Fortgeschrittener Wander-Tracker mit Arduino: GPS, Sensoren & Batteriepack

Komponenten und Materialien

Bauteil	Menge	Hinweise
Arduino 101	1
AA-Batterien	4	Im 4er-Halter
4×AA-Batteriehalter	1
Accessory Shield (WaveShare)	1	Mit diversen Onboard-Sensoren
BMP180 Drucksensor (Adafruit)	1
Ultimate GPS Breakout (Adafruit)	1	MTK3339
3-Achsen-Magnetometer (Adafruit)	1	HMC5883
AM2320 Luftfeuchtesensor (Adafruit)	1
CR2012 Knopfzelle	2	Für RTC
Widerstand 10 kΩ	1
Widerstand 3,9 kΩ	1	Für Batteriespannungs-Teiler

Benötigte Werkzeuge

• Heißklebepistole
• Lötkolben

Software und Online-Dienste

• Arduino IDE (Build 1.8.5)

Projektbeschreibung

Was ist der Hiking Tracker?

Ein Gerät zur Erfassung der Umgebungsveränderungen während des Wanderns: Temperatur, Druck, Luftfeuchte, Höhe, Position, Richtung. Es gibt Einblicke in die Bedingungen – nützlich, um persönliche Grenzen (Atmung, trockene Haut) in großer Höhe zu erkennen, aber auch einfach spannend, die Daten live zu sehen.

Schritt 1: Hardware – Welcher Sensor wofür?

Accessory Shield (Onboard I2C-Sensoren):

• LM75B – Umgebungstemperatur
• ADXL345 – 3-Achsen-Beschleunigung (Neigung, Gravity)
• DS3231 – Hochpräzise RTC (Zeit)
• HMC5883 – 3-Achsen-Magnetometer (Kompass)
• AM2320 – Luftfeuchte (% RH)
• BMP180 – Luftdruck & Höhe
• MTK3339 GPS – Position & Wegstrecke

Zusätzlich auf Arduino-Seite:

• Spannungsteiler 3,9k + 22k → 4×AA-Batteriespannung messen (ADC A1)
• SSD1306 OLED – Datenanzeige
• Summer – Alarm
• RGB-LED (nicht genutzt)
• XBee-Schnittstelle (D2, D3, D9, D10 ausführbar, D2 = Reset)
• Joystick & Potentiometer (nicht genutzt, Joystick entfernt für A1-Freiheit)

Schritt 2: Hardware-Modifikation & Aufbau

Arduino auf 4×AA-Halter montiert (Schraubabstandshalter + Heißkleber).

Batterien (4×AA + CR1220 für RTC) eingesetzt.

Zwischen Halter und Arduino: Platz für BMP180, AM2320, Magnetometer, GPS.

I2C-Sensoren auf Lochrasterplatine gelötet, in den Zwischenraum platziert.

Anschluss von der Unterseite.

Spannungsteiler für Akku-Messung an ADC A1.

Joystick entfernt (belegte A1).

Lötbrücken auf Accessory Shield für D2 (Soft-Reset), D3, D9, D10 an XBee-Schnittstelle.

Stapel-Aufbau:

1. Oben: Accessory Shield auf Arduino
2. Mitte: Externe Sensoren & GPS
3. Unten: 4×AA-Batteriehalter

Schritt 3: Programmierung

Arduino IDE 1.8.5. Bibliotheken über Library Manager oder ZIP-Import (Accessory Shield Libs).

Beispiel-Codes der Sensoren analysiert, APIs extrahiert, alle Header in einem Sketch vereint.

Header-Dateien

math.h, inttypes.h, Wire.h, lm75.h, ADXL345.h, ChainableLED.h,
U8glib.h, ds3231.h, Adafruit_Sensor.h, Adafruit_AM2320.h,
Adafruit_BMP085_U.h, Adafruit_HMC5883_U.h, Adafruit_GPS.h

Nach mehreren Iterationen (Kompilieren, Debuggen, lockere Verbindungen – BMP180 funktionierte sogar ohne VCC durch Leckströme an I2C-Pins) war der Code fertig.

