdog timer for approx 4 seconds
        while (f_wdt == 0) {
          system_sleep();
        }
 
        // Disable watchdog timer
        wdt_disable();
 
        delay(2000); // Wait 2 seconds
      } else {
        Serial.println("Waiting for valid GPS data..."); // If the GPS data is invalid, print an error message
      }
    }
  }
}
 
// Function to put the system to sleep to save energy
void system_sleep() {
  ADCSRA &= ~(1 << ADEN); // Switch Analog to Digitalconverter OFF
  set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // Set sleep mode to power down mode
  sleep_enable(); // Enable sleep mode
  sleep_mode();  // System actually sleeps here
  sleep_disable(); // Disable sleep mode
  ADCSRA |= (1 << ADEN); // Switch Analog to Digitalconverter ON
}
 
// Function to set up watchdog timer
void setup_watchdog(int i) {
  byte bb;
  int ww;
  if (i > 9 ) i = 9; // Ensure that the interval does not exceed the maximum
  bb = i & 7;
  if (i > 7) bb |= (1 << 5); // Set the correct bit for longer time intervals
  bb |= (1 << WDCE); // Enable changes
  ww = bb;
 
  MCUSR &= ~(1 << WDRF); // Reset the reset flag
  WDTCSR |= (1 << WDCE) | (1 << WDE); // Start timed sequence
  WDTCSR = bb; // Set new watchdog timeout value
  WDTCSR |= _BV(WDIE); // Enable watchdog interrupt
}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

#include <TinyGPS++.h>

#include <SoftwareSerial.h>

#include <LoRa.h>

#include <avr/sleep.h>

#include <avr/power.h>

#include <avr/wdt.h>

// Define GPS serial communication pins

#define rxGPS 3

#define txGPS 2

// Define LoRa parameters

#define ss 10 // Pin for the CS (chip select)

#define rst 9 // Pin for the RESET

#define dio0 7 // Pin for the interrupt. Can be any digital pin.

// Create gps and serial instance

TinyGPSPlus gps; // This is the GPS object that will manage the GPS data

SoftwareSerial gpsSerial(rxGPS, txGPS); // This will be the serial connection to the GPS

volatile int f_wdt = 1; // This flag is used to keep track of the sleep status

// Watchdog timer interrupt service routine

ISR(WDT_vect) {

if (f_wdt == 0) {

f_wdt = 1; // If f_wdt was 0, set it to 1

} else {

WDTCSR |= _BV(WDIE); // Enable the WD interrupt (note no reset)

}

void setup() {

Serial.begin(9600); // Begin serial communication with a baud rate of 9600

gpsSerial.begin(9600); // Begin GPS Serial with a baud rate of 9600

Serial.println("GPS initialized...");

// Initialize LoRa with specific pins and frequency

LoRa.setPins(ss, rst, dio0);

if (!LoRa.begin(868E6)) { // If LoRa does not start successfully, print an error message

Serial.println("Starting LoRa failed!");

while (1);

}

Serial.println("LoRa initialized...");

// Set sleep mode to power down mode for energy efficiency

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);

}

void loop() {

while (gpsSerial.available()) { // Check if there is communication from GPS

if (gps.encode(gpsSerial.read())) { // If GPS data can be encoded...

if (gps.location.isValid()) { // ...and if the GPS data is valid

// Store GPS data in strings

String lat = String(gps.location.lat(), 6);

String lon = String(gps.location.lng(), 6);

String speed = String(gps.speed.mps());

// Print the acquired GPS data to the Serial Monitor

Serial.println("GPS data acquired...");

Serial.println("LAT: " + lat);

Serial.println("LONG: " + lon);

Serial.println("SPEED: " + speed);

// Combine GPS data into one string to send

String dataToSend = "LAT:" + lat + ",LONG:" + lon + ",SPEED:" + speed;

// Begin LoRa transmission

LoRa.beginPacket();

LoRa.print(dataToSend); // Send the GPS data string

int result = LoRa.endPacket(); // Finish LoRa transmission

// Check if the LoRa transmission was successful and print result to Serial Monitor

if (result) {

Serial.println("Packet transmission successful");

} else {

Serial.println("Packet transmission failed");

}

delay(2000); // Wait 2 seconds

// Go to sleep mode to save energy

Serial.println("Going to sleep now");

Serial.println();

delay(100);

// Sleep for 12 seconds (8 seconds + 4 seconds)

f_wdt = 0;

setup_watchdog(9); // Set watchdog timer for approx 8 seconds

while (f_wdt == 0) {

system_sleep();

