ESP32 a amatérske rádio: 10 projektov pre makerov a rádioamatérov

Čip ESP32 sa v posledných rokoch stal obľúbeným mikrokontrolérom mnohých rádioamatérov – a to z dobrého dôvodu. S integrovanou Wi-Fi a Bluetooth, dvoma procesorovými jadrami, množstvom GPIO pinov a predajnou cenou pod 5 EUR ponúka tento malý čip od Espressif všetko, čo si maker praje. Predovšetkým pre projekty v oblasti amatérskeho rádia je ESP32 priamo stvorený: dá sa bezproblémovo programovať v obľúbenom Arduino IDE, v režime Deep Sleep spotrebúva len mikroampéry a ponúka dostatok výpočetného výkonu pre náročné aplikácie v reálnom čase. Či už ide o APRS tracker do batoha, automatický CW keyer alebo spektrálny displej pre shack – možnosti sú prakticky neobmedzené.

V tomto článku vám predstavíme desať konkrétnych projektov, ktoré ako rádioamatér môžete realizovať s ESP32. Všetky projekty sú prakticky overené, väčšina vychádza z open-source softvéru a dajú sa vytvoriť s rozumným úsilím. Od projektov pre začiatočníkov po náročné riešenia – každý si tu niečo nájde, či práve začínate so stavbou vlastných zariadení alebo máte bohaté skúsenosti s mikrokontrolérmi. Poďme na to!

Prečo práve ESP32?

Skôr než sa ponoríme do jednotlivých projektov, stojí za to krátko sa pozrieť na technické prednosti ESP32. Čip je postavený na procesore Dual-Core Xtensa LX6 s taktom až 240 MHz a štandardne disponuje 520 KB SRAM. Väčšina vývojových dosiek, ako obľúbené ESP32 DevKit V1 (cca 4–6 EUR u rakúskych predajcov alebo na AliExpress), ponúka navyše 4 MB Flash pamäti. To bohatě postačuje pre zložité programy a dokonca OTA aktualizácie (Over-The-Air).

Zvlášť praktické: ESP32 má Wi-Fi (802.11 b/g/n) a Bluetooth (Classic a BLE) priamo na palube. To ho robí ideálnym pre sieťové aplikácie v amatérskom rádiu, ktoré prenášajú dáta do internetu alebo sú ovládané smartfónom. Kompatibilita s Arduino výrazne uľahčuje štart – máte k dispozícii tisíce existujúcich knižníc a nemusíte sa zaoberať nízkoúrovňovým programovaním. Zároveň sú k dispozícii aj natívne nástroje Espressif, ak potrebujete väčšiu kontrolu.

Pre projekty amatérskeho rádia sú dôležité aj mnohé rozhrania: ESP32 ponúka niekoľko zberníc UART, SPI a I2C, až 18 ADC kanálov (12 bitov) a dva DAC výstupy (8 bitov). So správnym zapojením možno ovládať GPS moduly, displeje, audio kodeky a dokonca HF transceivery. Nízka spotreba (v Deep Sleep pod 10 µA) robí z ESP32 ideálnu platformu pre batériové prenosné projekty.

Projekt 1: APRS tracker s GPS a LoRa

Klasika na začiatok: APRS tracker automaticky odosiela vašu polohu do systému Automatic Packet Reporting System. Namiesto cez pásmo 2 m FM však môžete siahnuť po LoRa – to šetrí energiu a funguje aj tam, kde nie sú v dosahu žiadne APRS digipeatery. Open-source firmware LoRa APRS Tracker od OE5BPA (dostupný na GitHube) bol vyvinutý špeciálne na tento účel.

Potrebný hardware

• Vývojová doska ESP32 (napr. TTGO T-Beam s integrovaným GPS a LoRa, cca 25–30 EUR)
• 868 MHz LoRa anténa (cca 5 EUR)
• 18650 LiPo akumulátor a držiak (cca 8 EUR)
• Voliteľne: Externý GPS modul s lepšou citlivosťou

Výhodou TTGO T-Beam je, že na jednej doske sú spojené ESP32, GPS modul (často NEO-6M alebo lepší NEO-M8N) a LoRa transceiver (SX127x). Stačí nahrať hotový firmware cez USB na dosku, nakonfigurovať volací znak a SSID v konfiguračnom súbore a možno začať. Poloha sa štandardne odosiela každých 60 sekúnd pri pohybe, alebo každých 10 minút v pokoji – to šetrí akumulátor.

