【M5Stack物联网开发】第八章 使用传感器（二）

1. 使用RTC

1.1 实时时钟模块

ESP32 Real-Time Clock (RTC) 不是一个独立的模块，而是ESP32 微控制器芯片内部的一部分。它能在多种低功耗模式下提供时间相关的功能，特别适合需要时间管理和调度任务的应用。

1. 系统 RTC：

   • ESP32 包含一个整合在芯片中的 RTC，通过配置能够实现许多低功耗功能。
   • RTC 是低功耗 CPU（ULP）的一个重要组件，可以在深度睡眠模式下维持运行。

2. RTC 日历功能：

   • ESP32 内部的 RTC 可以保持当前时间和日期。
   • 在设备断电后，RTC 仍需要外部电源供电（例如纽扣电池）以继续保存时间。

1.2 网络时间协议

NTP（Network Time Protocol）和SNTP（Simple Network Time Protocol）都是用于网络时间同步的协议，它们帮助计算机系统和网络设备在互联网上精确同步其时钟。NTP是一个高度准确的网络时间协议，广泛用于同步计算机系统和网络设备的时钟。NTP可以通过多种层级的时间服务器提供时间同步服务，以保证高精度和可靠性。

主要特点

1. 高精度：

   • NTP可以将时钟同步到毫秒级别，甚至在理想条件下达到微秒级别的精度。
   • 使用复杂的算法来校正网络延迟和传播时间，保证时间同步的准确性。

2. 多层级结构：

   • NTP采用层级架构（称为“stratum”），其中一级服务器直接连接到高精度参考时钟（例如GPS）。
   • 二级服务器则从一级服务器获取时间，并为下一级服务器提供同步服务，依此类推，形成层级结构。

3. 容错和冗余：

   • NTP可以从多个时间源获取时间，并通过投票算法选择最可靠的时间源，增强系统的容错能力。

4. 复杂性：

   • NTP的实现和配置相对复杂，适用于需要高精度时间同步的大中型网络和关键任务系统。

SNTP是NTP的简化版本，旨在提供相对较简单但足够准确的时间同步服务。它适用于某些对时间精度要求不高、资源有限的嵌入式系统和小型网络。

主要特点

1. 简化版本：

   • SNTP简化了NTP的算法和功能，易于实现和配置。
   • 实现相对较简单，适合资源有限的设备。

2. 基本精度：

   • 虽然没有NTP那么高精度，SNTP仍能提供足够准确的时间同步，通常精度可达几毫秒到几十毫秒。

3. 无多层结构：

   • SNTP不支持NTP的多层级结构，只能直接从一个或多个时间服务器获取时间。
   • 这简化了配置，但也限制了容错能力。

4. 低资源占用：

   • SNTP占用的资源较少，适合嵌入式系统或处理能力有限的设备。

1.3 标准时间

GMT（Greenwich Mean Time）起源于格林尼治皇家天文台（Royal Observatory, Greenwich）所在地的平均太阳时，即基于太阳在格林尼治的天顶点来定义的时间。GMT作为世界标准时间已有数百年历史，长期以来被用作航海和铁路运输等领域的时间基准。GMT是一个固定时区，没有夏令时调整，是0时区的标准时间。随着时间科学和技术的发展，GMT在精确度和一致性方面有所不足，因此逐渐被UTC取代。

UTC（Coordinated Universal Time）是通过国际原子时（TAI）与地球自转的UT1时间协调生成的全球时间标准。它是现代全球时间标准体系的基石。UTC由国际度量衡大会（CIPM）来协调，目前是国际上用于科学、技术与日常生活的时间标准。UTC是一个全球统一的时间标尺，没有特定地区的相关定义，它的用途广泛，包括国际航空、航海、通信、科学研究等领域。不同地区的本地时间可以通过相对于UTC的偏移量来表示，例如北京时间（CST）是UTC+8小时。

