ESP32 se je v zadnjih letih razvil v priljubljeni mikrokrmilnik mnogih radioamaterjev – in to z dobrim razlogom. Z vgrajenim WLAN-om in Bluetoothom, dvema procesorskima jedroma, številnimi GPIO-pini in ceno pod 5 EUR ta majhen čip podjetja Espressif ponuja vse, kar si ustvarjalec želi. Še posebej za radioamaterske projekte je ESP32 kot naročen: programira se ga lahko brez težav z znano Arduino-IDE, v načinu globokega spanja porabi le mikroampere in ponuja dovolj računske moči za zahtevne aplikacije v realnem času. Naj bo to APRS-sledilnik za nahrbtnik, samodejni CW-ključar ali spektrski zaslon za radijsko sobo – možnosti so praktično neomejene.
V tem članku ti predstavljamo deset konkretnih projektov, ki jih lahko kot radioamater izvedeš z ESP32. Vsi projekti so preizkušeni v praksi, večina temelji na odprtokodni programski opremi in jih je mogoče sestaviti z obvladljivim trudom. Od začetniškega projekta do zahtevne rešitve je tu nekaj za vsakogar – ne glede na to, ali šele začenjaš s samoizgradnjo ali že imaš izkušnje z mikrokrmilniki. Pa začnimo!
Zakaj ravno ESP32?
Preden se poglobimo v posamezne projekte, se splača kratek pogled na tehnične prednosti ESP32. Čip temelji na Dual-Core Xtensa LX6 procesorju s taktno frekvenco do 240 MHz in ima standardno 520 KB SRAM-a. Večina razvojnih plošč, kot je priljubljena ESP32 DevKit V1 (pribl. 4–6 EUR pri avstrijskih trgovcih ali na AliExpress), ponuja dodatno 4 MB flash pomnilnika. To zadostuje za kompleksne programe in celo za OTA-posodobitve (Over-The-Air).
Posebej praktično: ESP32 ima WLAN (802.11 b/g/n) in Bluetooth (Classic in BLE) že vgrajena. To ga naredi idealnega za povezane radioamaterske aplikacije, ki prenašajo podatke na internet ali jih je mogoče upravljati prek pametnega telefona. Arduino-združljivost izjemno olajša začetek – uporabiš lahko na tisoče obstoječih knjižnic in se ni treba ukvarjati z nizkonivojskim programiranjem. Hkrati pa imaš na voljo tudi nativna orodja Espressif, če potrebuješ več nadzora.
Za radioamaterske projekte so pomembni tudi številni vmesniki: ESP32 ponuja več UART, SPI in I2C-vodil, do 18 ADC-kanalov (12-bitnih) in dva DAC-izhoda (8-bitna). S pravo vezavo se lahko z njimi krmilijo GPS-moduli, zasloni, avdio-kodeki in celo VF-oddajniki/sprejemniki. Nizka poraba toka (v globokem spanju pod 10 µA) naredi ESP32 poleg tega idealen za baterijske prenosne projekte.
Projekt 1: APRS-sledilnik z GPS in LoRa
Klasika za začetek: APRS-sledilnik samodejno prenaša tvojo pozicijo v Automatic Packet Reporting System. Namesto prek 2m-pasu po FM lahko uporabiš tudi LoRa – to varčuje z energijo in pogosto deluje tam, kjer ni APRS-digipeaterjev v dosegu. Odprtokodna firmware LoRa APRS Tracker od OE5BPA (na voljo na GitHub) je bila posebej razvita za to.
Potrebna strojna oprema
- ESP32 razvojna plošča (npr. TTGO T-Beam z vgrajenim GPS in LoRa, pribl. 25–30 EUR)
- 868 MHz LoRa-antena (pribl. 5 EUR)
- 18650 LiPo-akumulator in držalo (pribl. 8 EUR)
- Opcijsko: zunanji GPS-modul z boljšo občutljivostjo
Prednost TTGO T-Beam: Tu so ESP32, GPS-modul (pogosto NEO-6M ali boljši NEO-M8N) in LoRa-oddajnik/sprejemnik (SX127x) že združeni na eni plošči. Preprosto naloži že pripravljeno firmware prek USB na ploščo, nastavi svoj klicni znak in SSID v konfiguracijski datoteki in že lahko začneš. Pozicija se privzeto prenaša vsakih 60 sekund med gibanjem ali vsakih 10 minut v mirovanju – to varčuje z akumulatorjem.