}

f_wdt = 0;

setup_watchdog(8); // Set watchdog timer for approx 4 seconds

while (f_wdt == 0) {

system_sleep();

}

// Disable watchdog timer

wdt_disable();

delay(2000); // Wait 2 seconds

} else {

Serial.println("Waiting for valid GPS data..."); // If the GPS data is invalid, print an error message

}

// Function to put the system to sleep to save energy

void system_sleep() {

ADCSRA &= ~(1 << ADEN); // Switch Analog to Digitalconverter OFF

set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // Set sleep mode to power down mode

sleep_enable(); // Enable sleep mode

sleep_mode(); // System actually sleeps here

sleep_disable(); // Disable sleep mode

ADCSRA |= (1 << ADEN); // Switch Analog to Digitalconverter ON

}

// Function to set up watchdog timer

void setup_watchdog(int i) {

byte bb;

int ww;

if (i > 9 ) i = 9; // Ensure that the interval does not exceed the maximum

bb = i & 7;

if (i > 7) bb |= (1 << 5); // Set the correct bit for longer time intervals

bb |= (1 << WDCE); // Enable changes

ww = bb;

MCUSR &= ~(1 << WDRF); // Reset the reset flag

WDTCSR |= (1 << WDCE) | (1 << WDE); // Start timed sequence

WDTCSR = bb; // Set new watchdog timeout value

WDTCSR |= _BV(WDIE); // Enable watchdog interrupt

}

برای آپلود کد روی چیپ ATMega328، ماژول FTDI را به پین هدر Female برد وصل کنید. ماژول FTDI به‌خوبی با طراحی سخت‌افزاری سازگار است.

آپلود کد روی چیپ ATMega328 با ماژول FTDI

از قسمت board manager، برد آردوینو نانو و پورت COM را انتخاب کنید. سپس دکمه آپلود را بزنید تا کد آپلود شود.

کد گیرنده (Receiver)

ما کد قسمت گیرنده (Receiver) را نوشته‌ایم که دارای چیپ ESP8266 است. مدار گیرنده، دیتا را از ترانسمیتر (فرستنده) دریافت می‌کند. دیتاهای دریافتی برای خواندن عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی و سرعت از هم جدا می‌شوند. سپس دیتا به برنامه Blynk ارسال می‌شود.

از خطوط زیر، SSID WiFi، Password و Blynk Authentication Token را تغییر دهید.

char auth[] = "************";     // Blynk Authentication Token
char ssid[] = "************";              // WiFi SSID
char pass[] = "************";              // WiFi Password

char auth[] = "************"; // Blynk Authentication Token

char ssid[] = "************"; // WiFi SSID

char pass[] = "************"; // WiFi Password

در اینجا کد کامل قسمت گیرنده آورده شده است:

#include <SPI.h>
#include <LoRa.h>
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <BlynkSimpleEsp8266.h>
 
#define SS      15   // GPIO15 -- SX1276's CS
#define RST     16   // GPIO16 -- SX1276's RESET
#define DI0     4   // GPIO4 -- SX1276's IRQ(Interrupt Request)
 
#define BLYNK_TEMPLATE_ID "TMPL6iHPnSeDn"
#define BLYNK_TEMPLATE_NAME "LoRa GPS Tracker"
 
char auth[] = "************";     // Blynk Authentication Token
char ssid[] = "************";              // WiFi SSID
char pass[] = "************";              // WiFi Password
 
void setup() {
  Serial.begin(115200); // Start the Serial communication to send messages to the computer
  Blynk.begin(auth, ssid, pass);  // Start Blynk
  delay(1000); // wait for a second
 
  // Start LoRa using the frequency appropriate for your region (eg. 868E6 for Europe, 915E6 for North America)
  LoRa.setPins(SS,RST,DI0);
  if (!LoRa.begin(868E6)) {
    Serial.println("Starting LoRa failed!");
    while (1);
  }
  Serial.println("LoRa Receiver");
}
 
void loop() {
  Blynk.run(); // Initiates Blynk
  // try to parse packet
  int packetSize = LoRa.parsePacket();
  if (packetSize) {
    // received a packet
    Serial.println("Received packet:");
    
    String incoming = "";
    while (LoRa.available()) {
      incoming += (char)LoRa.read();
    }
 
