GPS 모듈 완전 정복: 초보자를 위한 완벽 핸드북

프로젝트에 정확하고 정밀한 위치 데이터가 필요한데 어디서 시작해야 할지 혼란스러우신가요? GPS 모듈이 필요합니다.

기본 GPS 모듈로 프로젝트에 필요한 모든 위치 데이터를 얻을 수 있습니다.

GPS 작업이 까다로울 수 있지만, 여러 개인과 산업의 노력 덕분에 복잡한 것보다 더 단순합니다.

어떤 GPS 모듈이 애플리케이션에 가장 적합한지, 올바른 부품을 소싱하는 것에 대해서도 혼란스러울 수 있습니다.

이 글에서 GPS 관련 문제 해결책을 보고 GPS 회로에 대해 알아야 할 모든 것을 배우세요.

GPS 모듈이란?

위치 데이터하면 가장 먼저 GPS가 떠오릅니다. 하지만 GPS가 정확히 무엇일까요?

GPS(Global Positioning System)는 날씨 조건에 관계없이 정확한 위치, 속도, 시간을 결정하는 무선 항법 시스템입니다. 또한, 육상, 항공, 해상에서 작동합니다.

GPS 모듈은 기기나 회로가 GPS 데이터를 수신할 수 있게 해주는 장치입니다. GPS 모듈을 사용할 수 없다면 간단한 코드로 마이크로컨트롤러를 대안으로 사용할 수 있습니다.

요즘은 전화기, 컴퓨터, 위치 공유나 다른 객체/사람 추적을 허용하는 다른 스마트 기기에서 GPS 설정이 표준입니다. 또한, GPS는 실시간 지도 접근과 내비게이션 시스템을 제공합니다.

GPS는 어떻게 작동하는가?

GPS 위성과 GPS 수신기가 GPS 기능을 가능하게 하는 두 주요 구성요소입니다. 또한, 장치는 항상 수신기 전송 범위 내에 4개의 활성 위성을 가집니다.

각 GPS 위성은 현재 시간과 위치에 대한 데이터를 수신기로 전송합니다. 그런 다음 위성은 이 데이터를 GPS 수신기가 가로챌 수 있는 무선 신호로 전송합니다.

흥미롭게도 이 무선 신호는 빛의 속도로 이동하여 실시간 데이터 애플리케이션에 충분히 빠릅니다. 위성이 신호를 보낸 시점과 수신기가 가로챈 시점의 차이를 기록하여 위성과 GPS 수신기 사이의 거리를 계산할 수 있습니다.

수신기가 3개 이상의 위성에서 이 신호들을 수집하면 삼변측량(trilateration) 과정을 통해 위치를 결정합니다. 그러나 GPS 수신기는 위치 데이터를 제공하기 위해 최소 3개의 GPS 위성이 필요합니다.

흥미롭게도 대부분의 GPS 모듈은 같은 방식으로 작동합니다. 통신을 위해 표준 시리얼 인터페이스를 사용하며 SPI와 I2C 통신 인터페이스 옵션도 있습니다.

또한, 메시징 포맷도 표준이 있습니다. GPS 모듈은 보통 NMEA-0183 형식으로 데이터를 출력합니다.

대안으로 마이크로컨트롤러 플랫폼용 코드를 사용하여 보드를 작동하는 GPS 모듈로 바꿀 수 있습니다. 이런 프로젝트로는 Adafruit GPS, Minima, NeoGPS 등이 있습니다. 이런 프로젝트들은 시리얼 데이터 스트림을 사용하여 원하는 모든 위치 데이터를 제공합니다.

아두이노 및 라즈베리 파이와 GPS 모듈

이 프로젝트에서는 NEO-6M GPS 모듈을 사용합니다. 이 모듈은 외부 안테나와 함께 제공되지만 헤더 핀은 없습니다. 따라서 헤더 핀이 필요하다면 모듈에 납땜해야 합니다.

NEO-6M 모듈은 아두이노와 라즈베리 파이 마이크로컨트롤러 보드 모두와 작동합니다. 이를 위해 다음 구성요소가 필요합니다:

• 아두이노 키트
• 점퍼 와이어
• NEO-6M GPS 모듈

아두이노와 GPS 모듈 배선

NEO-6M GPS 모듈은 4핀(RX, GND, VCC, TX)을 가집니다.

시리얼 통신이 아두이노와의 주요 통신 방법입니다. 또한, TX와 RX가 시리얼 핀 역할을 합니다.

아두이노를 GPS 모듈에 배선하는 방법:

• GPS 모듈 GND 핀을 아두이노 GND 핀에 연결
• 모듈 RX 핀을 아두이노 핀 3에 연결
• TX 핀을 아두이노 핀 4에 연결
• VCC 핀을 아두이노 5V 핀에 연결

코드

모듈을 아두이노에 연결한 후 다음 코드를 아두이노 우노에 업로드하세요:

아두이노 코드 이미지 참조

작업 중 GPS 모듈 기능에 따라 코드를 편집하세요.