V Avstriji že obstaja več LoRa-APRS-iGate-ov, med drugim jih upravlja ÖVSV. Ti sprejemajo tvoje LoRa-pakete in jih posredujejo v APRS internetni sistem, kjer postanejo vidni na aprs.fi in drugih straneh za sledenje. Doseg je impresiven: z izpostavljene lokacije 50–100 km ni redkost, tudi v dolini povezava pogosto deluje na 10–20 km. Idealno za pohodništvo, kolesarjenje ali uporabo na avstrijskih gorah!
Projekt 2: Samodejni CW-ključar s podporo za paddle
Pozor, ljubitelji telegrafije: Z ESP32 in nekaj dodatnimi komponentami si sestaviš polnovreden Iambic-ključar za CW. Projekt je odličen za začetnike v samoizgradnji, saj je vezje pregledno in programska oprema temelji na preizkušenih algoritmih. Končni morsejevi znaki lahko neposredno krmilijo oddajnik/sprejemnik ali se prek USB prenašajo na računalnik – praktično za tekmovanja ali za vadbo.
Obseg funkcij
- Iambic Mode A in B
- Nastavljiva hitrost (5–50 WPM) prek potenciometra ali rotacijskega enkoderja
- Generator stranskega tona z nastavljivo višino tona (400–1000 Hz)
- Pomnilnik za pogosta besedila (CQ, TEST, 73, lasten klicni znak)
- Beacon-način za samodejne oddaje
- Zaslon za prikaz trenutnih nastavitev
Za ključar potrebuješ poleg ESP32 (tu zadostuje ugoden DevKit za pribl. 4 EUR) dvojni paddle ali dva posamezna tipkalna stikala, majhen OLED-zaslon (0,96 palca, I2C, pribl. 3 EUR), rotacijski enkoder za nastavitev hitrosti (pribl. 2 EUR) in nekaj pasivnih komponent. Za stranski ton uporabiš bodisi vgrajeni DAC ESP32 ali majhen zvočnik/piezo-brenčač. Tranzistorska izhodna stopnja za preklapljanje oddajnika/sprejemnika mora biti optično ločena – preprost optosklopnikov modul (pribl. 1,50 EUR) povsem zadostuje.
Kot programska osnova je primerna firmware K3NG CW Keyer, ki je bila prvotno razvita za Arduino, vendar se jo brez težav prenese na ESP32. Alternativno obstajajo posebej za ESP32 optimirani projekti, kot je morserino-32 (odprtokodni), ki dodatno prinaša še CW-dekoder in funkcije za vadbo. Izvorna koda je na voljo na GitHub in je dobro dokumentirana – idealno za učenje in prilagajanje.
Projekt 3: Spletno krmiljen antenski rotator
Kdor ima vrtljivo usmerjeno anteno, pozna problem: klasični krmilnik rotatorja stoji običajno neposredno pri oddajniku/sprejemniku, kar je v večjih radijskih sobah lahko nepraktično. Z ESP32 se da realizirati WLAN-krmiljen krmilnik rotatorja, ki ga upravljaš prek pametnega telefona, tablice ali računalnika od kjerkoli v stanovanju. Posebej pametno: integracija s programsko opremo za tekmovalno beleženje, kot sta Ham Radio Deluxe ali N1MM Logger+, deluje prek protokola Yaesu-GS-232 po WLAN-u.
Strojna oprema je sestavljena iz ESP32, gonilnika koračnega motorja (npr. A4988 ali TMC2208, pribl. 5–8 EUR) za gladke premike, ustrezno dimenzioniranega koračnega motorja ali obstoječega rotatorskega motorja, absolutnega enkoderja ali potenciometra za prikaz smeri ter ustreznega napajanja (običajno 12 V). Mnogo komercialnih rotatorjev se da z odvzemom krmilnih vodov neposredno integrirati – potem potrebuješ le še vmesnik med ESP32 in elektroniko rotatorja.