Einschränkungen & Caveats

• Höhenberechnung basiert auf Druckabfall – nur bei normalem Wetter genau.
• Kompass nicht tilt-kompensiert – Gerät muss waagerecht gehalten werden. Innerer Kreis auf OLED zeigt Neigung: Punkt = waagerecht = genau.
• Deklinationswinkel ortsabhängig, variiert durch Erdmagnetfeld/Sonnenstürme. Ohne Korrektur Abweichung um einige Grad. Ermittlung: magnetic-declination.com
• Magnetische Störungen durch Erze etc. möglich.
• Mindestspannung ~4,5 V – dann AA-Batterien tauschen.
• Zeit/Datum per Code gesetzt – Änderung erfordert CR1220 entfernen + neuen Upload mit neuem Zeitstempel.
• GPS während Entwicklung nicht verfügbar – Demokoordinaten (23.57, 90.36) im Code. Für Nachbau: GPS-Library & Code einbinden.
• Sensor-Orientierung auf PCB beeinflusst X/Y-Achsen – Code anpassen.
• Beschleunigungsmesser empfindlich gegen Vibrationen – nur stehend nutzen.

Verbesserungspotenzial

Firmware: Periodisches Logging auf EEPROM, Alarme bei Höhe/Position-Meilensteinen, Trink-/Pausen-Erinnerung, Batterie-/Temperatur-/Feuchte-Warnung, Software-Tilt-Kompensation für Kompass, Auto-Deklination per GPS & IoT.

Hardware: Bedientasten für Zeit/Deklination, 3D-gedrucktes Gehäuse, LiPo-Akku, kompakte Einzelplatine.

Fazit

Wandern macht mehr Spaß, wenn man die Umweltveränderungen live sieht: Höhe, Feuchte, Druck, Temperatur. Man lernt, ab welcher Höhe man Symptome bekommt, welche Feuchte die Haut austrocknet. Trotz Verbesserungspotenzial ein cooles Gadget für die Wildnis!

Externe Ressourcen

WaveShare Accessory Shield Wiki

Empfohlene Hardware für bessere Version

Rapid Prototyping Kit

Code

Hiking_Tracker.ino (Hauptprogramm)

/*/////////// NOTE ///////////
 D2 allows soft reset from code
 D3,D9,D10 available via XBee interface pins 12,13,16
 D4, D13 not accessible
///////////////////////////*/

//// HEADER FILES /////
#include <math.h>
#include <inttypes.h>
#include <Wire.h>
#include <lm75.h>
#include <ADXL345.h>
#include <ChainableLED.h>
#include "U8glib.h"
#include "ds3231.h"
#include "Adafruit_Sensor.h"
#include "Adafruit_AM2320.h"
#include <Adafruit_BMP085_U.h>
#include <Adafruit_HMC5883_U.h>
#include <Adafruit_GPS.h>

///////////////////////// Variablen /////////////////////
uint8_t time[8]; struct ts t; int s,m,h,dy,mo,yr;
float X=0,Y=0,Z=0,Gravity=0;
float Xm=0,Ym=0,Zm=0;
const int rgb_pwr=12, clk_pin=6, data_pin=5;
float hue=0; boolean up=true;
int pot=0;
float Vbatt=0, temp=0, humid=0, prsr=0, alt=0;
float lat=0, lon=0, heading=0;
int mstime=0, sensor_selector=1;

