Sviluppo e implementazione di firmware per microcontrollore per la gestione di un logger GPS con interfaccia Bluetooth

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INTRODUZIONE 
 
Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo lo sviluppo e l’implementazione del 
firmware per un microcontrollore che gestisce un logger GPS con interfaccia 
Bluetooth. 
Per prima cosa occorre chiarire alcuni concetti fondamentali: innanzi tutto, cos’è 
un logger GPS (figura 1). Si tratta di un dispositivo in grado di ricevere 
informazioni sulla propria localizzazione geografica via satellite, attraverso il 
sistema GPS, di memorizzarle su una flash memory, e successivamente 
trasmetterle tramite interfaccia Bluetooth ad un altro dispositivo, ad esempio un 
PC. Ad esempio, dopo aver effettuato una sessione di logging, basta 
semplicemente scaricare le varie informazioni su un PC, salvarle in un file di 
testo con estensione .nmea ed aprire il file così ottenuto in un programma come 
Google Earth: verrà visualizzato il percorso corrispondente ai dati memorizzati 
nella flash. Un altro utilizzo può essere il controllo degli spostamenti di un 
veicolo che sia dotato di un dispositivo del genere. Con la memoria adottata e le 
impostazioni scelte, si può arrivare a quasi dodici ore di logging. 
 
