ESP32 a amatérské rádio: 10 projektů pro makery a radioamatéry

Čip ESP32 se v posledních letech stal oblíbeným mikrokontrolerem mnoha radioamatérů – a to z dobrého důvodu. S integrovanou Wi-Fi a Bluetooth, dvěma procesorovými jádry, řadou GPIO pinů a pouliční cenou pod 5 EUR nabízí tento malý čip od Espressif vše, co si maker přeje. Zejména pro projekty v oblasti amatérského rádia je ESP32 přímo stvořen: lze jej bez problémů programovat v oblíbeném Arduino IDE, ve spánkovém režimu Deep Sleep spotřebovává jen mikroampéry a nabízí dostatek výpočetního výkonu pro náročné aplikace v reálném čase. Ať už jde o APRS tracker do batohu, automatický CW keyer nebo spektrální displej pro shack – možnosti jsou prakticky neomezené.

V tomto článku vám představíme deset konkrétních projektů, které jako radioamatér můžete realizovat s ESP32. Všechny projekty jsou prakticky ověřeny, většina vychází z open-source softwaru a lze je vytvořit s rozumným úsilím. Od projektů pro začátečníky po náročná řešení – pro každého se tu něco najde, ať už jste s vlastní výrobou teprve začali, nebo máte s mikrokontroléry bohaté zkušenosti. Pojďme na to!

Proč zrovna ESP32?

Než se ponoříme do jednotlivých projektů, stojí za to krátce se podívat na technické přednosti ESP32. Čip je postaven na procesoru Dual-Core Xtensa LX6 s taktem až 240 MHz a standardně disponuje 520 KB SRAM. Většina vývojových desek, jako oblíbené ESP32 DevKit V1 (cca 4–6 EUR u österreichischen Händlern nebo na AliExpress), nabízí navíc 4 MB Flash paměti. To bohatě stačí pro složité programy a dokonce OTA aktualizace (Over-The-Air).

Zvláště praktické: ESP32 má již na palubě Wi-Fi (802.11 b/g/n) a Bluetooth (Classic a BLE). To jej činí ideálním pro síťové aplikace v amatérském rádiu, které přenášejí data do internetu nebo jsou ovládány chytrým telefonem. Kompatibilita s Arduino výrazně usnadňuje start – máte k dispozici tisíce existujících knihoven a nemusíte se potýkat s nízkoúrovňovým programováním. Zároveň jsou k dispozici i nativní nástroje Espressif, pokud potřebujete větší kontrolu.

Pro amatérské rádio projekty jsou důležitá také mnohá rozhraní: ESP32 nabízí několik sběrnic UART, SPI a I2C, až 18 ADC kanálů (12 bitů) a dva DAC výstupy (8 bitů). Se správným zapojením lze ovládat GPS moduly, displeje, audio kodeky a dokonce HF transceivery. Nízká spotřeba (v Deep Sleep pod 10 µA) dělá z ESP32 ideální platformu pro bateriové přenosné projekty.

Projekt 1: APRS tracker s GPS a LoRa

Klasika pro začátek: APRS tracker automaticky odesílá vaši polohu do systému Automatic Packet Reporting System. Místo přes pásmo 2 m FM však můžete sáhnout po LoRa – to šetří energii a funguje i tam, kde nejsou v dosahu žádné APRS digipeatery. Open-source firmware LoRa APRS Tracker od OE5BPA (dostupný na GitHubu) byl vyvinut speciálně pro tento účel.

Potřebný hardware

• Vývojová deska ESP32 (např. TTGO T-Beam s integrovaným GPS a LoRa, cca 25–30 EUR)
• 868 MHz LoRa anténa (cca 5 EUR)
• 18650 LiPo akumulátor a držák (cca 8 EUR)
• Volitelně: Externí GPS modul s lepší citlivostí

Výhodou TTGO T-Beam je, že na jedné desce jsou sjednoceny ESP32, GPS modul (často NEO-6M nebo lepší NEO-M8N) a LoRa transceiver (SX127x). Stačí nahrát hotový firmware přes USB na desku, nakonfigurovat volací značku a SSID v konfiguračním souboru a lze začít. Poloha se standardně odesílá každých 60 sekund při pohybu, nebo každých 10 minut při stání – to šetří akumulátor.