V Rakúsku už existuje niekoľko LoRa-APRS-iGate. Tie prijímajú vaše LoRa pakety a vkladajú ich do APRS internetového systému, kde sú viditeľné na aprs.fi a iných sledovacích stránkach. Dosah je pôsobivý: Z exponovaných polôh nie je neobvyklých 50–100 km, aj v údolí spojenie cez 10–20 km funguje. Perfektné pre túry, cyklovýlety alebo prevádzku na OE vrcholoch!

Projekt 2: Automatický CW keyer s podporou pádla

Pozor, priaznivci telegrafu: S ESP32 a niekoľkými ďalšími súčiastkami si zostavíte plnohodnotný Iambic keyer pre CW. Projekt sa výborne hodí pre začiatočníkov vo vlastnej výrobe, pretože zapojenie zostáva prehľadné a softvér vychádza z overených algoritmov. Hotové Morseove znaky môžu priamo ovládať transceiver alebo byť prenášané cez USB do počítača – praktické pre preteky alebo cvičenie.

Funkčný rozsah

• Iambic Mode A a B
• Nastaviteľná rýchlosť (5–50 WPM) pomocou potenciometra alebo rotačného enkodéra
• Generátor sidetone s nastaviteľnou výškou tónu (400–1000 Hz)
• Pamäťové úložisko pre časté texty (CQ, TEST, 73, vlastný volací znak)
• Maják režim pre automatické vysielanie
• Displej na zobrazenie aktuálneho nastavenia

Pre keyer potrebujete okrem ESP32 (stačí lacná vývojová doska za cca 4 EUR) dvojité pádlo alebo dva jednotlivé spínače, malý OLED displej (0,96 palca, I2C, cca 3 EUR), rotačný enkodér pre nastavenie rýchlosti (cca 2 EUR) a niekoľko pasívnych súčiastok. Pre sidetone použite buď zabudovaný DAC ESP32 alebo malý reproduktor/piezo bzučiak. Výstupný tranzistorový stupeň na spínanie transceivera by mal byť opticky oddelený – jednoduchý optočlenový modul (cca 1,50 EUR) úplne postačí.

Ako softvérový základ sa hodí firmware K3NG CW Keyer, pôvodne vyvinutý pre Arduino, ale bez problémov prenositeľný na ESP32. Alternatívne existujú projekty optimalizované špeciálne pre ESP32, ako morserino-32 (Open Source), ktorý navyše prináša CW dekodér a cvičné funkcie. Zdrojový kód je dostupný na GitHube a dobre zdokumentovaný – ideálne na učenie a prispôsobenie.

Projekt 3: Webovo ovládaný rotátor antény

Kto vlastní otočnú smerovú anténu, pozná problém: Klasický ovládač rotátora stojí zvyčajne priamo pri transceiveri, čo môže byť v prípade väčších shackov nepraktické. S ESP32 možno realizovať Wi-Fi ovládaný rotátor, ktorý ovládate smartfónom, tabletom alebo počítačom odkiaľkoľvek v byte. Zvlášť šikovné: Integrácia so závodným logovačom ako Ham Radio Deluxe alebo N1MM Logger+ funguje cez protokol Yaesu GS-232 cez Wi-Fi.

Hardware sa skladá z ESP32, ovládača krokového motora (napr. A4988 alebo TMC2208, cca 5–8 EUR) pre plynulé pohyby, dostatočne dimenzovaného krokového motora alebo existujúceho rotátora, absolútneho enkodéra alebo potenciometra na odčítanie polohy a vhodného napájacieho zdroja (zvyčajne 12V). Mnoho komerčných rotátorov možno priamo integrovať odpíchnutím riadiacich vedení – potom stačí len rozhranie medzi ESP32 a elektronikou rotátora.