ESP32 zagotavlja spletni strežnik, prek katerega vidiš trenutno smer antene (idealno na grafični kompasni roži) in vneseš nove smeri. Prek AJAX se prikaz posodablja v realnem času – takoj vidiš, kako se antena vrti. Dodatno lahko ESP32 prek TCP-porta govori protokol GS-232, tako da tvoja programska oprema za beleženje samodejno usmeri anteno na DX-postajo. To ni le udobno, ampak pri pile-upih prihrani dragocene sekunde.
Lepa funkcija za avstrijski trg: integracija DX-Cluster podatkov. ESP32 se lahko poveže z DX-Clusterjem, kot je DX Summit, in zanimive postaje samodejno prikaže na zemljevidu. Z enim klikom nato optimalno usmeriš anteno. Še posebej pri tekmovanjih ali DX-ekspedicijah prava pridobitev!
Projekt 4: Spektrski zaslon za SDR in klasične oddajnike/sprejemnike
Moderni oddajniki/sprejemniki imajo pogosto vgrajen spektrski zaslon, vendar mnoge starejše naprave ali SDR-ji za to uporabljajo računalniški zaslon. Z ESP32 in ustreznim TFT-zaslonom si sestaviš samostojen bandskop, ki ga postaviš neposredno ob oddajnik/sprejemnik. Zaslon neprekinjeno prikazuje VF-spekter v realnem času – tako na prvi pogled prepoznaš, kje je trenutno aktivnost.
Obstajajo različni pristopi: najenostavnejša varianta uporablja RTL-SDR-ključ (pribl. 25–30 EUR), ki je prek USB povezan z ESP32 – tu pa hitro naletimo na omejitve USB-Host zmogljivosti ESP32. Elegantnejša je uporaba namenskega Si5351-generatorja (pribl. 5 EUR) kot lokalnega oscilatorja in AD8307 logaritemskega ojačevalnika (pribl. 8 EUR) kot detektorja jakosti signala. ESP32 nato skenira želeni frekvenčni pas in meri jakost signala.
Kot zaslon je primeren 3,5-palčni TFT s krmilnikom ILI9486 ali ILI9488 (pribl. 10–15 EUR), ki se krmili prek SPI. Ločljivost 480×320 pikslov povsem zadostuje za pregleden spektrski zaslon. S knjižnico TFT_eSPI za Arduino rišeš spekter kot slap-diagram ali klasičen linijski prikaz. Hitrost osveževanja je odvisna od hitrosti skeniranja – z optimizirano kodo je mogoče doseči 5–10 prehodov na sekundo.
Za lastnike IC-7300, IC-705 ali podobnih Icom oddajnikov/sprejemnikov obstaja še elegantnejša rešitev: te naprave lahko prek CI-V vmesnika (UART z 19200 ali 115200 baud) oddajajo spektrske podatke. ESP32 te podatke preprosto sprejema serijsko in jih prikazuje na zaslonu – brez dodatne VF-strojne opreme. Ustrezen odprtokodni projekt z imenom IC-7300 Panadapter najdeš na GitHub.
Projekt 5: WSPR-Beacon za 10 metrov do 160 metrov
Z WSPR (Weak Signal Propagation Reporter) lahko raziskuješ širjenje na kratkovalovnih pasovih, tudi z minimalno oddajno močjo. ESP32-osnovan WSPR-beacon se hitro sestavi in samodejno oddaja WSPR-signal vsaki dve minuti. Tvoje oddaje sprejemajo postaje po vsem svetu in se beležijo na wsprnet.org – tako v realnem času vidiš, kam tvoj signal prispe.
Srce beacona je spet Si5351-sintetizator, ki generira natančne frekvence za WSPR. ESP32 generira WSPR-simbole po uradnem protokolu in ustrezno modulira Si5351. Kot antena zadostuje preprosta žična antena ali balunski transformator na obstoječo postajno anteno. Izhodna moč je približno 10 mW (10 dBm) – to je sicer malo, vendar za WSPR povsem dovolj. Z ojačevalnikom na osnovi SA612 ali BS170 lahko moč povečaš na 200–500 mW.