V Rakousku již existuje několik LoRa-APRS-iGate. Ty přijímají vaše LoRa pakety a vkládají je do APRS internetového systému, kde jsou viditelné na aprs.fi a dalších sledovacích stránkách. Dosah je působivý: Z exponovaných poloh není neobvyklých 50–100 km, i v údolí spojení přes 10–20 km funguje. Perfektní pro túry, cyklovýlety nebo provoz na OE vrcholcích!

Projekt 2: Automatický CW keyer s podporou pádla

Pozor, příznivci telegrafie: S ESP32 a několika dalšími součástkami si sestavíte plnohodnotný Iambic keyer pro CW. Projekt se výborně hodí pro začátečníky ve vlastní výrobě, protože zapojení zůstává přehledné a software vychází z osvědčených algoritmů. Hotové Morseovy znaky mohou přímo ovládat transceiver nebo být přenášeny přes USB do počítače – praktické pro závody nebo cvičení.

Funkční rozsah

• Iambic Mode A a B
• Nastavitelná rychlost (5–50 WPM) pomocí potenciometru nebo rotačního enkodéru
• Generátor sidetone s nastavitelnou výškou tónu (400–1000 Hz)
• Paměťové úložiště pro časté texty (CQ, TEST, 73, vlastní volací značka)
• Maják režim pro automatické vysílání
• Displej pro zobrazení aktuálního nastavení

Pro keyer potřebujete kromě ESP32 (stačí levná vývojová deska za cca 4 EUR) dvojité pádlo nebo dva jednotlivé spínače, malý OLED displej (0,96 palce, I2C, cca 3 EUR), rotační enkodér pro nastavení rychlosti (cca 2 EUR) a několik pasivních součástek. Pro sidetone použijte buď zabudovaný DAC ESP32 nebo malý reproduktor/piezo bzučák. Výstupní tranzistorový stupeň pro spínání transceiveru by měl být opticky oddělený – jednoduchý optočlenový modul (cca 1,50 EUR) zcela postačí.

Jako softwarový základ se hodí firmware K3NG CW Keyer, původně vyvinutý pro Arduino, ale bez problémů přenositelný na ESP32. Alternativně existují projekty optimalizované speciálně pro ESP32, jako morserino-32 (Open Source), který navíc přináší CW dekodér a cvičné funkce. Zdrojový kód je dostupný na GitHubu a dobře zdokumentován – ideální pro učení a přizpůsobení.

Projekt 3: Webově ovládaný rotátor antény

Kdo vlastní otočnou směrovou anténu, zná problém: Klasický ovladač rotátoru stojí obvykle přímo u transceiveru, což může být v případě větších shacků nepraktické. S ESP32 lze realizovat Wi-Fi ovládaný rotátor, který ovládáte chytrým telefonem, tabletem nebo počítačem odkudkoli v bytě. Obzvlášť chytré: Integrace se závodním logovačem jako Ham Radio Deluxe nebo N1MM Logger+ funguje přes protokol Yaesu GS-232 přes Wi-Fi.

Hardware se skládá z ESP32, ovladače krokového motoru (např. A4988 nebo TMC2208, cca 5–8 EUR) pro plynulé pohyby, dostatečně dimenzovaného krokového motoru nebo stávajícího rotátoru, absolutního enkodéru nebo potenciometru pro odečítání polohy a vhodného zdroje napájení (obvykle 12V). Mnoho komerčních rotátorů lze přímo integrovat odpíchnutím řídicích vedení – pak stačí jen rozhraní mezi ESP32 a elektronikou rotátoru.