下面是每个大洲中使用最广泛且常见的UTC时区，每个时区代表一个主要区域：

亚洲

• 中国标准时间（CST）
  • 时区：UTC+8
  • 主要覆盖区域：中国大陆、香港、澳门、台湾。
  • 说明：全年使用中国标准时间，无夏令时。
• 日本标准时间（JST）
  • 时区：UTC+9
  • 主要覆盖区域：日本
  • 说明：日本标准时间，没有夏令时。

欧洲

• 中欧时间（CET）
  • 时区：UTC+1
  • 主要覆盖区域：包括法国、德国、意大利、西班牙等大部分西欧和中欧国家。
  • 说明：中欧夏令时（CEST）在夏季使用，偏移量为UTC+2。

非洲

• 东非时间（EAT）
  • 时区：UTC+3
  • 主要覆盖区域：肯尼亚、坦桑尼亚、乌干达、埃塞俄比亚等东非国家。
  • 说明：大部分东非国家全年使用东非时间，无夏令时。

北美洲

• 东部标准时间（EST）
  • 时区：UTC-5
  • 主要覆盖区域：美国东部、加拿大东部地区。
  • 说明：东部夏令时（EDT）在夏季使用，偏移量为UTC-4。

南美洲

• 巴西时间（BRT）
  • 时区：UTC-3
  • 主要覆盖区域：巴西大部分地区。
  • 说明：部分地区在夏季使用巴西夏令时（BRST），偏移量为UTC-2。

大洋洲

• 澳大利亚东部时间（AEST）
  • 时区：UTC+10
  • 主要覆盖区域：澳大利亚东部，包括新南威尔士、昆士兰、维多利亚等。
  • 说明：澳大利亚东部夏令时（AEDT）在夏季使用，偏移量为UTC+11。

中东

• 海湾标准时间（GST）
  • 时区：UTC+4
  • 主要覆盖区域：阿拉伯联合酋长国、阿曼。
  • 说明：全年使用，无夏令时。

1.4 C++中的时间处理API

time.h 是C语言标准库中的一个头文件，提供了一组用于日期和时间操作的函数。该文件中的功能涵盖了从获取当前时间和日期，到格式化和操作时间值等多种用途。

关键数据结构

1. time_t:

   • 定义：time_t 类型通常用于表示自1970年1月1日00:00:00 UTC 起经过的秒数（也称为epoch时间）。
   • 作用：它被广泛用于表示时间点。

2. struct tm:

   • 定义：struct tm 是一个结构体，用于存储分解的时间值。

   • struct tm {
         int tm_sec;   // 秒数：0 - 60（允许闰秒）
         int tm_min;   // 分钟：0 - 59
         int tm_hour;  // 小时：0 - 23
         int tm_mday;  // 一个月中的第几天：1 - 31
         int tm_mon;   // 月份：0 - 11（1月表示为0）
         int tm_year;  // 年份：从 1900 年起算的年数（例如，1990 表示为 90）
         int tm_wday;  // 星期几：0 - 6（星期天表示为0）
         int tm_yday;  // 一年中的第几天：0 - 365
         int tm_isdst; // 夏令时标志：正值表示夏令时，零值表示标准时，负值表示信息不可用
     };

常用函数

1. time

   • 原型：time_t time(time_t *tloc);
   • 功能：获取当前时间，并以 time_t 格式返回。如果 tloc 不为 NULL，那么当前时间也将存储到 tloc 指向的对象中。

2. clock

   • 原型：clock_t clock(void);
   • 功能：返回程序执行起至调用该函数时所使用的处理器时间（单位是 clock ticks）。

3. difftime

   • 原型：double difftime(time_t time1, time_t time2);
   • 功能：计算两个时间点 time1 和 time2 之间的秒数差。

4. mktime

   • 原型：time_t mktime(struct tm *timeptr);
   • 功能：将 struct tm 结构表示的时间转换为 time_t 类型。

5. gmtime

   • 原型：struct tm *gmtime(const time_t *timer);
   • 功能：将 time_t 类型转换为 UTC（协调世界时）的 struct tm 结构。

6. localtime

   • 原型：struct tm *localtime(const time_t *timer);
   • 功能：将 time_t 类型转换为本地时间的 struct tm 结构。

