Validazione MTK3339 (3)

Seguendo quanto iniziato qui, ho fatto una nuova serie di misure il 6 novembre 2015  (piu' ridotta nel tempo, circa 5000 misure) di giorno in modo da testare il sistema ricarica a pannello solare (misura dalle 12:13 alle  14:41)

La prima novita' e' stata che la qualita' della tramissione radio e' stranamente peggiorata con circa il 7 per mille dei messaggi giunti corrotti (nel dettaglio sono arrivati 5262 pacchetti corretti su un totale di 5655)

Il punto medio e' stato misurato in
Latitudine : 43.8335234
Longitudine : 11.3105038

nella misura precedente il punto medio era
Latitudine : 43.8335196
Longitudine : 11.310521

La distanza tra i due punti e' calcolata in circa 2 m (in realta' il punto era il medesimo per entrambe le misure)

Durante questa prova non e' mai stata attivata la Fix Quality 2

I valori di tensione della batteria sono variabili perche', essendo una misura fatta di giorno, il pannello solare ha funzionato in ricarica. Si vede intorno alla misura 2000 la ricarica del pannello verso la batteria Lipo

Il grafico di quota e' invece (per quanto inutile)

In definitiva l'MTK3339 risulta avere misure confrontabili nell'intorno di un paio di metri abbastanza indipendentemente dalla copertura dei satelliti

Gpsbabel

Un paio di comandi per scaricare i dati da un Gps Garmin (in questo caso un vecchio modello con la seriale collegata ad un cavo Serial2Usb). Il Gps deve essere impostato con interfaccia Garmin

Nel primo caso i dati vengono scaricati e salvati sul file dati.nmea in formato nmea (viene scritta solo la stringa $GPWPL e quindi ci sono le informazioni latitudine e longitudine)
gpsbabel -i garmin -f /dev/ttyUSB1 -o nmea -F dati.nmea


Per estrarre altri dati come l'ora di acquisizione ed i metadati del punto (come il nome) si puo' salvare in formato garmin_txt che estrae un csv con tabulatori come separatori

gpsbabel -i garmin_txt,date="MM/DD/YYYY",time="hh:mm:ss xx" -f /dev/ttyUSB1 -o garmin_txt,date="DD.MM.YYYY",datum="WGS 84",dist=m,prec=6,temp=c,time="HH:mm:ss",utc=+2 -F dati.txt

Lo scaricamento dei dati non e' particolarmente veloce. Per 500 punti ci vogliono circa 49 secondi da Garmin V.

Garmin GPS V e raw data

Mi e' stato prestato un Garmin GPS V, un modello piuttosto vecchiotto ed uscito piu' o meno in contemporanea del modello 12XL visto qui.

A differenza del 12XL il modelloV non e' esattamente un modello cartografico ma piu' un navigatore stradale (qualunque cosa volesse dire navigatore stradale nel 1998!!)

Questo Gps monta un software che ricorda molto da vicino i primi Etrex ed ha anche l'opzione WAAS oltre ad una antenna orientabile per mettere il display in orizzontale (uso in macchina) od in verticale.
L'antenna ha una sensibilita' decisamente pessima e bisogna armarsi di pazienza ed un cielo sgombro di ostacoli per ottenere la propria posizione (basta entrare in una via stretta con palazzi alti per perdere immediatamente il segnale)

Il connettore posteriore e' uguale al modello 12XL ed ho quindi provato a vedere se era possibile effettuare una acquisione raw con il programma async.

Il programma e' riuscito ad acquisire i pacchetti (importante che al momento dell'inizio dell'acquisizione il display mostri la scritta indichi GPS 3D) ma al momento della conversione in formato RINEX con la stessa stringa vista nel precedente post, veniva generata solo l'intestazione del file RINEX.
Visto pero' che il software assomiglia all'Etrex ho provato ad aggiungere lo switch -rinex -etrex ed ecco che e' stato generato il file RINEX idoneo per il postprocessing

Per esteso il comando di conversione e' qualcosa del tipo
./gar2rnx_1_48 057615.g12 -f -rinex -etrex -area test

(come curiosita' il file RINEX indica che l'antenna del Garmin V e' una GPS12 a sottolineare la somiglianza tra l'hardware dei due modelli)

Arduino Xbee/GPS Solar Powered con ibernazione

Questo e' uno dei progetti piu' completo a cui lavoro da un po' di tempo a questa parte

Si tratta di un sistema GPS con microcontrollore Arduino e trasmissione dati via Xbee con alimentazione da batteria Lipo e ricarica solare