ESP32 poskytuje webový server, přes který vidíte aktuální směr antény (ideálně na grafickém kompasu) a zadáváte nové směry. Přes AJAX se zobrazení aktualizuje v reálném čase – okamžitě vidíte, jak se anténa otáčí. Navíc může ESP32 přes TCP port hovořit protokolem GS-232, takže váš logovací software automaticky nasměruje anténu na DX stanici. To je nejen pohodlné, ale v pile-up šetří cenné sekundy.

Pěkná funkce: Integrace dat DX Clusteru. ESP32 se může připojit k DX Clusteru jako DX Summit a automaticky zobrazit zajímavé stanice na mapě. Jedním kliknutím pak anténu optimálně nasměrujete. Zvláště pro závody nebo DXpedice skutečný přínos!

Projekt 4: Spektrální displej pro SDR a klasické transceivery

Moderní transceivery mají často vestavěný spektrální displej, ale mnoho starších zařízení nebo SDR používá pro tento účel počítačovou obrazovku. S ESP32 a vhodným TFT displejem si sestavíte samostatný bandscope, který umístíte přímo u transceiveru. Displej průběžně zobrazuje HF spektrum v reálném čase – tak na první pohled uvidíte, kde zrovna probíhá aktivita.

Existují různé přístupy: Nejjednodušší varianta využívá RTL-SDR stick (cca 25–30 EUR) připojený přes USB k ESP32 – zde však rychle narazíte na limity USB-Host schopností ESP32. Elegantnější je použití dedikovaného Si5351 generátoru (cca 5 EUR) jako lokálního oscilátoru a AD8307 logaritmického zesilovače (cca 8 EUR) jako detektoru síly signálu. ESP32 pak prochází požadované frekvenční pásmo a měří vždy sílu signálu.

Jako displej se hodí 3,5palcový TFT s řadičem ILI9486 nebo ILI9488 (cca 10–15 EUR), který je ovládán přes SPI. Rozlišení 480×320 pixelů na přehledný spektrální displej bohatě stačí. S knihovnou TFT_eSPI pro Arduino kreslíte spektrum jako vodopádový diagram nebo klasický čárový displej. Frekvence obnovení závisí na rychlosti skenování – s optimalizovaným kódem je dosažitelných 5–10 průchodů za sekundu.

Pro majitele IC-7300, IC-705 nebo podobných Icom transceiverů existuje ještě elegantnější řešení: Tato zařízení mohou přes rozhraní CI-V (UART s 19200 nebo 115200 Baud) vydávat spektrální data. ESP32 jednoduše přijímá tato data sériově a zobrazuje je na displeji – bez dodatečného HF hardwaru. Odpovídající open-source projekt nazvaný IC-7300 Panadapter najdete na GitHubu.

Projekt 5: WSPR beacon pro 10 metrů až 160 metrů

S WSPR (Weak Signal Propagation Reporter) můžete zkoumat šíření signálu v krátkovlnných pásmech, i s minimálním výkonem. WSPR beacon na bázi ESP32 lze rychle sestavit a každé dvě minuty automaticky vysílá WSPR signál. Vaše vysílání přijímají stanice po celém světě a jsou zaznamenávány na wsprnet.org – tak vidíte v reálném čase, kde váš signál dosahuje.

Srdcem beaconu je opět Si5351 syntezátor, který generuje přesné frekvence pro WSPR. ESP32 generuje WSPR symboly podle oficiálního protokolu a podle toho moduluje Si5351. Jako anténa postačí jednoduchý drátový dipól nebo balunem spojení se stávající stanicí anténou. Výstupní výkon je přibližně 10 mW (10 dBm) – to je sice málo, ale pro WSPR zcela dostatečné. Se zesilovačem na bázi SA612 nebo BS170 lze výkon zvýšit na 200–500 mW.

Důležitá pro WSPR je přesnost času: Vysílání musí začínat přesně na sudé minuty (0, 2, 4, 6 sekund atd.). ESP32 se za tímto účelem synchronizuje přes NTP (Network Time Protocol) přes Wi-Fi s časovým serverem – přesnost je v řádu milisekund, což pro WSPR více než postačuje. GPS modul (např. NEO-6M, cca 8 EUR) nabízí jako alternativa ještě přesnější čas a funguje i bez přístupu k internetu.