7. ctime

   • 原型：char *ctime(const time_t *timer);
   • 功能：将 time_t 类型的时间转换为字符串格式，表示当地的时间和日期。

8. asctime

   • 原型：char *asctime(const struct tm *timeptr);
   • 功能：将 struct tm 类型的时间转换为字符串格式。

9. strftime

   • 原型：size_t strftime(char *s, size_t max, const char *format, const struct tm *tm);
   • 功能：根据格式字符串 format 格式化 struct tm 类型的时间，并将结果存储在字符数组 s 中，最多写入 max 个字符。

输出格式

• %a：星期几的缩写（例如：Sun）。
• %A：星期几的全称（例如：Sunday）。
• %b：月份名的缩写（例如：Jan）。
• %B：月份名的全称（例如：January）。
• %c：日期和时间的完整格式（例如：Sun Oct 17 04:41:13 2021）。
• %C：世纪数（年数的前两位数字，00-99）。
• %d：一月中的第几天（01-31）。
• %D：日期格式（等同于 %m/%d/%y）。
• %e：一月中的第几天，用空格填充（ 1-31）。
• %F：ISO 8601 日期格式（等同于 %Y-%m-%d）。
• %g：ISO 8601 标准下的两位数年份（00-99）。
• %G：ISO 8601 标准下的四位数年份。
• %h：月份名的缩写（等同于 %b）。
• %H：24小时制的小时（00-23）。
• %I：12小时制的小时（01-12）。
• %j：一年中的第几天（001-366）。
• %k：24小时制的小时，用空格填充（ 0-23）。
• %l：12小时制的小时，用空格填充（ 1-12）。
• %m：月份（01-12）。
• %M：分钟（00-59）。
• %n：换行符。
• %p：AM 或 PM 标记。
• %P：小写的 am 或 pm 标记。
• %r：12小时制的时间格式（等同于 %I:%M:%S %p）。
• %R：24小时制的时间格式（等同于 %H:%M）。
• %S：秒（00-60），允许闰秒。
• %t：制表符。
• %T：时间格式（等同于 %H:%M:%S）。
• %u：星期几（1-7，周一为1）。
• %U：一年中的第几周，以周日为第一天计算（00-53）。
• %V：一年中的第几周，按照 ISO 8601 标准计算（01-53）。
• %w：星期几（0-6，周日为0）。
• %W：一年中的第几周，以周一为第一天计算（00-53）。
• %x：日期的格式化字符串（国际化区域设定的格式）。
• %X：时间的格式化字符串（国际化区域设定的格式）。
• %y：两位数的年份（00-99）。
• %Y：四位数的年份。
• %z：ISO 8601 格式的时区偏移（例如：-0500）。
• %Z：时区名称或缩写。

#include <time.h>

int main() {
    // 获取当前时间
    time_t current_time = time(NULL);
    struct tm *local_time = localtime(&current_time);

    char buffer[80];

    // 完整日期和时间
    strftime(buffer, sizeof(buffer), "%c", local_time);
    printf("Full date and time: %s\n", buffer);

    // YYYY-MM-DD 格式
    strftime(buffer, sizeof(buffer), "%Y-%m-%d", local_time);
    printf("ISO date format: %s\n", buffer);

    // 12小时制时间
    strftime(buffer, sizeof(buffer), "%I:%M:%S %p", local_time);
    printf("12-hour time: %s\n", buffer);

    // 24小时制时间
    strftime(buffer, sizeof(buffer), "%H:%M:%S", local_time);
    printf("24-hour time: %s\n", buffer);

    // 星期几
    strftime(buffer, sizeof(buffer), "%A", local_time);
    printf("Day of the week: %s\n", buffer);

    // ISO 8601 week number
    strftime(buffer, sizeof(buffer), "Week number: %V", local_time);
    printf("%s\n", buffer);

    return 0;
}

 