//////////// I2C Geräte-Objekte ////////////
U8GLIB_SSD1306_128X64 u8g(U8G_I2C_OPT_NONE|U8G_I2C_OPT_DEV_0); // OLED
TempI2C_LM75 termo(0x48, TempI2C_LM75::nine_bits);             // Temp
ADXL345 accelerometer;                                          // Accel
ChainableLED leds(clk_pin, data_pin, rgb_pwr, 1);               // RGB LED
Adafruit_AM2320 am2320;                                         // Humidity
Adafruit_BMP085_Unified bmp180(10085);                          // Pressure
Adafruit_HMC5883_Unified mag(12345);                            // Compass
// GPS (auskommentiert, da Serial für Debug genutzt):
// HardwareSerial mySerial = Serial;
// Adafruit_GPS GPS(&mySerial);

void setup() {
  // OLED Signale auf Accessory Shield (Lötbrücken nötig)
  pinMode(2,1); pinMode(3,1); pinMode(9,1); pinMode(10,1);
  digitalWrite(2,HIGH); digitalWrite(3,HIGH); digitalWrite(9,LOW); digitalWrite(10,HIGH);
  pinMode(7,1); pinMode(8,1); digitalWrite(7,HIGH); digitalWrite(8,LOW);
  // 10k POT auf A0, Vin auf A1 (3.91k/21.76k)

  // Serial.begin(9600); // Debug optional

  if (!accelerometer.begin()) delay(50);
  DS3231_init(DS3231_INTCN); // RTC Interrupt
  pinMode(11,1); digitalWrite(11,LOW); // Buzzer
}

void loop() {
  // OLED Bild-Aufbau (Page-Modus)
  u8g.firstPage();
  do { draw(); } while(u8g.nextPage());

  // Sensor-Round-Robin (alle 3 Schleifen ein anderer Sensor)
  sensor_selector++; if (sensor_selector >= 3) sensor_selector=0;

  // Temperatur (LM75)
  temp = termo.getTemp(); delay(5);

  // Druck & Höhe (BMP180) bei sensor_selector 0
  if (sensor_selector == 0) {
    if(!bmp180.begin()) delay(11);
    sensors_event_t event;
    bmp180.getEvent(&event);
    if (event.pressure) { prsr = event.pressure/10; delay(50); } // hPa -> kPa
    bmp180.getEvent(&event);
    alt = bmp180.pressureToAltitude(1013.25, event.pressure); delay(50);
  }

  // Luftfeuchte (AM2320) bei sensor_selector 1
  if (sensor_selector == 1) {
    am2320.begin(); delay(50);
    humid = am2320.readHumidity(); delay(50);
  }

  // Beschleunigung
  Vector norm = accelerometer.readNormalize();
  X = norm.XAxis; Y = norm.YAxis; Z = norm.ZAxis;
  Gravity = sqrt(X*X + Y*Y + Z*Z) - 0.3; // Offset

  // Zeit (DS3231)
  DS3231_get(&t);
  s=t.sec; m=t.min; h=t.hour; dy=t.mday; mo=t.mon; yr=t.year;

  // Potentiometer
  pot = analogRead(A0)*5/(10*3); delay(2);

  // Batteriespannung (interner 1.1V Ref ~1.08V auf diesem Chip)
  Vbatt = (1.08*analogRead(A1)/1023)/3.91*((3.91+21.76)); delay(2);

  // Kompass (HMC5883) bei sensor_selector 2
  if (sensor_selector == 2) {
    if(!mag.begin()) while(1);
    delay(70);
    sensor_t sensor2; mag.getSensor(&sensor2); delay(70);
    sensors_event_t event2; mag.getEvent(&event2); delay(70);
    float declination = 0.0; // Ortsabhängig!
    heading = atan2(event2.magnetic.y, event2.magnetic.x);
    heading += declination;
    if(heading < 0) heading += 2*PI;
    if(heading > 2*PI) heading -= 2*PI;
    heading = heading * 180/M_PI; // Grad
  }

  // Summer (Pot > 80%)
  if (pot > 80) digitalWrite(11,1); else digitalWrite(11,0);

