AmbientでIoTをはじめよう

2018年4月24日

場所に応じたセンサデータを測定し、記録する

「AmbientでIoTをはじめよう」の第5回は、GPSモジュールを使い、いろいろな場所のデータを測定して、クラウドに送信し、記録し、確認する事例を紹介します。

位置情報付きデータ

センサデータにはいつどこで測定したデータかという情報が付帯しています。

第1回の温度、湿度や第2回の空気品質の事例は、時間とともに温度や空気品質がどう変化したかを測定、記録したものです。場所については触れていませんが、一つの場所で測定したデータであることを仮定しています。データは次のような形式になります。

    t1, d1=23.57, d2=44.45
    t2, d1=23.78, d2=43.96
    t3, d1=23.87, d2=43.87

一方、場所と時間を変えながら測定されるデータもあります。例えば場所ごとの騒音レベルやCO2濃度などは場所に応じたデータです。また、サイクリングした時の位置と時刻と心拍数、ペダルの回転数は位置と時刻に応じたデータです。

データは次のように、緯度経度で表される位置情報がついた形式になります。

    t1, d1=23.57, d2=44.45, 緯度=35.64, 経度=139.62
    t2, d1=23.78, d2=43.96, 緯度=35.62, 経度=139.60
    t3, d1=23.87, d2=43.87, 緯度=35.63, 経度=139.61

今回は、いろいろな場所の空気品質を測定し、クラウドに送って、記録、可視化する事例を紹介します。

全体の構成

センサ端末は第2回「空気品質を測定し、記録する」で開発した端末と同じものに、位置を調べるためにGPSモジュールを加えます。端末を持ち運べるように、電池駆動にします。

クラウドにデータを送信するためにモバイルWi-Fiルータを使い、センサ端末を持ち運び可能にします。スマートフォンのテザリング機能を使っても構いません。

センサ端末のハードウェア

第2回「空気品質を測定し、記録する」で開発した端末と同じく、マイコンはESPr Developerを、センサは温湿度・気圧センサBME280と空気品質センサCCS811を使います。 BME280はI2CとSPIという二つのインタフェースに対応していますが、CCS811がI2Cインタフェースのみに対応なので、両方合わせてI2Cでアクセスします。

GPSモジュールは「Adafruit Ultimate 66チャンネル10Hz GPSモジュール Version 3」を使います。 66チャンネルというのは66個のGPS衛星をサーチし、22個の衛星をトラッキングできるのだそうです。アンテナは内蔵されていて、外部アンテナをつけることもできます。このGPSモジュールはシリアル通信でアクセスします。 ESPr Developerに使われているESP8266にはシリアル通信モジュールが一つの搭載されていますが、それはPCとの通信やプログラムのダウンロードに使われていて、アプリケーションでは使えません。そこで、プログラムでシリアル通信を実現するライブラリーを使い、PCと通信しているのとは別のピンでシリアル通信します。今回はピン12と2を使い、次のようにGPSモジュールと接続します。

GPSモジュール	ESP8266など
3.3v	-
EN	10kΩでプルアップ
VBAT	3.3v
FIX	-
TX	IO2
RX	IO12
GND	GND
VIN	3.3v
PPS	-

回路図を示します。

ブレッドボード上に組み立てた実際の端末です。 ESPr Developerは面積がコンパクトなので、ブレッドボードが有効に使えます。

端末に必要な部品をまとめました。

部品	個数
Adafruit Ultimate 66チャンネル10Hz GPSモジュール Version 3	1個
CCS811搭載空気品質センサモジュール	1個
BME280搭載　温湿度・気圧センサモジュール	1個
ESPr® Developer (ESP-WROOM-02開発ボード)	1個
細いピンヘッダ 20P	2個
普通のブレッドボード	1個
固いジャンパワイヤ　(ブレッドボード用)	1個

センサ端末の動作確認

Arduino開発環境の準備とAmbientライブラリのインストールについては第1回「温度、湿度、気圧を測定し、記録する」の「Arduino開発環境の準備」と「Ambientライブラリとサンプルプログラムのインストール」をご覧ください。

温湿度・気圧センサBME280と空気品質センサCCS811の動作確認は第2回「空気品質を測定し、記録する」の「センサ端末の動作確認」をご覧ください。

プログラムでシリアル通信を実現するライブラリーは「 EspSoftwareSerial」を使いました。 Githubのページ右上の「Clone or download」から「Download ZIP」を選んでZIPファイルをダウンロードし、Arduino IDEを立ち上げて、「スケッチ」メニューの「ライブラリをインクルード」→「.ZIP形式のライブラリをインストール…」でダウンロードしたZIPファイルを選択すればインストールは完了です。