Fig. 1 – Il logger GPS oggetto di questa tesi 
 
Il cuore di tale dispositivo è un microcontrollore MC9S08QE128 prodotto da 
Freescale Semiconductor, microcontrollore a 8 bit dotato di numerose 
interfacce verso l’esterno.
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Un microcontrollore è fondamentalmente un processore, simile a quelli che 
vengono montati ad esempio sui PC, ma con un set ridotto di istruzioni e che 
raggruppa su un unico chip oltre alla CPU, anche memoria RAM, EEPROM, 
porte I/O, timers, convertitori A/D. 
La potenza di questi dispositivi sta nella grande velocità e nella ampia 
riprogrammabilità, in quanto con un’adeguata programmazione si può avere sul 
proprio dispositivo un componente “intelligente” capace di compiere operazioni 
anche complesse. Inoltre, poichØ sono integrate varie periferiche, un altro punto 
di forza di questi dispositivi è la possibilità di interagire con l’ambiente 
circostante (ad esempio possiamo immaginare un controllo di temperatura). 
Oggi siamo letteralmente circondati da microcontrollori, li troviamo nei telefoni 
cellulari come in tantissimi elettrodomestici, ma anche il termostato di casa 
spesso si basa su un microcontrollore. 
Sul logger è installato anche un modulo GPS UP500 prodotto da Fastrax, il 
quale riceve le informazioni dai satelliti del sistema GPS. Tale sistema si 
compone di una costellazione di ventiquattro satelliti disposti su sei orbite 
intorno alla Terra, a circa ventimila Km di altezza. 
Il sistema si suddivide in tre segmenti: spaziale, di controllo e utente. Il primo 
riguarda appunto i satelliti in orbita, e per la disposizione orbitale degli stessi 
satelliti, oltre al tempo di rivoluzione intorno alla Terra, è possibile affermare che 
ogni punto sulla superficie terrestre, se non ci fossero ostacoli, avrebbe quattro 
satelliti in visibilità. Il segmento di controllo verifica lo stato di funzionamento dei 
satelliti e ne aggiorna le relative orbite. ¨ costituito da una serie di stazioni di 
terra distribuite lungo l’equatore e si compone di: cinque Monitor Station per il 
controllo dei satelliti, tre Upload Station per la trasmissione verso i satelliti dei 
comandi di controllo e delle informazioni da inserire nel Navigation Message 
destinato ai ricevitori, una Backup Station situata a Sunnyvale (Stati Uniti), una 
Master Control Station a Colorado Springs (Colorado, Stati Uniti), per il controllo 
dell’intero sistema. Il segmento di utente è costituito dall’insieme dei ricevitori 
GPS terrestri. 
All’accensione, prima di effettuare il fix (ovvero prima di determinare la propria 
posizione) un ricevitore GPS deve acquisire il maggior numero di satelliti della
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costellazione. Nel caso di accensione dopo molto tempo o quando si operi in 
un’area geografica assai diversa da quella in cui operava prima dello 
spegnimento, il ricevitore non dispone di informazioni utili per ottimizzare la 
ricerca. Per determinare la posizione di un punto nello spazio le incognite 
quattro: le tre coordinate del punto X
P
, Y
P
 e Z
P
 oltre allo sfasamento temporale 
rispetto all’orologio interno dei satelliti (estremamente preciso). ¨ quindi 
necessario effettuare misure da almeno quattro satelliti. Nel caso in cui sia 
sufficiente determinare la posizione sul piano, sono sufficienti tre satelliti. Il 
punto è determinato, in maniera intuitiva, come l’intersezione di sfere aventi 
come centro la posizione dei satelliti utilizzati; le misure ottenute dal quarto 
satellite servono anche per discriminare tra i due punti che si otterrebbero con 
tre satelliti. Nei casi pratici, anche per effetto degli errori, la soluzione è 
determinata solo in maniera approssimativa. I ricevitori sono in grado di ricevere 
i segnali provenienti da piø di quattro satelliti (ricevitori con otto o con dodici 
canali), e la precisione teorica ottenibile con questo metodo è limitata dalla 
velocità di cifra del segnale con cui si opera. 
A proposito di errori, sono molti quelli che si possono presentare nel caso del 
GPS, a partire dalle riflessioni del segnale dovute all’atmosfera, al cosiddetto 
multipath, ovvero la riflessione multipla del segnale dovuta ad ostacoli presenti 
al suolo, fino all’errore dovuto alla posizione dei satelliti rispetto al punto in cui ci 
si trova. 
Il protocollo usato è l’NMEA 0183, il quale usa frasi (sentences) in formato 
testuale contenenti le informazioni piø disparate, relative ai satelliti in visibilità, 
al fix, alla posizione geografica (espressa da latitudine e longitudine), all’ora, 
alla velocità. Tutte le frasi iniziano col carattere “$” e terminano col carattere “*”, 
il quale è seguito dal checksum, ovvero l’XOR a 8 bit dell’intera frase, esclusi i 
caratteri di inizio e fine stringa. Infine troviamo i due caratteri <CR><LF>. 
La frase memorizzata è la RMC, Recommended Minimun sentence C, la quale 
contiene praticamente tutte le informazioni relative alla navigazione (ora, data, 
posizione, velocità) e quindi si presta ottimamente agli scopi del logger. Il 
protocollo NMEA permette anche di interrogare il modulo GPS, e questo 
modulo usa un protocollo denominato MTK allo scopo. Le frasi in questo caso
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cominciano con “$PMTK” a cui fa seguito un codice relativo al comando 
utilizzato, piø le eventuali opzioni, infine troviamo ancora la sequenza “*”, 
cheksum, <CR><LF>. 
Per quanto riguarda il Bluetooth, si tratta di una tecnologia sviluppata negli anni 
Novanta per cercare di connettere tra loro dispositivi diversi senza dover 
ricorrere a cavi. Presto si svilupparono altri modelli di utilizzo di Bluetooth, che 
hanno permesso di creare Personal Area Network (reti personali nello spazio di 
pochi metri), punti di accesso voce/dati e altre applicazioni wireless. Bluetooth 
appartiene alle cosiddette ISM (Industrial Scientific Medical), ovvero tutta una 
serie di applicazioni che oltre a funzionare a bassa potenza, sono anche libere 
da particolari licenze di utilizzo. La portata è solitamente di pochi metri (10 in 
campo aperto). Il raggio di trasmissione è limitato dall'esigenza di contenere la 
potenza di trasmissione e, di conseguenza, il consumo di energia. Questo fatto 
risulta particolarmente importante se si pensa di usare la tecnologia Bluetooth 
per la connessione di dispositivi alimentati da batteria, quali telefoni cellulari, 
laptop o palmari, per i quali l'autonomia è un requisito critico. I dispositivi 
Bluetooth possono interagire in diversi modi. Quello piø semplice, utilizzato ad 
esempio tra cellulare e auricolare, coinvolge due dispositivi in una connessione 