Penna per riferimento di scala sulla sinistra

I componenti utilizzati sono 

- Arduino Uno

- Adafruit GPS Breakeout (gia' visto in questo post)

- Shield Xbee e Xbee (gia' visto in questo post)

- Solar Charger Shield v2.2. (gia' visto in questo post con le modifiche apportate)

- Pannello solare da 1W (8x10 cm)

- Batteria Lipo da 3000 mAh

- Scatola per esterni 10x6.8x5.0 mm

- Accelerometro ADXL335 (attualmente non in uso)

Il sistema in completo funzionamento (trasmissione dati + acquisizione GPS) consuma circa da 50 a 70 mA. Con ibernazione del sistema GPS ed dello XBee scende intorno a 20 mA

La batteria completamente carica misura 4.1-4.12 V; il limite inferiore a cui il sistema continua ad essere operativo e stabile e' circa 3.65 V
In uso continuativo con la tramissione dati ed il Gps accesi si ha un consumo di 0.03V/ora di esercizio
E' piu' difficile sitmare la ricarica derivante dal pannello solare. A sistema spento, quindi solo in ricarica, in un paio di giornate soleggiate di novembre la ricarica e' stata compresa tra 0.1 e 0.2 V per giorno

Nello sketch seguente l'Arduino acquisisce e trasmette per circa 10 minuti i dati GPS (la trasmissione si attiva solo dopo il fix GPS) ed iberna sia il GPS che la trasmissione per circa un minuto. In queste condizioni, senza ricarica solare, si ha un consumo sulla batteria di circa 0.3 V/h.
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#include <Adafruit_GPS.h>
#include <SoftwareSerial.h>

#define XBEE_SLEEP 9

const int analogInPin = A0; 
int BatteryValue = 0;     
float outputValue = 0;

unsigned long delaytime=250;


//GESTIONE DEL RISPAMIO ENERGETICO
// in max_misure c'e' il valore di quante misure consecutive vengono effettuate
// in sleep_time il numero di millisecondi in cui il GPS deve risultare spento
const int max_misure = 600;
int conta_misure = 0;
unsigned long sleep_time = 60000; //in millesimi di secondo

SoftwareSerial mySerial(3, 2);
Adafruit_GPS GPS(&mySerial);
#define GPSECHO  true
boolean usingInterrupt = false;
void useInterrupt(boolean); 



void setup() {
  Serial.begin(9600);
  GPS.begin(9600);
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_OUTPUT_RMCGGA);
  GPS.sendCommand(PMTK_SET_NMEA_UPDATE_1HZ);   // 1 Hz update rate
  GPS.sendCommand(PGCMD_ANTENNA);
  //enable DPGS
  GPS.sendCommand(PMTK_ENABLE_SBAS);
  GPS.sendCommand(PMTK_ENABLE_WAAS);

  useInterrupt(true);
  delay(1000);
  mySerial.println(PMTK_Q_RELEASE);

  //setta il pin 9 come controllo dello sleep di XBEE
  pinMode(XBEE_SLEEP,OUTPUT);
  //mette a ground il pin ovvero sveglia la trasmissione
  analogWrite(XBEE_SLEEP,0);
  //digitalWrite(XBEE_SLEEP,LOW);
}

SIGNAL(TIMER0_COMPA_vect) {
  char c = GPS.read();
#ifdef UDR0
  //if (GPSECHO)
    //if (c) UDR0 = c;  
#endif
}

void useInterrupt(boolean v) {
  if (v) {
    OCR0A = 0xAF;
    TIMSK0 |= _BV(OCIE0A);
    usingInterrupt = true;
  } else {
    TIMSK0 &= ~_BV(OCIE0A);
    usingInterrupt = false;
  }
}

uint32_t timer = millis();



void loop() { 
  if (! usingInterrupt) {
    char c = GPS.read();
    //if (GPSECHO)
      //if (c) Serial.print(c);
  }
  if (GPS.newNMEAreceived()) {
    if (!GPS.parse(GPS.lastNMEA()))  
      return;  
  }

  if (timer > millis())  timer = millis();

  if (millis() - timer > 1000) { 
    timer = millis(); // reset the timer

if (GPS.fix)
    {
     //NOME DELLA STAZIONE
    Serial.print("ST01-");
    
    //carica della batteria
    BatteryValue = analogRead(analogInPin);            
    // Calculate the battery voltage value
    outputValue = (float(BatteryValue)*5)/1023*2;
    Serial.print(outputValue);
    Serial.print("-");
    
