タイムゾーンを自動設定するGPS時計を作る

きっかけは、この記事です。
アナログメータ時計を作る|なんでも独り言
これはかっこいい！！
と思い、アナログメータ時計を製作することに。
この記事にもあるように、時刻はGPSモジュールから取得するようにします。
ここで、ふと思います。
「GPS搭載していて現在地の座標が取得できるのだから、タイムゾーンを自動で設定してくれたら便利だろうな」
と・・・

ほしい機能は以下の通り。

GPSを使用した時刻自動設定
GPSを使用したタイムゾーンの自動設定
上記機能がオフライン(ネットに接続しない)で使用できる
電池駆動
持ち歩きができる

緯度経度からタイムゾーンを判定する方法を調べると、各種Webサービスがヒットします。
代表的なもので、

Google Maps Time Zone API
Bing Maps Time Zone API
Azure Maps Time Zone API

などがあります。しかし、これらはすべて使用できません。
なぜなら、インターネットに接続しないと使えないからです。インターネットに接続すると、前項３番が達成できません。

オフライン実装の方法を調べると、いくつか出てきますが、どれもPC用の仕組みです。
今回は、CPUにArduinoUNO(互換機)を使用するので使えません。
自分で実装する必要がありそうです。

タイムゾーンは全部で40種類ほどあるらしいですが、国や地域ごとに、どのタイムゾーンを採用しているか異なります。
タイムゾーンの境界データは、「Timezone Boundary Builder(GitHub)」というプロジェクトからjsonファイルでダウンロードできます。ファイルサイズは約130MBです。SDカードに保存するにしても、jsonを解析するためにメモリに読み込む必要があります。しかし、ArduinoUNO(に使われているATmega328P)のメモリは2KBしかないので、jsonの解析はできません。

そこで、独自の境界データを作成することにしました。
Windows用のアプリをC#で作成し、元のjsonファイルを解析します。そして、Arduinoで解析しやすいようにバイナリファイルにします。このバイナリファイルをSDカードに保存し使用します。バイナリファイルにする際に、境界データの間引きも行いました。そのおかげか、ファイルサイズを23MBまで小さくすることができました。
「Timezone Boundary Builder」には、時差情報は含まれていないので、Windowsから時差情報を検索しバイナリファイルに含めました。

独自の境界データ作成アプリのコードはGithubにあります。
TimezonesGeojsonThinOut

タイムゾーンの内外判定アルゴリズムは、こちらのページを参考にしました。

【第2回】点の多角形に対する内外判定｜【技業LOG】技術者が紹介するNTTPCのテクノロジー｜【公式】NTTPC

SDカード内のバイナリファイルを開き、タイムゾーン境界を表す多角形の頂点を順番に読み込み、GPSから取得した座標と比較していきます。タイムゾーンの範囲内であることがわかった段階で処理を中断し時差を設定します。
時差の設定は、標準ライブラリの「time.h」に含まれているset_zone()関数を使用します。
全体のソースコードは、GitHubにあります。
AnalogMeterClockArduino

ちなみに、タイムゾーンの判定には最大で15分かかりました。

時計部分は標準ライブラリの「time.h」を使用しました。
タイマー割り込みを使用し、一秒ごとにsystem_tick()関数を呼び出し、時間を進めます。
一定時間毎にGPSから時刻を取得し、set_system_time()関数で時刻を設定します。

GPSから時刻を取得できるので、RTCは使用しませんでした。

表示部分は、電圧計です。
ArduinoのanalogWrite()関数を使用します。
この部分は、きっかけになった記事と同じです。
表示の更新もsystem_tick()関数を呼ぶタイミングと同じタイミングにしました。

タイマー割り込み関数(わかりやすさ重視のため、実際に使用しているものと異なります）
void timerFire()
{
  //システム時間を一秒すすめる。
  system_tick();

  //アナログメーターへ出力
  time_t nowTime = time(NULL);
  tm* pTimeStruct;
  pTimeStruct = localtime(&nowTime);
  
  analogWrite(SEC_PIN, map(ptimeStruct->tm_sec, 0, MAX_SECOND, 0, MAX_ANALOG_WRITE_VALUE)); 
  analogWrite(MIN_PIN, map(ptimeStruct->tm_min, 0, MAX_MINIUTE, 0, MAX_ANALOG_WRITE_VALUE));
  analogWrite(HOUR_PIN, map(ptimeStruct->tm_hour, 0, MAX_HOUR, 0, MAX_ANALOG_WRITE_VALUE));   
}

GPSから時刻を取得しシステム時間を更新する処理(テスト段階のコード)
//１時間おきにシステム時間を更新します。
void setSystemTimeFromGPS()
{
  while (Serial.available() > 0){
    char c = Serial.read();
    gps.encode(c);
    if(gps.time.isUpdated()){