ESP32 poskytuje webový server, cez ktorý vidíte aktuálny smer antény (ideálne na grafickom kompase) a zadávate nové smery. Cez AJAX sa zobrazenie aktualizuje v reálnom čase – okamžite vidíte, ako sa anténa otáča. Navyše môže ESP32 cez TCP port hovoriť protokolom GS-232, takže váš logovací softvér automaticky nasmeruje anténu na DX stanicu. To je nielen pohodlné, ale v pile-up šetrí cenné sekundy.

Pekná funkcia: Integrácia dát DX Clustera. ESP32 sa môže pripojiť k DX Clusteru ako DX Summit a automaticky zobraziť zaujímavé stanice na mape. Jedným kliknutím potom anténu optimálne nasmerujete. Zvlášť pre preteky alebo DXpedície skutočný prínos!

Projekt 4: Spektrálny displej pre SDR a klasické transceivery

Moderné transceivery majú často zabudovaný spektrálny displej, ale mnohé staršie zariadenia alebo SDR používajú na tento účel počítačovú obrazovku. S ESP32 a vhodným TFT displejom si zostavíte samostatný bandscope, ktorý umiestnite priamo pri transceiveri. Displej priebežne zobrazuje HF spektrum v reálnom čase – tak na prvý pohľad uvidíte, kde práve prebieha aktivita.

Existujú rôzne prístupy: Najjednoduchšia varianta využíva RTL-SDR stick (cca 25–30 EUR) pripojený cez USB k ESP32 – tu však rýchlo narazíte na limity USB-Host schopností ESP32. Elegantnejšie je použitie dedikovaného Si5351 generátora (cca 5 EUR) ako lokálneho oscilátora a AD8307 logaritmického zosilňovača (cca 8 EUR) ako detektora sily signálu. ESP32 potom prechádza požadovaným frekvenčným pásmom a meria vždy silu signálu.

Ako displej sa hodí 3,5-palcový TFT s radičom ILI9486 alebo ILI9488 (cca 10–15 EUR), ktorý je ovládaný cez SPI. Rozlíšenie 480×320 pixelov na prehľadný spektrálny displej bohatě postačuje. S knižnicou TFT_eSPI pre Arduino kreslíte spektrum ako vodopádový diagram alebo klasický čiarový displej. Frekvencia obnovy závisí od rýchlosti skenovania – s optimalizovaným kódom je dosiahnuteľných 5–10 prechodov za sekundu.

Pre majiteľov IC-7300, IC-705 alebo podobných Icom transceiverów existuje ešte elegantnejšie riešenie: Tieto zariadenia môžu cez rozhranie CI-V (UART s 19200 alebo 115200 Baud) vydávať spektrálne dáta. ESP32 jednoducho prijíma tieto dáta sériovo a zobrazuje ich na displeji – bez dodatočného HF hardvéru. Zodpovedajúci open-source projekt nazvaný IC-7300 Panadapter nájdete na GitHube.

Projekt 5: WSPR beacon pre 10 metrov až 160 metrov

S WSPR (Weak Signal Propagation Reporter) môžete skúmať šírenie signálu v krátkovlnných pásmach, aj s minimálnym výkonom. WSPR beacon na báze ESP32 možno rýchlo zostaviť a každé dve minúty automaticky vysiela WSPR signál. Vaše vysielanie prijímajú stanice po celom svete a sú zaznamenávané na wsprnet.org – tak vidíte v reálnom čase, kde váš signál dosahuje.

Srdcom beaconu je opäť Si5351 syntezátor, ktorý generuje presné frekvencie pre WSPR. ESP32 generuje WSPR symboly podľa oficiálneho protokolu a podľa toho moduluje Si5351. Ako anténa postačí jednoduchý drôtový dipól alebo prepojenie cez balun s existujúcou stanicovou anténou. Výstupný výkon je približne 10 mW (10 dBm) – to je síce málo, ale pre WSPR úplne dostatočné. So zosilňovačom na báze SA612 alebo BS170 možno výkon zvýšiť na 200–500 mW.

Dôležitá pre WSPR je presnosť času: Vysielania musia začínať presne na párne minúty (0, 2, 4, 6 sekúnd atď.). ESP32 sa za týmto účelom synchronizuje cez NTP (Network Time Protocol) cez Wi-Fi s časovým serverom – presnosť je v rádoch milisekúnd, čo pre WSPR viac ako postačuje. GPS modul (napr. NEO-6M, cca 8 EUR) ponúka ako alternatíva ešte presnejší čas a funguje aj bez prístupu k internetu.