簡単なプログラムを動かして、GPSモジュールの動作確認をします。

プログラムをビルドして、ESPr Developerに書き込むと、次のような文字列が出力されます。文字列の内容はGPS衛星から受信するデータにより異なります。

    GPS test
    $GPGGA,034836.000,3538.5838,N,13937.5787,E,1,05,2.92,64.9,M,39.4,M,,*56
    $GPGSA,A,3,14,27,32,193,26,,,,,,,,3.07,2.92,0.96*3E
    $GPGSV,3,1,11,26,64,316,30,14,43,191,25,16,42,274,,29,33,046,19*77
    $GPGSV,3,2,11,21,22,119,16,27,19,207,41,23,19,314,,32,18,174,35*7B
    $GPGSV,3,3,11,193,10,192,35,25,10,066,,36,,,*4C
    $GPRMC,034836.000,A,3538.5838,N,13937.5787,E,0.35,69.41,150418,,,A*58
    $GPVTG,69.41,T,,M,0.35,N,0.66,K,A*01
    $GPGGA,034837.000,3538.5839,N,13937.5788,E,1,05,2.92,64.9,M,39.4,M,,*59
    $GPGSA,A,3,14,27,32,193,26,,,,,,,,3.07,2.92,0.96*3E

これはNMEA-0183フォーマットというフォーマットの文字列で、時刻、緯度、経度、海抜高度、測位に利用した衛星の数やID、それぞれの衛星の位置(方位角と仰角)などの情報が含まれています。

例えば最初の行の「$GPGGA,034836.000,3538.5838,N,13937.5787,E,1,05,2.92,64.9,M,39.4,M,,*56」は GPSのGGA(Global Positioning System Fix Data)情報で、次のような情報を表しています。

意味	値
測位時刻(UTC)	3時48分36秒
緯度	3538.5838
緯度方角	N
経度	13937.5787
経度方角	E
Fixタイプ	1:GPS Fix
測位利用衛星数	05
水平精度低下率	2.92
海抜高度	64.9
高度単位	M
WGS-84座標系海抜高度差	39.4
単位	M
DGPSデータ残存時間	-
チェックサム	56

興味のある方はこちらのサイトをご覧ください。

また、GPSモジュールがGPS衛星のデータを受信して位置を確定させるためには、 GPSモジュールを空が見える屋外に置き、45秒以上動作させる必要があります。今回使用している「Adafruit Ultimate 66チャンネル10Hz GPSモジュール」は位置が確定できるまではモジュール上のLEDが1秒単位で点滅し、確定できると15秒に1回点滅するようになります。

ArduinoでGPSデーターを扱うライブラリ

先程のデータは生のNMEA-0183フォーマットデータでした。 Arduinoにはこのデータをプログラムで扱いやすいデータに変換する「 TinyGPS++」というライブラリがあります。

インストールはソフトシリアルと同様でTinyGPS++のサイトに行き、ダウンロードアイコンの先の最新ZIPファイルをダウンロードし、Arduino IDEで「.ZIP形式のライブラリをインストール…」でZIPファイルをインストールします。

シリアルから読んだGPSデーターを1文字づつライブラリに渡すと、それを解析し、GPSオブジェクトに追加、更新します。解析中はfalseが返り、1行処理して解析が成功するとtrueが返されます。シリアルからGPSデータを読んでGPSオブジェクトにする部分は次のようなプログラムになります。

    while (ss.available() > 0) {
        if (gps.encode(ss.read())) {
            break;
        }
     }

いろいろな場所の空気品質を測定してAmbientに送る

GPSモジュールの動作確認ができたら、いよいよ温湿度・気圧センサー、空気品質センサーと組み合わせていろいろな場所の空気品質を測定してみます。

プログラムの大まかな構造は次のようになります。

    setup() {
        もろもろの初期化();
    }

    loop() {
        GPSから位置情報を読む();
        温湿度・気圧センサーからデータを読む();
        空気品質センサーからデータを読む();
        Ambientにデータと位置情報を送る();
        1分待つ();
    }

1分毎に位置と温度、湿度、気圧、CO2の値を測定します。 Ambientには位置情報付きのデーターを受信し、地図上に表示する機能があります。通常のd1からd8のデータに加えて、緯度をデータ9、経度をデータ10として送ると位置情報付きデータになります。

    ambient.set(1, data.temperature);
    ambient.set(2, data.humidity);
    ...
    ambient.set(9, gps.location.lat());  // 緯度をデータ9としてセット
    ambient.set(10, gps.location.lng());  // 経度をデータ10としてセット
    ambient.send();

プログラムはGithubに公開しました。