      //現在時刻の取得
      time_t timenow = time(NULL);
      tm timeStruct;
      localtime_r(&timenow, &timeStruct);

      //毎時、0分0秒のときに更新する
      if(timeStruct.tm_min == 0 && timeStruct.tm_sec == 0){
        struct tm rtc_time;
        rtc_time.tm_sec = gps.time.second();
        rtc_time.tm_min = gps.time.minute(); 
        rtc_time.tm_hour = gps.time.hour(); 
        rtc_time.tm_mday = gps.date.day(); 
        rtc_time.tm_wday = 0; 
        rtc_time.tm_mon = gps.date.month() - 1; //tm構造体は0-11の範囲なので１引く
        rtc_time.tm_year = gps.date.year() - 1900; //tm構造体は1900年起点なので1900を引く
        rtc_time.tm_yday = 0; 
        rtc_time.tm_isdst = 0;

        set_system_time( mk_gmtime(&rtc_time) );
      }
    }
  }
}

電源は、単3乾電池二本を直列につないで3Vにしました。
ATmega328P駆動用に5Vと、SDカード・GPS通信用に3.3vが必要なので、昇圧型DCDCコンバータで昇圧しています。
図中のPWR_FLAGと記載のある記号は、KiCadで回路チェックを行うために必要なものです。無視して構いません。
昇圧コンバータは秋月電子で購入しました。

５Ｖ出力昇圧ＤＣＤＣコンバーター(秋月電子通商)
３．３Ｖ出力昇圧ＤＣＤＣコンバーター(秋月電子通商)

SDカードやGPSとの通信は3.3Vなので、レベル変換が必要です。
今回、レベル変換ICにFXMA108を使用しました。秋月電子で専用のピッチ変換基盤に実装済のものが購入できます。

８ビット双方向ロジックレベル変換モジュール(秋月電子通商)

SDカードリーダーは、秋月電子のマイクロＳＤカードスロットＤＩＰ化キットを使用しました。
GPSモジュールは、秋月電子の「ＧＮＳＳ（ＧＰＳ・ＧＬＯＮＡＳＳ・ＱＺＳＳ）受信機キット　１ＰＰＳ出力　みちびき３機対応　アンテナセット付キット」を使用しました。

マイクロＳＤカードスロットＤＩＰ化キット(秋月電子通商)
ＧＮＳＳ（ＧＰＳ・ＧＬＯＮＡＳＳ・ＱＺＳＳ）受信機キット　１ＰＰＳ出力　みちびき３機対応　アンテナセット付キット(秋月電子通商)

今回、基盤に部品を実装後もスケッチの書き換えを行いたかったので、PC接続端子(UART)を用意しました。
シナプスさんの以下のページを参考に設計しました。

Arduinoで作った回路の小型化(Arduino互換機の製作)(9) - しなぷすのハード製作記

UARTは、GPSとの通信にも使用しているので、スイッチで接続先を変更できるようにしました。
電源が電池だとうまく通信できなかったので、電源も一緒に切り替えるようにしました。

ちなみに、この回路図は間違っています。RXDとTXDの接続が逆です。すべて実装してPCに接続して初めて気づきました。
当初、スイッチサイエンスで購入できる「FTDI USBシリアル変換アダプター Rev.2」がそのまま刺さるように設計したつもりでした。仕方ないので、RXDとTXDの接続が逆のケーブルを自作し、つなげることにします。

スイッチは、４つ用意しました。
時刻同期、タイムゾーン検索、時差設定上、時差設定下、の４つです。
ATmega328Pの内部プルアップ機能を使用するので、スイッチは直接グランドとの間に接続します。

プリント基板を作ってみたかったので、中国の格安プリント基板製造会社に注文しました。
詳細は以下の記事に書きました。

PCBgogoへプリント基板製造を頼んでみた

今回は、プリント基板を作ったので、部品をつけてはんだ付けするだけです。
すべてスルーホールの部品です。表面実装部品のはんだ付けに自身が無かったからなのですが、SDカードスロットがDIP化基盤をそのまま載せているのが不格好に見えます。せっかくプリント基板を作ったのだから、SDカードスロットを表面実装できると格好良かったのですが。
スイッチとアナログメーターとGPSを接続する部分は、ピンヘッダをつけ、ケーブル経由で接続します。

改めて見ると、隙間が目立つような気がします。もっと、小さくできたかもしれません。

ケースは、百均のタッパーです。加工しやすくて最高です。
フタ部分にアナログメーターを取り付けました。
フタはカッターで切れるので、大きな穴を開けるのが簡単です。
スイッチは側面につけました。ドリルで穴を開け、リーマーで穴を広げました。
基盤はボタンの反対側の側面につけました。
電池は底面につけました。基盤をつけた面を下にして、立てて使います。

スイッチは、NKKスイッチズ(日本開閉器工業)の「LP01」シリーズを使用しました。押し心地最高です。千石電商で購入しました。