Firmware si môžete buď napísať sami (protokol WSPR je dobre zdokumentovaný) alebo využiť existujúce projekty ako ESP32-WSPRer. Okrem WSPR podporuje veľa týchto firmware aj iné módy so slabým signálom ako JT9 alebo FT8 – posledne menovaný je v Rakúsku obľúbený predovšetkým u staníc OE3. Pozor ale: Pre FT8 potrebujete viac výkonu (aspoň 1–5 W), pretože citlivosť nie je tak vysoká ako pri WSPR.

Projekt 6: Multibandový SWR meter s dotykovým displejom

Presný SWR meter patrí k štandardnej výbave každej stanice. S ESP32, niekoľkými HF senzormi a dotykovým displejom si zostavíte digitálne meradlo, ktoré zobrazuje nielen SWR, ale aj priamy a spätný výkon, PEP výkon a impedanciu antény. Vďaka displeju možno hodnoty prehľadne zobraziť a dotykovým ovládaním prepínať rôzne režimy.

Ako senzor sa hodí komerčný tandem-match alebo vlastnoručne vyrobený smerový väzobný člen so Schottkyho diódami na usmerňovanie. Napätia sú snímané cez ADC ESP32 – pre lepšiu presnosť sa odporúča externý 16-bitový ADC ako ADS1115 (cca 5 EUR). Kalibrácia sa vykonáva so známymi zakončeniami (50 Ω, skrat, chod naprázdno) a ukladá sa do flash pamäti.

Dotykový displej (napr. 2,8-palcový ILI9341 s rezistívnym dotykom, cca 12 EUR) zobrazuje namerané hodnoty v reálnom čase. Dotykom prsta prepínate medzi rôznymi zobrazeniami: číselné zobrazenie, stĺpcový diagram, Smithov diagram alebo trendová grafika. Zvlášť praktická je funkcia Peak-Hold, ktorá ukladá najvyššiu hodnotu – tak pri ladení antény okamžite vidíte, či sa SWR zlepšilo.

Pre pokročilých používateľov sa ponúka integrácia Wi-Fi: ESP32 odosiela namerané dáta cez UDP alebo MQTT do logovacieho softvéru alebo do Grafany na grafické vyhodnotenie. Tak možno sledovať dlhodobé trendy alebo automaticky spustiť alarm, keď SWR prekročí kritickú hodnotu. Zvlášť pri vzdialených staniciach alebo QRP prenosnej prevádzke užitočná funkcia.

Projekt 7: Audio rekordér a analyzátor pre preteky

Pri pretekoch je niekedy užitočné zaznamenávať prijímané audio signály – či už na neskoršiu analýzu, na zaistenie dôkazov pri sporných QSO alebo jednoducho na spätné dohľadanie volacích znakov. ESP32 so svojou dual-core architektúrou sa na túto úlohu výborne hodí: Jedno jadro sa stará o nahrávanie zvuku, druhé o ukladanie na SD kartu.

Na záznam použijete I2S mikrofónový modul ako INMP441 (cca 3 EUR) alebo I2S audio kodek ako MAX98357A (cca 4 EUR), ktorý pripojíte k Line-Out výstupu transceivera. ESP32 nahráva signál s až 44,1 kHz a 16 bitmi a ukladá ho ako súbor WAV alebo MP3 na microSD kartu. Pri kompresii MP3 (cez knižnicu libhelix) sa na 32 GB kartu zmestia hodiny závodnej prevádzky.

Okrem samotného záznamu môže ESP32 vykonávať aj živé analýzy: S knižnicou FFT vykonávate analýzu frekvencií v reálnom čase a zobrazujete audio spektrum na OLED displeji. To pomáha pri optimalizácii AF filtrov alebo vyhľadávaní rušenia. Zabudovaný CW dekodér (vychádzajúci z Goertzelovho algoritmu) automaticky rozpoznáva Morseove znaky – praktické pre preteky v zmiešanom móde.

