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MBED 기반으로 Cat.M1 GPS 활용하기

목차

시작하기 전에

  • Cat.M1과 같은 Cellular IoT 디바이스는 통신 서비스 사업자의 운영 기준 및 규정에 따라 모듈 펌웨어 및 동작 방식에 차이가 있을 수 있습니다. 본 문서는 한국 SK Telecom Cat.M1 서비스 를 기준으로 작성되었습니다.

Development Environment

Hardware Requirement

MCU Board IoT Shield Interface Board Accessory
ST Nucleo-L476RG WIoT-QC01 (BG96) External GPS Antenna
  • 별도의 GNSS Antenna가 필요합니다.

소개

본 문서에서는 Arm MBED 기반 개발 환경에서 WIZnet IoT shield와 ST Nucleo-L476RG 보드를 이용하여 Cat.M1 단말의 GPS 활용 방법에 대한 가이드를 제공합니다.

대부분의 Cat.M1 장치는 GPS(Global Positioning System)를 지원하고 있습니다. GPS는 범지구 위성 항법 시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)의 한 종류로, 대중적으로 활용되는 글로벌 위성 위치 확인 시스템입니다.

Cat.M1 모듈의 GPS기능을 활용하면 아이나 반려동물, 귀중품의 위치를 실시간으로 파악하는 위치 트래커(GPS tracking unit) 등의 위치기반 서비스를 손쉽게 구현 할 수 있습니다. Cat.M1 기반의 위치 트래커는 기존의 블루투스 스마트 태그(Bluetooth Smart Tags)와 달리, 모듈 자체적으로 파악한 GPS 정보를 LTE망을 이용하여 사용자에게 전달함으로써 보다 빠르고 정확한 위치 파악이 가능한 것이 큰 장점입니다.

Cat.M1 모듈 및 외장형 모뎀은 UART 인터페이스를 통해 활용하는 AT 명령어로 제어하는 것이 일반적입니다. GPS 정보의 획득 기능도 AT 명령어를 이용하여 활성화 할 수 있습니다.

AT 명령어

AT 명령어에 대한 좀 더 상세한 설명은 Quectel AT Command Manual에서 확인 하실 수 있습니다.

1. GPS 기능 활성화

GPS 기능을 활성화 합니다.

AT Command: AT+QGPS

Syntax:

Type Syntax Response Example
Read AT+QGPS? +QGPS: (gnssstate)

OK		 -
Write AT+QGPS=(gnssmode)[,(fixmaxtime)[,(fixmaxdist)[,(fixcount)[,(fixrate)]]]] OK

ME 관련 기능 Error 발생 시,
+CME ERROR: (errcode)		 AT+QGPS=2

OK

Defined values:

Parameter Type Description
(gnssstate) Integer GNSS state
0: GNSS OFF
1 GNSS ON
(gnssmode) Integer GNSS 동작 모드
1: Stand-alone
2: MS-based
3: MS-assisted
4: Speed-optimal
(fixmaxtime) Integer The maximum positioning time (unit: s.)
(fixmaxdist) Integer Accuracy threshold of positioning. (Unit: m.)
(fixcount) Integer Number of attempts for positioning.
(0–1000, 0 indicates continuous positioning)
(fixrate) Integer The interval time between the first and second time positioning. (unit: s.)
(errcode) Integer 에러 코드
상세 내용은 BG96_GNSS AT_Commands_Manual: Chapter 4 참조

2. GPS 기능 비활성화

GPS 기능을 비활성화 합니다.

AT Command: AT+QGPSEND

Syntax:

Type Syntax Response Example
Write AT+QGPSEND OK

ME 관련 기능 Error 발생 시,
+CME ERROR: (errcode)		 AT+QGPSEND

OK

Defined values:

Parameter Type Description
(errcode) Integer 에러 코드
상세 내용은 BG96_GNSS AT_Commands_Manual: Chapter 4 참조

3. GPS 위치 정보 출력

GPS 위치 정보를 출력합니다.