    // Parse out the latitude, longitude and speed
    int latIndex = incoming.indexOf("LAT:");
    int lonIndex = incoming.indexOf(",LONG:");
    int speedIndex = incoming.indexOf(",SPEED:");
 
    float lat = incoming.substring(latIndex + 4, lonIndex).toFloat();
    float lon = incoming.substring(lonIndex + 6, speedIndex).toFloat();
    float speed = incoming.substring(speedIndex + 7).toFloat();
 
    // Reformat the strings with specified number of digits after decimal
    String latString = String(lat, 6);
    String lonString = String(lon, 6);
    String speedString = String(speed, 2) + " kmph"; // Assuming speed is in meters per second
    
    Serial.print("Latitude: ");
    Serial.println(latString);
    Serial.print("Longitude: ");
    Serial.println(lonString);
    Serial.print("Speed: ");
    Serial.println(speedString);
    
    // print RSSI of packet
    Serial.print("RSSI: ");
    Serial.println(LoRa.packetRssi());
 
    //Send to Blynk
    Blynk.virtualWrite(V1, latString.c_str());
    Blynk.virtualWrite(V2, lonString.c_str());
    Blynk.virtualWrite(V3, speedString.c_str());
 
    //Send to Google Map Widget
    Blynk.virtualWrite(V0, (lonString+","+latString).c_str()); 
  }
}

#include <SPI.h>

#include <LoRa.h>

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <BlynkSimpleEsp8266.h>

#define SS 15 // GPIO15 -- SX1276's CS

#define RST 16 // GPIO16 -- SX1276's RESET

#define DI0 4 // GPIO4 -- SX1276's IRQ(Interrupt Request)

#define BLYNK_TEMPLATE_ID "TMPL6iHPnSeDn"

#define BLYNK_TEMPLATE_NAME "LoRa GPS Tracker"

char auth[] = "************"; // Blynk Authentication Token

char ssid[] = "************"; // WiFi SSID

char pass[] = "************"; // WiFi Password

void setup() {

Serial.begin(115200); // Start the Serial communication to send messages to the computer

Blynk.begin(auth, ssid, pass); // Start Blynk

delay(1000); // wait for a second

// Start LoRa using the frequency appropriate for your region (eg. 868E6 for Europe, 915E6 for North America)

LoRa.setPins(SS,RST,DI0);

if (!LoRa.begin(868E6)) {

Serial.println("Starting LoRa failed!");

while (1);

}

Serial.println("LoRa Receiver");

}

void loop() {

Blynk.run(); // Initiates Blynk

// try to parse packet

int packetSize = LoRa.parsePacket();

if (packetSize) {

// received a packet

Serial.println("Received packet:");

String incoming = "";

while (LoRa.available()) {

incoming += (char)LoRa.read();

}

// Parse out the latitude, longitude and speed

int latIndex = incoming.indexOf("LAT:");

int lonIndex = incoming.indexOf(",LONG:");

int speedIndex = incoming.indexOf(",SPEED:");

float lat = incoming.substring(latIndex + 4, lonIndex).toFloat();

float lon = incoming.substring(lonIndex + 6, speedIndex).toFloat();

float speed = incoming.substring(speedIndex + 7).toFloat();

// Reformat the strings with specified number of digits after decimal

String latString = String(lat, 6);

String lonString = String(lon, 6);

String speedString = String(speed, 2) + " kmph"; // Assuming speed is in meters per second

Serial.print("Latitude: ");

Serial.println(latString);

Serial.print("Longitude: ");

Serial.println(lonString);

Serial.print("Speed: ");

Serial.println(speedString);

// print RSSI of packet

Serial.print("RSSI: ");

Serial.println(LoRa.packetRssi());

//Send to Blynk

Blynk.virtualWrite(V1, latString.c_str());

Blynk.virtualWrite(V2, lonString.c_str());

Blynk.virtualWrite(V3, speedString.c_str());

//Send to Google Map Widget

Blynk.virtualWrite(V0, (lonString+","+latString).c_str());

}

ماژول FTDI را با استفاده از سیم‌های جامپر به هدر Male قسمت گیرنده وصل کنید. فراموش نکنید که پین RTS را نیز وصل کنید.

اتصال ماژول FTDI

از قسمت Board Manager گزینه NodeMCU 1.0 Board و COM Port را انتخاب کنید. سپس برای آپلود کد، روی دکمه آپلود کلیک کنید.

تست و نمایش دستگاه ردیاب GPS Location

بعد از آپلود کد می‌توانید شروع به آزمایش دستگاه فرستنده و گیرنده کنید.