Pekným doplnkom je detekcia PTT: Cez GPIO pin ESP32 rozpozná, kedy vysielate, a automaticky preruší záznam. Tak záznamy zostávajú prehľadné a šetríte úložný priestor. Po pretekoch nahráte súbory cez Wi-Fi do počítača alebo ich priamo streamujete do cloudu – ideálne pre multi-op stanice, kde viacero operátorov potrebuje prístup k nahrávkam.

Projekt 8: Ovládač diaľkového tunera s motorovým pohonom

Automatické anténne tunery sú praktické, ale často drahé – a ladenie prebieha cez relé, čo pri častom striedaní pásiem vedie k opotrebovaniu. S ESP32 a krokovými motormi realizujete motoricky poháňaný anténny tuner, ktorý ladí plynule a presne. Ovládanie prebieha cez webové rozhranie alebo cez aplikáciu v smartfóne.

Mechaniku tvoria dva otočné kondenzátory (alebo varikappy pre moderné riešenia) a prepínateľná cievka. Krokové motory (napr. 28BYJ-48 s doskou ovládača ULN2003, cca 3 EUR za sadu) otáčajú kondenzátory na správnu polohu. ESP32 meria cez ADC SWR (cez predradený smerový väzobný člen) a automaticky optimalizuje nastavenie tunera – klasický PID regulátor nájde minimum počas niekoľkých sekúnd.

Zvlášť šikovné: ESP32 ukladá optimálne nastavenia tunera pre každú frekvenciu do databázy. Pri ďalšom striedaní pásma okamžite nabehne na uloženú polohu – jemné doladenie potom trvá len zlomky sekundy. U moderných transceiverů s CAT rozhraním (napr. cez CI-V alebo protokol Kenwood) číta ESP32 automaticky aktuálnu frekvenciu a vyberá zodpovedajúce nastavenia.

Pripojenie k Wi-Fi umožňuje vzdialenú prevádzku: Tuner ovládate z logovacieho softvéru alebo cez aplikáciu v smartfóne. To je zvlášť dôležité pri vzdialených staniciach, kde tuner sedí vonku pri anténe. Voliteľný obvod záložného napájania (LiPo akumulátor + nabíjací regulátor, cca 10 EUR) zaistí, že ESP32 zachová uložené polohy aj pri výpadku prúdu.

Projekt 9: Systém sledovania satelitov s automatickou korekciou Dopplerovho javu

Amatérska rádioprevádzka cez satelity je fascinujúca, ale ručné sledovanie frekvencie a antény je náročné. Sledovací systém na báze ESP32 v reálnom čase vypočítava dráhu satelitu, zobrazuje optimálny smer antény a automaticky koriguje Doppler shift. Zvlášť pre začiatočníkov v satelitnej komunikácii obrovská úľava.

Systém sa skladá z ESP32, GPS modulu na určenie polohy (dôležité pre presný výpočet dráhy) a voliteľne displeja. Satelitné TLE dáta (Two-Line Elements) sťahuje ESP32 cez Wi-Fi z celestrak.org a ukladá ich lokálne. Knižnica SGP4 (dostupná pre Arduino) z nich vypočítava polohu a rýchlosť satelitu voči stanovišťu.

Pre korekciu Dopplerovho javu ovláda ESP32 váš transceiver cez CAT rozhranie: Pri priblížení sa frekvencia koriguje nahor, pri vzďaľovaní nadol. Korekcia prebieha priebežne počas preletu – vy to prakticky nepostrehujete, ale protistanica vás počuje stále na správnej frekvencii. Funguje to so všetkými bežnými transceivermi, ktoré hovoria Icom CI-V, Yaesu CAT alebo Kenwood protokol.

Ďalšou funkciou je predpoveď preletu (Pass-Prediction): ESP32 vopred vypočíta, kedy ktorý satelit príde do dosahu, aký vysoký bude maximálny elevačný uhol a či je viditeľnosť dostatočná pre QSO. Tieto dáta zobrazuje na displeji alebo odosiela cez MQTT do Home Assistant, ktorý vás potom informuje push notifikáciou na smartfóne. Pre obľúbené satelity ako AO-91, AO-92 alebo ISS skutočný prínos.