GPS 위치 정보가 확정되지 않은 경우, (errorcode) +CME ERROR: 516 (not fixed now)를 출력합니다. 약간의 시간 경과 후에 위치 정보가 확정되면 정상적인 메시지의 출력을 확인 할 수 있습니다.

AT Command: AT+QGPSLOC

Syntax:

Type Syntax Response Example
Write AT+QGPSLOC=(mode) +QGPSLOC: (UTC),(latitude),(longitude),(hdop),(altitude),(fix),(cog),(spkm),(spkn),(date),(nsat)

ME 관련 기능 Error 발생 시,
+CME ERROR: (errcode)		 +QGPSLOC: 062122.0,37.37827,127.11290,1.4,88.0,2,143.07,0.0,0.0,180319,08

OK

Defined values:

GNSS 동작 모드는 Stand-alone(1), MS-based(2), MS-assisted(3), Speed-optimal(4)를 지원합니다. 예제 코드에서는 망 정보를 통해 보다 정확한 위치 정보를 제공하는 (mode) 2 관련 설명만 기술합니다.

Parameter Type Description
(mode) Integer 위도(latitude) 및 경도(longitude)의 display format
0 :(latitude),(longitude) format: ddmm.mmmm N/S,dddmm.mmmm E/W
1 :(latitude),(longitude) format: ddmm.mmmmmm N/S,dddmm.mmmmmm E/W
2 :(latitude),(longitude) format: (-)dd.ddddd,(-)ddd.ddddd
(UTC) Float UTC time. Format: hhmmss.sss
(latitude) Float If (mode) is 2:
Format: (-)dd.ddddd (Quoted from GPGGA sentence)
dd.ddddd: -89.99999-89.99999 (degree)
- : South latitude
(longitude) Float If (mode) is 2:
Format: (-)dd.ddddd Quoted from GPGGA sentence)
dd.ddddd: -179.99999-179.99999 (degree)
- : West longitude
(hdop) Float Horizontal precision: 0.5-99.9 (Quoted from GPGGA sentence).
(altitude) Float The altitude of the antenna away from the sea level (unit: m), accurate to one decimal place (Quoted from GPGGA sentence)
(fix) Float GNSS positioning mode (Quoted from GNGSA/GPGSA sentence).
2: 2D positioning
3: 3D positioning
(cog) Float Course Over Ground based on true north. Format: ddd.mm (Quoted from GPVTG sentence).
ddd: 000-359 (degree)
mm: 00-59 (minute)
(spkm) Float Speed over ground. Format: xxxx.x; unit: Km/h; accurate to one decimal place (Quoted from GPVTG sentence).
(spkn) Float Speed over ground. Format: xxxx.x; unit: knots; accurate to one decimal place (Quoted from GPVTG sentence).
(date) String UTC time when fixing position. Format: ddmmyy (Quoted from GPRMC sentence).
(nsat) Integer Number of satellites, from 00 (The first 0 should be retained) to 12 (Quoted from GPGGA sentence).
(errcode) Integer 에러 코드
상세 내용은 BG96_GNSS AT_Commands_Manual: Chapter 4 참조

동작 구조 예제

WIZnet IoT Shield를 Standalone 모드로 동작시켜, 터미널 프로그램으로 직접 AT 명령어를 입력해 보면서 동작 순서를 확인합니다. 기본적인 GPS 기능 활용을 위해서는 AT+QGPS(GPS on), AT+QGPSEND(GPS off), AT+QGPSLOC (GPS location) AT 명령어를 이용합니다.

다음과 같이 확인 할 수 있습니다.

GPS 기능 활용 시, Quectel USB NMEA Port를 통해서도 GPS 정보가 출력됩니다. NMEA Port는 WIZnet IoT Shield의 P2 USB HOST USB 포트를 PC와 연결하여 확인할 수 있습니다.