    //GPS
    if (GPS.hour < 10) Serial.print("0");
    Serial.print(GPS.hour,DEC);
    Serial.print(":");
    if (GPS.minute < 10) Serial.print("0");    
    Serial.print(GPS.minute,DEC);
    Serial.print(":");
    if (GPS.seconds < 10) Serial.print("0");    
    Serial.print(GPS.seconds,DEC);
    //Serial.print(".");
    //Serial.print(GPS.milliseconds,DEC);
    Serial.print(" ");
    if (GPS.day < 10) Serial.print("0");    
    Serial.print(GPS.day, DEC); Serial.print('/');
    if (GPS.month < 10) Serial.print("0");    
    Serial.print(GPS.month, DEC); Serial.print("/20");
    Serial.print(GPS.year, DEC);

    Serial.print("-");
    /*Serial.print(GPS.latitude,4);
    Serial.print("-");
    Serial.print(GPS.lat);
    Serial.print("-");
    Serial.print(GPS.longitude,4);
    Serial.print("-");
    Serial.print(GPS.lon);
    
    Serial.print("-");*/
    Serial.print(GPS.latitude_fixed);
    Serial.print("-");
    Serial.print(GPS.longitude_fixed);

    Serial.print("-");
    Serial.print(GPS.altitude,1); 

    Serial.print("-");
    Serial.print(GPS.HDOP,1); 
    Serial.print("-");
    Serial.print((int)GPS.fixquality); 

    Serial.print("-");
    if (GPS.satellites < 10) Serial.print("0");    
    Serial.print((int)GPS.satellites);
    Serial.println("-LU");

    //conta_misure++;

    }
    conta_misure++;
     //GESTIONE RISPARMIO ENERGETICO    
    //controlla se e' stato raggiunto il numero limite di misure
    if (conta_misure >= max_misure)
             {
               //se e' stato raggiunto spenge il GPS, attende lo sleep_time e lo riaccende
               conta_misure = 0;
               GPS.standby(); //spenge il GPS
               analogWrite(XBEE_SLEEP,168); //spenge XBEE, 3.3V PWM  
               //digitalWrite(XBEE_SLEEP,HIGH);

               delay(sleep_time); //tempo di standby
               GPS.wakeup(); //risveglia il GPS
               analogWrite(XBEE_SLEEP,0); //risveglia XBEE
               //digitalWrite(XBEE_SLEEP,LOW);

             } 
  }
}
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La ricevente e' un sistema Xbee in modalita' coordinator montato su Xbee Explorer e collegato ad un PC

Lo script per ricevere i dati in Python e' il seguente
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import serial

import sys
s = serial.Serial('/dev/ttyUSB1',9600)

while 1:
try:
if s.inWaiting():
    val = s.readline(s.inWaiting())
sys.stdout.write(val)
    except serial.serialutil.SerialException:
       pass
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Creare un grafico animato con Python/Matplotlib

In questo post viene indicato come creare uno scatterplot dinamico basato da dati ripresi da un file csv (nel dettaglio il file csv e' costituito da dati di Latitudine e Longitudine misurati da un Gps e delimitati da punto e virgola)

Questo sistema puo' essere puo' essere utile per verificare la presenza di un pattern all'interno dei dati

il codice e' auto esplicativo. Tramite Numpy si carica il file csv e lo si trasforma in una matrice a due colonne e poi si passa a Matplotlib (devono essere indicati il numero di dati, ovvero 86, l'intervallo di visualizzazione tra un punto ed il successivo,50, e le dimensioni della finestra di visualizzazione)

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import csv
import numpy
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation

def update_line(num, data, line):
    line.set_data(data[..., :num])
    return line,

test = numpy.loadtxt(open("tetto2.csv","rb"),delimiter=";",unpack=True)

fig1 = plt.figure()

l, = plt.plot([], [], 'r-')
plt.xlim(438334400, 438336000)
plt.ylim(113104800, 113105400)

line_ani = animation.FuncAnimation(fig1, update_line, 86, fargs=(test, l),interval=50, blit=True)
line_ani.save('gps.avi')
plt.show()

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Attenzione : questo sistema crea un file temporaneo png per ogni fotogramma quindi animazioni molto lunghe possono creare una significativa occupazione di spazio disco 

Validazione MTK3339 (2)

Continuando il discorso del precedente post, e' stata fatta un prova mettendo l'antenna in misura su un tetto per un periodo di circa 9 ore (dalle 21:36 alle 06:39 del giorno successivo) per un totale di circa 24400 misure

Il sensore era attivato per cicli di 10 minuti e poi spento per 1 minuto (non avendo batteria tampone l'MTK3339 di fatto era costretto ad un riavvio a freddo ogni 10 minuti)