2. 使用GPS模块

2.1 全球定位系统

全球定位系统（Global Positioning System, GPS）是一种利用卫星进行导航和位置计算的系统，它能够提供全球范围内的定位和时间信息。

除了美国的GPS，还有其他国家或地区开发的全球导航卫星系统，类似于GPS，如：

• GLONASS：俄罗斯的全球导航卫星系统。
• Galileo：欧洲的全球导航卫星系统。
• 北斗：中国的全球导航卫星系统。

这些系统共同构成了全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS），提供更可靠和精确的定位服务。

2.2 经纬度

经纬度（Longitude and Latitude）是一种用于描述地球表面某个点的位置的坐标系统。通过经纬度可以精确确定地点在地球上的位置。

纬度是指一个点在地球上的南北位置。纬线为东西方向的平行线，并与赤道平行。主要特点和定义如下：

纬度（Latitude）

纬度是指一个点在地球上的南北位置。纬线为东西方向的平行线，并与赤道平行。主要特点和定义如下：

• 赤道：赤道是0°纬线，将地球分为北半球和南半球。
• 南北极：北极为90°N（北纬），南极为90°S（南纬）。
• 范围：纬度的范围从赤道的0°到北极的+90°（北纬），以及从赤道的0°到南极的-90°（南纬）。
• 表示方式：纬度一般用度（°）、分（′）和秒（″）来表示。例如，北纬37度14分6秒表示为37°14'6"N。

经度（Longitude）

经度是指一个点在地球上的东西位置。经线为南北方向的半圆线，所有经线在地极相交。主要特点和定义如下：

• 本初子午线：0°经线，又称格林尼治子午线（通过英国伦敦的格林尼治天文台），将地球分为东经和西经两部分。
• 国际日期变更线：大约在180°经线的位置，用于确定日期变化。
• 范围：经度的范围从本初子午线的0°到东经+180°和西经-180°。
• 表示方式：经度一般用度（°）、分（′）和秒（″）来表示。例如，东经121度29分14秒表示为121°29'14"E。从格林尼治向东称为东经，从格林尼治向西称为西经。

经纬度的表示方法

一个具体位置的经纬度表示方法结合了两个坐标：

• 格式：纬度在前，经度在后。例如，北京市天安门广场的经纬度为39°54'26"N, 116°23'17"E。
• 如果使用double格式可以表示为39.5426和116.2317

2.3 NMEA协议

NMEA（National Marine Electronics Association，国家海洋电子协会）是一个标准协议，用于传输来自GPS、声纳、测深仪和其他导航设备的数据。NMEA协议的主要目标是确保不同设备之间数据通信的兼容性，使得数据能在不同厂商的设备之间互换。这种标准协议被广泛应用于船舶和航空导航系统。

NMEA 0183协议

NMEA 0183是最常见的NMEA协议版本，也是目前使用最广泛的。NMEA 0183协议定义了数据在单个数据流中的传输方法，有几个关键特征：

1. 数据格式：NMEA 0183消息通常是ASCII格式，以逗号分隔。
2. 波特率：标准波特率为4800bps，但也有9600bps或更高的实现。
3. 消息类型：每条NMEA消息的开头都有一个特定的消息标识符，用以区分不同类型的数据。
4. 终止符：每条消息以回车换行符结束（<CR><LF>）。

NMEA消息结构

NMEA消息通用格式如下：

 

$<Talker ID><Message Type>,<Data1>,<Data2>,...,<Checksum>*<CR><LF>

• $：消息起始符。
• <Talker ID>：两个字符，表示发送消息的设备。例如，GP为标准GPS接收机，UB为u-blox GPS模块。
• <Message Type>：三个字符，指示消息的类型。例如，GGA, RMC, GLL等。
• <Data>：以逗号分隔的数据字段。
• <Checksum>：校验和，用于验证消息是否传输完整和正确。

常见NMEA GPS消息类型

1. GGA - Global Positioning System Fix Data

   • 提供固定时间的位置和相关数据。
   • 示例消息：
      

     $GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47
   • 字段解释：
     • $GPGGA：消息标识符
     • 123519：UTC时间（12:35:19）
     • 4807.038,N：纬度48度07.038分北（N）
     • 01131.000,E：经度11度31.000分东（E）
     • 1：GPS定位质量指示（0 = 无定位，1 = GPS定位，2 = 差分GPS定位）
     • 08：使用中的卫星数
     • 0.9：水平精度因子
     • 545.4,M：天线离海平面的高度，单位为米
     • 46.9,M：大地水准面分离，从椭球到大地水准面的高度
     • ,,：未使用
     • *47：校验和