  • NMEA 0183 구조의 log 메시지가 출력됩니다. (NMEA, National Marine Electronics Association)
  1. (윈도우의 경우) 장치 관리자에서 Quectel USB NMEA Port 의 COM 포트 확인 (그 외 OS의 경우, COM 포트 확인)
  2. 시리얼 터미널 프로그램의 Baudrate를 115200으로 설정하여 확인된 COM 포트로 연결
  3. NMEA 포트 출력 정보 확인

예제 코드 빌드 및 실행

1. Import project

MBED 온라인 컴파일러에 Log in 하여 상단 메뉴의 Import를 클릭합니다.

Programs 탭을 클릭 후 검색창에 다음 예제를 검색하여 나의 Program Workspace에 추가합니다.

Sample code Link
WIZnet-IoTShield-BG96-GPS https://os.mbed.com/users/hkjung/code/WIZnet-IoTShield-BG96-GPS/

Import Programs 팝업 창이 활성화 될 때, Import As 옵션이 Program으로 설정되어 있어야 합니다.

링크를 클릭하여 예제 프로젝트의 저장소를 방문한 경우, 오른쪽 상단 Repository toolbox의 Import into Compiler를 클릭하시면 나의 Program Workspace 해당 예제를 추가 할 수 있습니다.

2. Modify parameters

GPS 예제는 별도로 수정할 부분이 없습니다.

3. Compile

상단 메뉴의 Complie 버튼을 클릭합니다.

컴파일이 성공적으로 완료되면 project_name.bin 파일이 생성되어 download 됩니다. 이 파일을 Drag & Drop하여 연결된 MBED target 보드에 삽입하면 firmware write가 완료됩니다.

4. Run

예제 샘플 코드를 통해 Cat.M1 모듈의 GPS 서비스 운용에 대해 파악할 수 있습니다. 샘플 코드의 GPS관련 함수는 다음과 같습니다.

int8_t setGpsOnOff_BG96(bool onoff);
  • 파라메터에 따라 GPS On / Off를 수행합니다.
int8_t getGpsLocation_BG96(gps_data *data);
  • gps_data 구조체를 파라메터로 받아, Cat.M1 모듈로부터 획득한 GPS 정보를 저장하여 리턴합니다.

4.1 Connect your board

WIZnet IoT shield + WIoT-QC01 인터페이스 보드와 ST Nucleo-L476RG 보드를 결합하여 PC와 USB로 연결합니다. 운영체제의 장치관리자를 통해 보드가 연결된 COM 포트를 확인 할 수 있습니다.

GPS 안테나를 IoT shield 혹은 WIoT-QC01 인터페이스 보드에 연결합니다.

실내에서는 안테나를 연결해도 위치 측위가 어려울 수 있습니다. 실외에서 테스트 해 보시기를 권장합니다.

4.2 Set up serial terminal

보드와 통신을 위한 시리얼 터미널 프로그램을 준비합니다.

예제에서는 시리얼 모니터링을 위해 잘 알려진 Tera term 프로그램을 활용합니다.

Tera term 프로그램을 실행하여 이전 단계에서 확인된 보드의 COM 포트와 Baudrate 115200을 선택하여 시리얼 포트를 연결합니다. 이제 보드에서 출력하는 시리얼 메시지를 확인 할수 있습니다.

디버그 메시지 출력용 시리얼 포트 설정 정보: 115200-8-N-1, None

4.3 Get GPS information through a serial terminal

성공적으로 연결이 완료된 후 보드를 리셋하면 다음과 같은 시리얼 출력을 확인 할 수 있습니다. 예제 코드는 Cat.M1 모듈의 상태를 확인한 후 GPS를 구동하여 정보를 출력하도록 구성되어 있습니다.

GPS 위치 정보가 확인 될 때까지 약간의 시간이 필요할 수 있습니다.

4.4 See the location via Google Maps service (latitude, longitude)

GPS의 위치 정보 중 위도(latitude)와 경도(longitude)를 Google Maps에 입력하면 손쉽게 측정된 위치를 확인 할 수 있습니다.

Google Maps: https://www.google.com/maps/

확인 결과, 분당구 수내동에 위치한 위즈네트 위치가 정확하게 표시되는 것을 알 수 있습니다.

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