Delle misure 

19997 dati sono stati ricevuti con Fix Quality = 1

4393   dati sono stati ricevuti con Fix Quality = 2 (DGPS WAAS)

455     misure con visibilita' di 11 satelliti

3585   misure con visibilita' di 10 satelliti 

5039   misure con visibilita' di 09 satelliti

10067 misure con visibilita' di 08 satelliti

4597   misure con visibilita' di 07 satelliti

645     misure con visibilita' di 06 satelliti

E' abbastanza evidente che la nuvola dei punti e' molto sparpagliato in particolare nell'asse NE-SW

Mediando pero' la nuvola dei punti le misure diventano decisamente piu' ordinate

Organizzando invece i dati in blocchi da 10 minuti (circa 580 misure, come detto ogni 10 minuti il GPS veniva spento e resettato) i dati medi peggiorano nettamente come dispersione

Quindi la misura dipende fortemente dal numero di dati che contribuiscono alla media e sembra essere molto meno influenzata dal numero di satelliti osservati

Mettendo insieme tutte le misure (plottate con Octave visto che 22.000 punti su Google Earth non vengono gestiti) il risultato e' il seguente

Ovviamente il dato in quota e' quello peggiore e non e' di nessun utilizzo pratico (se non una valutazione indicativa della quota)

La quota media e' stimata in 177.1 +/- 6.5 m
Dividendo in funzione del numero di satelliti acquisiti la quota media e' di

07 satelliti : 179.1 +/- 5.5 m
08 satelliti : 174.3 +/- 5.5 m
09 satelliti : 179.6 +/- 5.2 m

10 satelliti : 181.7 +/- 7.8 m

11 satelliti : 183.8 +/- 0.1 m

Il sistema GPS era collegato ad una trasmittente Xbee ed una batteria Lipo per l'alimentazione
La trasmissione radio ha inviato 24400 stringhe di dati con sole 6 stringhe malformattate e quindi scartate

Con cicli di 10 minuti di misura (GPS e XBee accesi) ed un minuto di pausa (GPS e Xbee spenti) il consumo della batteria e' stato sostanzialmente costante su valori di circa 0.03 V/ora.
Il limite a cui il sistema entra in crisi e' indicativamente posto a 3.6 V

Validazione MTK3339

Continua lo studio sull'MTK3339, il sensore GPS montato su Adafruit GPS Breakout.
Questa volta e' stato messo a confronto con GPS Leica 1200 Differenziale

La procedura prevedeva di misurare due punti, distanti 1 m misurati con rotella metrica, e vedere come si comportava l'MTK3339 (che era configurato con AIC e WAAS abilitati)

Questi sono i dati dei punti ripresi dal Leica. Si nota che l'errore e' dell'ordine dei centimetri

L'acquisizione della posizione dell'MTK3339 e' stata fatta acquisendo circa 1300 misure (circa 25 minuti di acquisizione) e mediando il baricentro delle misure

Punto 1
Per la prima posizione la nuvola dei punti e' piuttosto ristretta attorno al punto medio

Utilizzando la formula della distanza tra due punti su una sfera date le coordinate in lat/lon (in inglese e' harvesine formula mentre in italiano diventa la formula dell'emisenoverso) espressa da

Da Wikipedia vedi la pagina originale per la descrizione dei simboli

(Attenzione: la formula introduce l'ipotesi lavorare su una sfera e non su un'ellissoide per cui deve essere introdotto il corretto valore del raggio terrestre per la latitudine di interesse)

si ha che nella prima posizione la nuvola dei punti la distanza media della nuvola dei punti dal punto medio e' di 1.2 m con una standard deviation di 0.45 m. I dati quindi sono molto stretti intorno al punto centrale con una ellisse dell'errore molto ristretta.

Punto 2
Nella seconda posizione, per motivi ancora da chiarire, la nuvola dei punti e' piu' dispersa con distanza media dalla posizione media di 1.8 m ed una deviazione standard. di 1.4 m

A differenza del caso precedente si vede che il punto medio non e' contenuto ma contornato dalla nuvola dei punti


Mettendo a confronto le posizione relative viste dai due GPS si osserva che i punti dell' MTK3330 sono distanti rispetto al punto vero (o meglio piu' preciso) misurato dal Leica ma la distanza relativa e' simile

Calcolando la distanza tra i due punti misurati con il Leica la distanza e' chiaramente molto prossima ad 1 m (0.9 m per la precisione) mentre la distanza tra i due punti medi e' di 1.6 m (a fronte del valore vero di 1 m)

La misura dekk'MTK non e' precisa ne' accurata rispetto al valore di riferimento ma il valore medio puo' essere utilizzato in modo significativo per la precisione al metro