2. RMC - Recommended Minimum Specific GPS/Transit Data

   • 提供最低限度的GPS数据，包括时间、日期、位置、速度和航向等。
   • 示例消息：
      

     $GPRMC,123519,A,4807.038,N,01131.000,E,022.4,084.4,230394,003.1,W*6A
   • 字段解释：
     • $GPRMC：消息标识符
     • 123519：UTC时间（12:35:19）
     • A：数据状态（A = 有效，V = 无效）
     • 4807.038,N：纬度48度07.038分北（N）
     • 01131.000,E：经度11度31.000分东（E）
     • 022.4：速度（单位：节）
     • 084.4：航向（度）
     • 230394：UTC日期（23 March 1994）
     • 003.1,W：磁偏角（3.1度西（W））
     • *6A：校验和

3. GSA - GPS DOP and Active Satellites

   • 提供与当前使用的卫星和位置精度有关的信息。
   • 示例消息：
      

     $GPGSA,A,3,04,05,,09,12,,24,,,,,2.5,1.3,2.1*39
   • 字段解释：
     • $GPGSA：消息标识符
     • A：自动选择2D或3D模式（M = 手动，A = 自动）
     • 3：定位类型（1 = 无定位，2 = 2D，3 = 3D）
     • 04,05,...：当前使用的卫星PRN号
     • 2.5：位置精度因子（PDOP）
     • 1.3：水平精度因子（HDOP）
     • 2.1：垂直精度因子（VDOP）
     • *39：校验和

4. GSV - GPS Satellites in View

   • 提供当前可见的所有卫星的详细信息。
   • 示例消息：
      

     $GPGSV,2,1,08,01,40,083,41,02,50,123,42,03,60,203,43,04,70,053,44*70
   • 字段解释：
     • $GPGSV：消息标识符
     • 2：总消息数
     • 1：当前消息编号
     • 08：可见卫星总数
     • 01,40,083,41：卫星1的PRN号，仰角，方位角，信号强度（重复出现，每条消息最多包含4颗卫星信息）
     • *70：校验和

5. GLL - Geographic Position - Latitude/Longitude

   • 提供当前的纬度和经度。
   • 示例消息：
      

     $GPGLL,4916.45,N,12311.12,W,225444,A,*1D
   • 字段解释：
     • $GPGLL：消息标识符
     • 4916.45,N：纬度49度16.45分北（N）
     • 12311.12,W：经度123度11.12分西（W）
     • 225444：UTC时间（22:54:44）
     • A：数据状态（A = 有效，V = 无效）
     • *1D：校验和

校验和（Checksum）

每条NMEA消息以星号（*）和校验和结束。校验和是从$开始到*之前所有字符的异或（XOR）结果，用于验证数据的完整性。如果消息校验失败，意味着数据在传输过程中出现错误，接收端可以忽略这条消息。

3. 小程序：旅行位置记录

3.1 功能分析

1. 初始化模块：

   • 初始化ESP32、GPS模块、RTC模块和存储设备（如microSD卡）。
   • 检查各模块的连接和状态，确保工作正常。

2. 获取GPS数据：

   • 通过UART接口与GPS模块（AT6558）通信，读取NMEA数据。
   • 使用TinyGPS++库解析NMEA数据，获取经纬度、速度、方向、时间等信息。

3. 获取RTC时间：

   • 使用RTC库读取RTC时间，确保时间记录准确。

4. 数据存储：

   • 将获取的GPS数据和RTC时间格式化并写入存储设备。
   • 数据格式可考虑TXT或JSON格式，方便后续数据处理和分析。

3.2 伪代码

 

3.3 功能实现

4. 小练习：利用GPS信息，当传感器到达特定位置时，播放声音