Firmware si můžete buď napsat sami (protokol WSPR je dobře zdokumentován) nebo využít existující projekty jako ESP32-WSPRer. Kromě WSPR podporuje mnoho těchto firmware také jiné módy se slabým signálem jako JT9 nebo FT8 – posledně jmenovaný je v Rakousku oblíbený zejména u stanic OE3. Pozor ale: Pro FT8 potřebujete více výkonu (alespoň 1–5 W), protože citlivost není tak vysoká jako u WSPR.

Projekt 6: Multibandový SWR metr s dotykovým displejem

Přesný SWR metr patří ke standardní výbavě každé stanice. S ESP32, několika HF senzory a dotykovým displejem si sestavíte digitální měřicí přístroj, který zobrazuje nejen SWR, ale také přímý a zpětný výkon, PEP výkon a impedanci antény. Díky displeji lze hodnoty přehledně zobrazit a dotykovým ovládáním přepínat různé režimy.

Jako senzor se hodí komerční tandem-match nebo vlastnoručně vyrobený směrový vazební člen s Schottkyho diodami pro usměrnění. Napětí jsou snímána přes ADC ESP32 – pro lepší přesnost se doporučuje externí 16bitový ADC jako ADS1115 (cca 5 EUR). Kalibrace se provádí se známými zakončeními (50 Ω, zkrat, chod naprázdno) a ukládá se do flash paměti.

Dotykový displej (např. 2,8palcový ILI9341 s rezistivním dotykem, cca 12 EUR) zobrazuje naměřené hodnoty v reálném čase. Dotekem prstu přepínáte mezi různými zobrazeními: číselné zobrazení, sloupcový diagram, Smith-Chart nebo trendová grafika. Zvláště praktická je funkce Peak-Hold, která ukládá nejvyšší hodnotu – tak při ladění antény okamžitě vidíte, zda se SWR zlepšilo.

Pro pokročilé uživatele se nabízí integrace Wi-Fi: ESP32 odesílá naměřená data přes UDP nebo MQTT do logovacího softwaru nebo do Grafany pro grafické vyhodnocení. Tak lze sledovat dlouhodobé trendy nebo automaticky spustit alarm, když SWR překročí kritickou hodnotu. Zvláště u vzdálených stanic nebo QRP přenosného provozu užitečná funkce.

Projekt 7: Audio rekordér a analyzátor pro závody

Při závodech je někdy užitečné zaznamenat přijímané audio signály – ať už pro pozdější analýzu, pro zajištění důkazů při sporných QSO nebo jednoduše pro zpětné dohledání volacích značek. ESP32 se svou dual-core architekturou se na tento úkol výborně hodí: Jedno jádro se stará o nahrávání zvuku, druhé o ukládání na SD kartu.

Pro záznam používáte I2S mikrofonový modul jako INMP441 (cca 3 EUR) nebo I2S audio kodek jako MAX98357A (cca 4 EUR), který připojíte k výstupu Line-Out transceiveru. ESP32 nahrává signál až s 44,1 kHz a 16 bity a ukládá ho jako soubor WAV nebo MP3 na microSD kartu. Při kompresi MP3 (přes knihovnu libhelix) se na 32 GB kartu vejdou hodiny závodního provozu.

Kromě pouhého záznamu může ESP32 provádět také živé analýzy: S FFT knihovnou provádíte analýzu frekvencí v reálném čase a zobrazujete audio spektrum na OLED displeji. To pomáhá při optimalizaci AF filtrů nebo při vyhledávání rušení. Vestavěný CW dekodér (vycházející z Goertzelova algoritmu) automaticky rozpoznává Morseovy znaky – praktické pro závody ve smíšeném módu.