point-to-point (da punto a punto). Uno dei dispositivi agisce da master e l’altro 
da slave. In altre applicazioni, possono esserci piø dispositivi slave (fino a 
sette); in questo caso la topologia prende il nome di point-to-multipoint. Una 
rete Bluetooth con un master e uno o piø slave si chiama piconet. Quando piø 
piconet (fino a 10) interagiscono nella stessa area, formano una scatternet, che 
è una forma di rete paritetica (peer to peer). Gli slave di una piconet possono 
partecipare in un’altra piconet come master o slave. 
L'architettura Bluetooth comprende diversi strati di protocolli, suddivisi in tre 
categorie: core (nucleo), cable replacement and telephony control (sostituzione 
cavo e controllo telefonia) e adopted (adottati). Un modello d'uso è un insieme 
di protocolli che implementa una certa applicazione basata su Bluetooth. 
Ogni profilo definisce poi i protocolli e le relative caratteristiche che supportano 
un certo modello d'uso. Per collegare due dispositivi Bluetooth, occorre 
accertarsi che entrambi supportino il profilo desiderato, inoltre, per motivi di
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sicurezza, prima che due dispositivi Bluetooth possano scambiare dati, devono 
eseguire l'operazione di pairing (accoppiamento), che normalmente richiede 
uno scambio di codici d'identificazione. 
Il modulo Bluetooth utilizzato in questo lavoro di tesi è l’RN-42 prodotto da 
Roving Networks, in configurazione SPP (Serial Port Profile). Con tale 
configurazione, il modulo viene visto dal microcontrollore come una semplice 
interfaccia di comunicazione seriale. 
Il logger GPS è dotato anche di un modulo di memoria AT25DF041A prodotto 
da Atmel: si tratta di una flash memory funzionante tramite interfaccia seriale e 
con una capacità di 4 Mbit, che viene sfruttata mediante interfaccia SPI del 
microcontrollore. 
A questo punto possiamo vedere come è stato implementato il firmware: 
cominciamo col dire che fondamentalmente è stata implementata una macchina 
a stati finiti, in ognuno dei quali vengono compiute delle operazioni che vanno 
dallo startup del sistema alla realizzazione delle varie funzioni descritte in 
precedenza. Il sistema inizialmente attraversa automaticamente alcuni stati in 
cui vengono inizializzate le intefacce usate, ovvero la SCI (Serial 
Communication Interface, per il BT e per il GPS) e la SPI (Serial Peripheal 
Interface, per la flash), le strutture dati, con particolare importanza ai buffer di 
ricezione di BT e GPS, necessari per il corretto funzionamento del dispositivo, e 
viene effettuato un check dei led di cui è equipaggiato il logger, la cui funzione è 
quella di dare un’indicazione visiva all’utente dello stato del sistema. Al termine 
di questa fase il sistema si porta in uno stato di WAIT, in cui semplicemente 
attende che l’utente prenda una decisione. All’ingresso nei vari stati, l’utente ha 
ancora la possibilità di cambiare stato (possibilità indicata dal lampeggiare del 
led relativo alla funzione selezionata) prima che il dispositivo avvii la funzione 
relativa allo stato corrente. Inoltre, all’ingresso nei vari stati, vengono attivati e/o 
disattivati i moduli GPS e BT a seconda delle esigenze, e viene effettuata una 
configurazione del modulo GPS (per lo stato NAVIGATION viene ripristinata 
l’impostazione di default, mentre per LOGGING_GPS e LOGGING_GPS_BT 
vengono attivate solo le frasi RMC, con frequenza di una ogni 5 secondi).
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Tutto il sistema è interrupt driven, ovvero pilotato dagli interrupt. In parole 
povere, quando un evento esterno accade (es. ricezione di un messaggio dal 
GPS, oppure pressione del tasto da parte dell’utente), il microcontrollore ferma 
l’esecuzione del programma, salva il proprio stato attuale e avvia l’esecuzione 
della routine di gestione dell’interrupt che si è presentato. Alla fine di tale routine 
riprende l’elaborazione precedentemente interrotta. Ad esempio, la routine 
relativa al tasto semplicemente fa si che ad ogni pressione la macchina si porti 
nello stato successivo, quindi il sistema interrompe l’elaborazione, cambia lo 
stato della macchina e poi riprende da dove si era interrotto, ovviamente 
modificando il proprio comportamento (se necessario) in base al nuovo stato. 
Il buffer di ricezione del GPS è organizzato come una coda circolare in cui 
come indici vengono usati la posizione corrente nel buffer stesso e il numero di 
locazioni libere che viene decrementato ad ogni nuovo inserimento. Il 
riempimento avviene mediante interrupt, lo svuotamento invece mediante una 
delle funzioni Navigation, Logging_GPS e Logging_GPS_BT, le quali 
rispettivamente inviano semplicemente i messaggi nel buffer via BT 
(Navigation), memorizzano i messaggi sulla flash (Logging_GPS) ed eseguono 
entrambe le operazioni descritte (Logging_GPS_BT), incrementando di volta in 
volta il numero di posizioni libere. 
Le interrogazioni al modulo GPS avvengono mediante la realizzazione della 
frase da inviare in automatico, con la possibilità per il programmatore di variare 
la frequenza di invio di un certo tipo di frase, e l’aggiunta del checksum 
calcolato in automaticamente. La stessa routine di calcolo del checksum è 
usata anche per verificare la correttezza del messaggio ricevuto, requisito 
necessario affinchè la frase venga inserita nel buffer. 
Per quanto riguarda il BT, si è provveduto ad implementare i comandi relativi 
all’ingresso e all’uscita dal cosiddetto command mode, ovvero la modalità in cui 
il modulo è pronto a ricevere istruzioni. Fondamentalmente si è trattato anche 
qui di creare automaticamente il messaggio da inviare, secondo i parametri 
passati dal programmatore, e di effettuare un controllo sulle risposte ricevute, 
per avere la certezza del corretto esito delle operazioni richieste e per poter 
dare al programmatore un’indicazione, all’occorrenza, circa l’errore verificatosi.
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Per quanto riguarda la memorizzazione, infine, è necessario innanzi tutto 
prevedere funzioni che consentano di sproteggere l’intera memoria (che 
normalmente è protetta contro le scritture accidentali), controllare l’integrità 
dell’ultimo salvataggio (necessario per preservare anche l’integrità dei dati 
successivi), cancellare eventualmente il contenuto dell’intera memoria, oltre 
ovviamente alla possibilità di cercare la prima pagina con sufficiente spazio 
libero per memorizzare la frase corrente, scrivere fisicamente tale messaggio, e 
leggere l’intera memoria per restituire all’utente i dati in essa contenuti.
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CAPITOLO 1: Il sistema GPS 
 