Projekt 10: Integrácia Smart Home pre rádiostaničku

Integrovať rádiostaničku do inteligentnej domácnosti? S ESP32 a protokolom MQTT sa váš shack stane prepojeným pracoviskom. ESP32 funguje ako centrálne rozhranie medzi rádiotechnikou a automatizáciou domácnosti – či už ide o Home Assistant, ioBroker alebo iný systém inteligentnej domácnosti.

V najjednoduchšom prípade ESP32 sleduje stav vašej stanice: Je transceiver zapnutý? Na akom pásme sa práve pracuje? Prebieha vysielanie alebo príjem? K tomu číta cez CAT rozhranie dáta z transceivera a zverejňuje ich cez MQTT. V Home Assistant potom možno vytvárať automatizácie: Keď je PTT aktívny, stlm svetlo v shacku. Keď je transceiver na 2 m, zapni predzosilňovač. Pri QRT po 22:00 zaparkuj rotátor.

Zvlášť užitočná je integrácia senzorov: BME280 (cca 4 EUR) meria teplotu, vlhkosť vzduchu a atmosferický tlak v shacku – dôležité, ak stanica stojí v nevykúrenom priestore alebo na povale. Modul INA219 (cca 3 EUR) sleduje napätie a odber prúdu z 13,8V napájania. Cez MQTT sa všetky hodnoty dostanú do Grafany alebo dashboardu Home Assistant – aj keď nie ste doma.

Pri vzdialených staniciach je to zvlášť zaujímavé: ESP32 ovláda cez reléový modul (4-kanálový alebo 8-kanálový, cca 5 EUR) napájanie jednotlivých zariadení – transceiver, zosilňovač, rotátor, predzosilňovač. Tak môžete cez smartfón stanicu naštartovať, pracovať a znova vypnúť. Voliteľný watchdog časovač vypne všetko, ak sa Wi-Fi pripojenie preruší na dlhšie ako 10 minút – bezpečnosť na prvom mieste.

Ďalší prípad použitia: Notifikácie. ESP32 monitoruje DX Cluster cez Telnet a filtruje podľa požadovaných DXCC entít alebo pásiem. Keď sa objaví hľadané DX, odošle push správu na váš smartfón – nemusíte neustále sledovať cluster. V kombinácii s ovládaním antény z projektu 3 nasmeruje beam ihneď správnym smerom.

Náklady na tento projekt sú primerané: ESP32 (6 EUR) + reléový modul (5 EUR) + BME280 (4 EUR) + INA219 (3 EUR) + drobné súčiastky a kryt (cca 10 EUR) = pod 30 EUR za kompletnú automatizáciu shacku. Softvér vychádza z ESPHome – open-source frameworku vyvinutého špeciálne pre ESP32 a Home Assistant, ktorý nevyžaduje znalosti programovania. Konfigurácia prebieha cez YAML súbor.

Záver

ESP32 sa etabloval ako všestranný stavebný kameň pre projekty v oblasti amatérskeho rádia. Od jednoduchého ovládania CW keyera po zložitý systém sledovania satelitov – kombinácia výpočetného výkonu, Wi-Fi, Bluetooth a množstva rozhraní robí z mikrokontroléra ideálnu platformu pre makerov v amatérskom rádiu. Náklady na projekt zvyčajne ležia pod 50 EUR a vďaka veľkej komunite Arduino a ESP-IDF nájdete riešenie pre takmer každý problém.

Všetky predstavené projekty možno modulárne rozširovať a kombinovať. A to najlepšie: Nepotrebujete inžiniersky titul – základné znalosti programovania v Arduino a trocha skúseností so spájkovaním stačí na to, aby ste mohli začať. Takže: Spájkovačku do ruky a 73!

---

Upozornenie o transparentnosti

Tento článok bol spracovaný a napísaný s podporou KI (Claude, Anthropic). Použité ilustrácie boli, ak nie je uvedené inak, vytvorené pomocou KI (ChatGPT/DALL·E, OpenAI). Redakcia všetky obsahy skontrolovala a redakčne spracovala. Napriek starostlivej kontrole môžu byť obsiahnuté drobné nepresnosti – radi uvítame upozornenia e-mailom na [email protected].

Ešte nie ste rádioamatérom? Náš článok Stať sa rádioamatérom – Začiatok je jednoduchší, ako si myslíte vám ukáže, ako získať licenciu.