  // RGB LED (Pot > 40%)
  if(pot > 40) {
    leds.pwr_set(PWR_ENABLE);
    for(byte i=0;i<1;i++) leds.setColorHSB(i, hue, 1.0, 0.5);
    if(up) hue+=0.025; else hue-=0.025;
    if(hue>=1.0 && up) up=false;
    else if(hue<=0.0 && !up) up=true;
  }

  // Soft Reset: digitalWrite(2,LOW);
}

// OLED Zeichnen
void draw() {
  u8g.setFont(u8g_font_7x13);
  u8g.drawHLine(37,0,62);
  u8g.setPrintPos(41,12); if(h<10) u8g.print(0); u8g.print(h); u8g.drawStr(54,12,":");
  u8g.setPrintPos(62,12); if(m<10) u8g.print(0); u8g.print(m); u8g.drawStr(75,12,":");
  u8g.setPrintPos(83,12); if(s<10) u8g.print(0); u8g.print(s);
  u8g.drawHLine(37,14,62);
  u8g.setFont(u8g_font_5x8);
  u8g.drawVLine(37,0,14);
  u8g.setPrintPos(0,7); if(dy<10) u8g.print(0); u8g.print(dy); u8g.drawStr(11,7,"/");
  u8g.setPrintPos(17,7); if(mo<10) u8g.print(0); u8g.print(mo); u8g.drawStr(0,16,"/");
  u8g.setPrintPos(6,16); u8g.print(yr);
  u8g.drawVLine(99,0,14);
  u8g.drawStr(104,7,"BATT"); u8g.setPrintPos(102,15); u8g.print(Vbatt); u8g.drawStr(123,15,"V");

  u8g.print(round(temp)); u8g.drawStr(55,25,"'C");
  u8g.setFont(u8g_font_5x8);
  u8g.setPrintPos(15,40); u8g.print(round(X));
  u8g.setPrintPos(60,40); u8g.print(round(Y));
  u8g.setPrintPos(100,40); u8g.print(round(Z));

  u8g.drawVLine(37,18,36);
  u8g.drawStr(39,24,"AIR TEMP: "); u8g.setPrintPos(85,24); u8g.print(temp); u8g.drawStr(118,24,"C");
  u8g.drawStr(39,34,"HUMIDITY: "); u8g.setPrintPos(85,34); u8g.print(humid); u8g.drawStr(118,34,"%");
  u8g.drawStr(39,44,"PRESSURE: "); u8g.setPrintPos(85,44); u8g.print(prsr); u8g.drawStr(118,44,"hP");
  u8g.drawStr(39,54,"ALTITUDE: "); u8g.setPrintPos(85,54); u8g.print(round(alt)); u8g.drawStr(118,54,"m");
  u8g.drawHLine(0,56,128);
  u8g.drawStr(19,64,"LAT:"); u8g.setPrintPos(39,64); u8g.print(23.57); // Demo
  u8g.drawStr(69,64,"LONG:"); u8g.setPrintPos(94,64); u8g.print(90.36); // Demo

  // Kompass-Anzeige
  int r = round(sqrt(X*X + Y*Y));
  u8g.drawStr(0,22,"heading");
  u8g.drawCircle(18,34,r, U8G_DRAW_ALL); // Innerer Kreis (Neigung)
  u8g.drawCircle(18,34,10, U8G_DRAW_ALL); // Äußerer fixer Kreis
  u8g.setPrintPos(0,53); u8g.print(heading); // 0/360=N, 90=O, 180=S, 270=W
  // Kompass-Zeiger
  if ((heading>315)||(heading<=45)) u8g.drawLine(18,34,8,34);   // N
  if ((heading>45)&&(heading<=135)) u8g.drawLine(18,34,18,24);  // O
  if ((heading>135)&&(heading<=225)) u8g.drawLine(18,34,28,34); // S
  if ((heading>225)&&(heading<315)) u8g.drawLine(18,34,18,44);  // W
}

Bibliotheken

Als ZIP-Datei verfügbar. Entpacken und einzelne Bibliotheken über Arduino Library Manager hinzufügen.

Schaltplan