Pěkným doplňkem je detekce PTT: Přes GPIO pin ESP32 rozpozná, kdy vysíláte, a automaticky přeruší záznam. Tak záznamy zůstávají přehledné a šetříte úložný prostor. Po závodech nahrajete soubory přes Wi-Fi do počítače nebo je přímo streamujete do cloudu – ideální pro multi-op stanice, kde více operátorů potřebuje přístup k nahrávkám.

Projekt 8: Ovladač dálkového tuneru s motorovou jednotkou

Automatické anténní tunery jsou praktické, ale často drahé – a ladění probíhá přes relé, což při častých střídáních pásem vede k opotřebení. S ESP32 a krokovými motory realizujete motoricky poháněný anténní tuner, který ladí plynule a přesně. Ovládání probíhá přes webové rozhraní nebo přes aplikaci v chytrém telefonu.

Mechaniku tvoří dva otočné kondenzátory (nebo varikappy pro moderní řešení) a přepínatelná cívka. Krokové motory (např. 28BYJ-48 s deskou ovladače ULN2003, cca 3 EUR za sadu) otáčejí kondenzátory na správnou polohu. ESP32 měří přes ADC SWR (přes předřazený směrový vazební člen) a automaticky optimalizuje nastavení tuneru – klasický PID regulátor nalezne minimum během několika sekund.

Zvláště chytré: ESP32 ukládá pro každou frekvenci optimální nastavení tuneru do databáze. Při příštím střídání pásma okamžitě najede na uloženou polohu – jemné doladění pak trvá jen zlomky sekundy. U moderních transceiverů s CAT rozhraním (např. přes CI-V nebo protokol Kenwood) čte ESP32 automaticky aktuální frekvenci a vybírá odpovídající nastavení.

Připojení k Wi-Fi umožňuje vzdálený provoz: Tuner ovládáte z logovacího softwaru nebo přes aplikaci v chytrém telefonu. To je zvláště důležité u vzdálených stanic, kde tuner sedí venku u antény. Volitelný obvod záložního napájení (LiPo akumulátor + nabíjecí regulátor, cca 10 EUR) zajistí, že ESP32 uloží polohy i při výpadku proudu.

Projekt 9: Systém sledování satelitů s automatickou korekcí Dopplerova jevu

Provoz amatérského rádia přes satelity je fascinující, ale ruční sledování frekvence a antény je náročné. Sledovací systém na bázi ESP32 v reálném čase vypočítává dráhu satelitu, zobrazuje optimální směr antény a automaticky koriguje Doppler shift. Zvláště pro začátečníky v satelitní komunikaci obrovská úleva.

Systém se skládá z ESP32, GPS modulu pro určení polohy (důležité pro přesný výpočet dráhy) a volitelně displeje. Satelitní TLE data (Two-Line Elements) stahuje ESP32 přes Wi-Fi z celestrak.org a ukládá je lokálně. Knihovna SGP4 (dostupná pro Arduino) z nich vypočítává polohu a rychlost satelitu vůči stanovišti.

Pro korekci Dopplerova jevu ovládá ESP32 váš transceiver přes CAT rozhraní: Při přiblížení se frekvence koriguje nahoru, při vzdalování dolů. Korekce probíhá průběžně během přeletu – vy to prakticky nepostřehnete, ale protistanice vás slyší stále na správné frekvenci. Funguje to se všemi běžnými transceivery, které hovoří Icom CI-V, Yaesu CAT nebo Kenwood protokol.

Další funkcí je předpověď přeletu (Pass-Prediction): ESP32 předem vypočítá, kdy který satelit přijde do dosahu, jak vysoký bude maximální elevační úhel a zda je viditelnost dostatečná pro QSO. Tato data zobrazuje na displeji nebo odesílá přes MQTT do Home Assistant, který vás pak informuje push notifikací v chytrém telefonu. Pro oblíbené satelity jako AO-91, AO-92 nebo ISS skutečný přínos.