اگر سریال مانیتور قسمت فرستنده را باز کنید، اطلاعات زیر را مشاهده خواهید کرد:

ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266

پس از ارسال دیتا توسط فرستنده، گیرنده بلافاصله پیغام‌ها را دریافت می‌کند. اگر سریال مانیتور قسمت گیرنده را باز کنید، اطلاعات زیر را مشاهده خواهید کرد:

ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266

همان‌طور که در تصاویر بالا نشان‌داده‌شده است، فرستنده و گیرنده با یکدیگر در ارتباط هستند، به این معنی که سخت‌افزار نهایی، برای آزمایش در فضای باز، مناسب است.

اکنون می‌توانید مدار گیرنده را که به شبکه وای‌فای متصل است، در خانه نگه دارید.

مدار گیرنده

اما، فرستنده می‌تواند قابل‌حمل باشد و برای آزمایش به بیرون از خانه برده شود.

مدار فرستنده

اکنون می‌توانید از داشبورد Blynk خود، بازدید کنید. در داشبورد Blynk، مکان فرستنده را خواهید دید.

داشبورد Blynk

به طور مشابه، شما می‌توانید داشبورد موبایل خود را نیز برای بررسی مکان GPS مشاهده کنید.

داشبورد GPS لورا در موبایل

مختصات به طور اتوماتیک بر اساس حرکت ردیاب آپدیت می‌شود. اما برای دیدن مکان بر روی نقشه، باید هر بار آن را آپدیت کنید.

جمع‌بندی

در این پروژه نشان داده شد که چگونه می‌توان یک ردیاب GPS کم‌مصرف مبتنی بر پروتکل LoRa را با استفاده از برد آردوینو و ESP8266 مونتاژ کرد. این ردیاب با ترکیب منحصربه‌فرد خود یعنی میکروکنترلر Atmega328، چیپ SX1276 LoRa و ماژول GPS L80، می‌تواند ارتباطات دوربرد را با مصرف انرژی کم ارائه می‌دهد. همچنین، این دستگاه به دلیل داشتن قابلیت‌های sleep mode و شارژ USB، دستگاهی بسیار کارآمدی محسوب می‌شود.

این دستگاه یک ابزار دقیق و مفید برای ردیابی است و دارای یک گیرنده است که به وای‌فای متصل می‌شود و دیتاهای مربوط به موقعیت مکانی (لوکیشن) را به برنامه Blynk ارسال می‌کند. از جمله مهم‌ترین کاربردهای این دستگاه عبارت‌اند از:

یافتن حیوانات خانگی گمشده
محافظت از اموال ارزشمند
تسهیل تحقیقات مربوط به حیات‌وحش
ردیابی هرچیزی

منبع:‌ https://how2electronics.com

سیسوگ مرجع متن باز آموزش الکترونیک

ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266

موارد موردنیاز برای انجام پروژه

طراحی سخت‌افزار LoRa GPS Tracker

طراحی و شماتیک قطعات ترانسمیتر (فرستنده)

طراحی و شماتیک قطعه گیرنده

طراحی PCB، فایل‌های Gerber و سفارش PCB

PCB و مونتاژ سخت‌افزار نهایی

راه‌اندازی برنامه Blynk

سورس کد (کد منبع) و پروگرام LoRa GPS Tracker

کد ترانسمیتر (فرستنده)

کد گیرنده (Receiver)

تست و نمایش دستگاه ردیاب GPS Location

جمع‌بندی

1 دیدگاه در “ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266”

دیدگاهتان را بنویسید لغو پاسخ

ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266

موارد موردنیاز برای انجام پروژه

طراحی سخت‌افزار LoRa GPS Tracker

طراحی و شماتیک قطعات ترانسمیتر (فرستنده)

طراحی و شماتیک قطعه گیرنده

طراحی PCB، فایل‌های Gerber و سفارش PCB

PCB و مونتاژ سخت‌افزار نهایی

راه‌اندازی برنامه Blynk

سورس کد (کد منبع) و پروگرام LoRa GPS Tracker

کد ترانسمیتر (فرستنده)

کد گیرنده (Receiver)

تست و نمایش دستگاه ردیاب GPS Location

جمع‌بندی

شاید برای شما مفید باشد

1 دیدگاه در “ساخت یک ردیاب GPS مبتنی بر پروتکل LoRa با بردهای آردوینو و ESP8266”

دیدگاهتان را بنویسید لغو پاسخ