라즈베리 파이와 GPS 모듈

U-blox NEO-M8N GPS 모듈을 라즈베리 파이와 사용하여 위치 데이터를 얻을 수 있습니다. 하지만 라즈비안 OS 설치 전 파이썬 경험이 필요합니다. 또한, 파이 보드를 GPS 모듈에 연결할 파이썬 코드도 필요합니다.

이 프로젝트에 필요한 것들:

• 라즈베리 파이 보드
• 전원 공급장치(라즈베리 파이용)
• 브레드보드
• 마이크로 SD 카드(가능하면 8GB)
• 점퍼 와이어
• GPS 모듈(U-blox NEO-M8N GPS 모듈)

빌드 방법

먼저 라즈베리 파이에서 UART 통신을 활성화해야 합니다. 그런 다음 다음 코드로 프로세스 시작:

UART 활성화 코드 이미지 참조

• 파일 끝에 다음 줄 추가:

설정 추가 코드 이미지 참조

• 파일 나가기: "ctrl+x" 클릭, 또는 "y와 enter"로 저장

참고: UART는 라즈비안 OS의 시리얼 콘솔입니다. 따라서 해당 기능 비활성화 가능. "/boot/cmdline.txt 파일" 수정도 가능. 수정 전 백업 생성:

백업 생성 코드 이미지 참조

• 다음 줄로 텍스트 파일 복원:

텍스트 파일 복원 코드 이미지 참조

• 파일 닫기: "Ctrl+X". 저장하려면 "Y"와 "Enter" 클릭
• 다음 코드로 Pi 재부팅하여 수정사항 확인:

재부팅 코드 이미지 참조

GPS 모듈 LED로 작동 확인. LED(노란색)가 깜빡이면 GPS 모듈 작동 중. 다음 명령 실행:

GPS 데이터 확인 명령 이미지 참조

라즈베리 파이 시리얼 겟티 서비스 비활성화

ttyAMA0가 출력용 Serial0과 작동한다면 다음 명령으로 비활성화:

비활성화 명령 이미지 참조

또는 "Serial0"과 "ttyS0"이 링크되어 있다면 다음 명령으로 비활성화:

대체 비활성화 명령 이미지 참조

그런 다음 reboot 명령으로 시스템 재부팅.

ttyS0 활성화

ttyAMA0 비활성화 후 다음 명령으로 ttyS0 활성화:

ttyS0 활성화 명령 이미지 참조

"pynmea2" 및 "minicom" 설치

GPS 모듈 연결을 위해 "minicom" 파이썬 패키지 설치. 이후 다음 데이터 이해 가능:

NMEA 데이터 예시 이미지 참조

수신한 NMEA 데이터 실행을 위해 pynmea2 파이썬 모드 설치:

pynmea2 설치 명령 이미지 참조

회로 출력 테스트

마지막으로 다음 명령으로 GPS 출력 테스트:

테스트 명령 이미지 참조

결과는 다음과 같아야 합니다:

GPS 결과 이미지 참조

파이썬 코드 로깅하여 라즈베리 파이를 GPS 모듈과 인터페이스:

파이썬 로깅 코드 이미지 참조

최종 결과는 다음과 같아야 합니다:

GPS 최종 결과 이미지 참조

프로젝트에 적합한 GPS 모듈 선택 방법

앞서 언급했듯 거의 모든 GPS 모듈은 같은 방식으로 작동합니다. 하지만 사용하는 GPS 모듈 유형은 애플리케이션에 따라 달라져야 합니다.

GPS 내비게이션 모듈에서 서로 다른 것들이 필요할 수 있습니다. 예를 들어, GPS로 오토파일럿하는 고속 이동 플랫폼을 작업 중이라면 빠른 업데이트 레이트의 GPS 모듈이 필요합니다.

낮은 업데이트 레이트에서 몇 미터 정확도만 필요하다면 기본 GPS 모듈로 충분합니다.

또한, 지속적인 신호가 필요하다면 외부 GPS 안테나가 있는 모듈이 이상적. 하지만 정확도가 전부라면 실시간 운동학(RTK) 기술이 있는 모듈이 완벽한 선택입니다.

마무리

GPS 모듈로 속도 정확도와 함께 위치 데이터를 얻을 수 있습니다. 눈에 보이는 위성은 없지만 GPS 위성들이 지구를 돌며 지속적인 정확도를 제공합니다.

또한, GPS 위성과 수신기 간 데이터 전송도 빛의 속도로 일어납니다. 그래서 프로젝트와 애플리케이션에 빠르고 신뢰할 수 있습니다.

질문이 있으시면 꼭 연락 주세요. 기꺼이 도와드리겠습니다.