Projekt 10: Integrace Smart Home pro radiostanici

Integrovat radiostanici do chytré domácnosti? S ESP32 a protokolem MQTT se váš shack stane propojeným pracovištěm. ESP32 funguje jako centrální rozhraní mezi rádiovými zařízeními a automatizací domácnosti – ať už jde o Home Assistant, ioBroker nebo jiný systém chytré domácnosti.

V nejjednodušším případě ESP32 sleduje stav vaší stanice: Je transceiver zapnutý? Na jakém pásmu se zrovna pracuje? Probíhá vysílání nebo příjem? K tomu čte přes CAT rozhraní data z transceiveru a zveřejňuje je přes MQTT. V Home Assistant pak lze vytvářet automatizace: Když je PTT aktivní, stlum světlo v shacku. Když je transceiver na 2 m, zapni předzesilovač. Při QRT po 22:00 parkovej rotátor.

Zvláště užitečná je integrace senzorů: BME280 (cca 4 EUR) měří teplotu, vlhkost vzduchu a atmosferický tlak v shacku – důležité, pokud stanice stojí v nevytápěném prostoru nebo na půdě. Modul INA219 (cca 3 EUR) sleduje napětí a odběr proudu z 13,8V napájení. Přes MQTT se všechny hodnoty dostanou do Grafany nebo dashboardu Home Assistant – i když nejste doma.

U vzdálených stanic je to zvláště zajímavé: ESP32 ovládá přes reléový modul (4-kanálový nebo 8-kanálový, cca 5 EUR) napájení jednotlivých zařízení – transceiver, zesilovač, rotátor, předzesilovač. Tak můžete přes chytrý telefon stanici nastartovat, pracovat a zase vypnout. Volitelný watchdog časovač vypne vše, pokud se Wi-Fi připojení přeruší na déle než 10 minut – bezpečnost na prvním místě.

Další případ použití: Notifikace. ESP32 monitoruje DX Cluster přes Telnet a filtruje podle požadovaných DXCC entit nebo pásem. Když se objeví hledané DX, odešle push zprávu na váš chytrý telefon – nemusíte neustále sledovat cluster. V kombinaci s řízením antény z projektu 3 nasměruje beam ihned správným směrem.

Náklady na tento projekt jsou přiměřené: ESP32 (6 EUR) + reléový modul (5 EUR) + BME280 (4 EUR) + INA219 (3 EUR) + drobné součástky a skříň (cca 10 EUR) = pod 30 EUR za kompletní automatizaci shacku. Software vychází z ESPHome – open-source frameworku vyvinutého speciálně pro ESP32 a Home Assistant, který nevyžaduje znalosti programování. Konfigurace probíhá přes YAML soubor.

Závěr

ESP32 se etabloval jako všestranný stavební kámen pro projekty v oblasti amatérského rádia. Od jednoduché CW keyer ovládání po složitý systém sledování satelitů – kombinace výpočetního výkonu, Wi-Fi, Bluetooth a řady rozhraní dělá z mikrokontroléru ideální platformu pro makery v amatérském rádiu. Náklady na projekt obvykle leží pod 50 EUR a díky velké komunitě Arduino a ESP-IDF najdete řešení téměř pro každý problém.

Všechny představené projekty lze modulárně rozšiřovat a kombinovat. A to nejlepší: Nepotřebujete inženýrský titul – základní znalosti programování v Arduino a trocha zkušeností s pájením stačí k tomu, abyste mohli začít. Takže: Pájedlo do ruky a 73!

---

Upozornění k transparentnosti

Tento článek byl zpracován a napsán s podporou KI (Claude, Anthropic). Použité ilustrace byly, pokud není uvedeno jinak, vytvořeny pomocí KI (ChatGPT/DALL·E, OpenAI). Redakce všechny obsahy zkontrolovala a redakčně zpracovala. I přes pečlivou kontrolu mohou být obsaženy drobné nepřesnosti – rádi uvítáme upozornění e-mailem na [email protected].

Ještě nejste radioamatérem? Náš článek Stát se radioamatérem – Začátek je snazší, než si myslíte vám ukáže, jak získat licenci.