1.1 Introduzione 
 
Il sistema GPS consente di determinare con elevata precisione la posizione in 
tre dimensioni di un qualsiasi punto sulla superficie terrestre. Esso è nato 
principalmente per scopi militari, ma oggi le sue applicazioni sono molteplici, e 
in diversi campi.  
L’interesse della comunità scientifica internazionale verso il sistema GPS ha 
consentito, nel tempo, di ottenere risultato ben superiori a quelli ipotizzati dai 
progettisti. Oggi le applicazioni del GPS riguardano il controllo della navigazione 
aerea, marittima e terrestre, il monitoraggio della posizione dei veicoli (es. 
antifurto satellitari), ma anche applicazioni cartografiche, geofisiche ed 
idrografiche. 
Tramite tale sistema è possibile compiere misurazioni con una precisione, in 
particolari condizioni, fino al centimetro, sfruttando un’insieme di satelliti in 
orbita a ben 20000 km (circa) di altezza. 
La nascita del sistema GPS (in origine GPS NAVSTAR – Global Positiong 
System NAVigation Satellite Timing And Ranging) risale agli anni Settanta ad 
opera del Dipartimento della Difesa (DoD) degli Stati Uniti, e oltre a consentire 
la localizzazione geografica, permette anche di ottenere un riferimento 
temporale assoluto molto preciso (tempo GPS), il tutto a patto che un certo 
numero di satelliti siano in visibilità radio. Il sistema è gestito anche oggi dal 
DoD, che ne stabilisce la fruibilità per applicazioni civili. 
Come ogni sistema satellitare, anche il GPS è suddiviso in tre segmenti: 
spaziale, di controllo e di utente. Il segmento spaziale (Fig. 1.1) è basato su 
una costellazione di ventiquattro satelliti, disposti su sei orbite quasi circolari 
inclinate di 55° sul piano equatoriale, a intervall i di longitudine di 60° , e ad 
un’altezza (media) di circa 20200 km dalla superficie terrestre.
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Fig. 1.1 – Costellazione GPS 
 
Il periodo di rivoluzione di ciascun satellite è pari a 11 ore, 58 minuti e 2,0455 
secondi, ovvero praticamente ogni satellite compie due orbite complete in poco 
meno di un giorno solare, in modo che, per un punto qualsiasi della Terra, tutta 
la costellazione si ripresenta quotidianamente con un anticipo di un po’ meno di 
quattro minuti rispetto al giorno precedente. I parametri orbitali adottati fanno sì 
che, in ogni istante e in ogni luogo, nell’ipotesi di assenza di ostacoli, siano 
visibili almeno quattro satelliti. I livelli ricevuti al suolo sono però ottimizzati per 
angoli di elevazione intorno ai 40° sull’orizzonte. 
I satelliti oggi in orbita, realizzati dalla Lockheed Martin, sono stati lanciati in 
date diverse. Essi hanno dimensioni di circa 130x180x200 cm un peso di circa 
800 Kg. Utilizzano pannelli solari con una superficie complessiva di circa sette 
metri quadrati, in grado di fornire una potenza di circa 700 W. Dal momento che 
le misure di distanza effettuate dai ricevitori a terra sono ricavate da misure di