Pomembno za WSPR je časovna natančnost: oddaje se morajo začeti natančno ob sodih minutah (0, 2, 4, 6 sekund itd.). ESP32 se za to prek NTP (Network Time Protocol) po WLAN-u sinhronizira s časovnim strežnikom – natančnost je nekaj milisekund, kar za WSPR več kot zadostuje. GPS-modul (npr. NEO-6M, pribl. 8 EUR) ponuja kot alternativa še natančnejši čas in deluje tudi brez dostopa do interneta.
Firmware lahko napišeš sam (protokol WSPR je dobro dokumentiran) ali pa uporabiš obstoječe projekte, kot je ESP32-WSPRer. Poleg WSPR mnoge od teh firmwar podpirajo tudi druge načine šibkih signalov, kot sta JT9 ali FT8 – slednji je v Avstriji še posebej priljubljen pri OE3-postajah. Vendar pozor: za FT8 potrebuješ več oddajne moči (vsaj 1–5 W), saj občutljivost ni povsem tako visoka kot pri WSPR.
Projekt 6: Večpasovno SWR-merilno sredstvo z zaslonom na dotik
Natančno SWR-merilno sredstvo spada v osnovno opremo vsake postaje. Z ESP32, nekaj VF-senzorji in zaslonom na dotik si sestaviš digitalno merilno napravo, ki ne prikazuje le SWR, ampak tudi izračuna naprej in nazaj usmerjeno moč, PEP-moč ter impedanco antene. Zahvaljujoč zaslonu se vrednosti pregledno prikazujejo, prek upravljanja na dotik pa se prikličejo različni načini.
Kot senzor je primeren komercialni Tandem-Match ali samoizdelani usmerjevalni sklopnik z Schottky-diodami za usmerjanje. Napetosti se odčitavajo prek ADC-jev ESP32 – za boljšo natančnost se priporoča zunanji 16-bitni ADC, kot je ADS1115 (pribl. 5 EUR). Kalibracija se izvede z znanimi zaključki (50 Ω, kratek stik, odprt konec) in se shrani v flash pomnilnik.
Zaslon na dotik (npr. 2,8-palčni ILI9341 z uporovnim dotikom, pribl. 12 EUR) prikazuje meritve v realnem času. S pritiskom prsta preklapljaš med različnimi pogledi: numerični prikaz, stolpični diagram, Smithov diagram ali trend-grafikon. Posebej praktična je funkcija Peak-Hold, ki shrani najvišjo vrednost – tako pri uglaševanju antene takoj vidiš, ali se je SWR izboljšal.
Za napredne uporabnike se ponuja WLAN-integracija: ESP32 pošilja meritve prek UDP ali MQTT v programsko opremo za beleženje ali v Grafana za grafično analizo. Tako lahko spremljaš dolgoročne trende ali samodejno sproži alarm, ko SWR preseže kritično vrednost. Še posebej pri oddaljenih postajah ali QRP-prenosnem obratovanju uporabna funkcija.
Projekt 7: Avdio-snemalnik in analizator za tekmovanja
Pri tekmovanjih je včasih koristno snemati sprejete avdio-signale – bodisi za kasnejšo analizo, za zavarovanje dokazov pri spornih QSO-jih ali preprosto za naknadno obdelavo klicnih znakov. ESP32 se s svojo dvoje-jedrno arhitekturo odlično obnese pri tej nalogi: eno jedro skrbi za avdio-snemanje, drugo za shranjevanje na SD-kartico.
Za snemanje uporabiš I2S-mikrofonski modul, kot je INMP441 (pribl. 3 EUR), ali I2S-avdio-kodek, kot je MAX98357A (pribl. 4 EUR), ki ga priključiš na linijski izhod oddajnika/sprejemnika. ESP32 snema signal z do 44,1 kHz in 16-bitno ločljivostjo ter ga shranjuje kot WAV- ali MP3-datoteko na microSD-kartico. Pri MP3-kompresiji (prek knjižnice libhelix) se ure tekmovalnega obratovanja shranijo na 32 GB kartico.
Poleg čistega snemanja lahko ESP32 izvaja tudi analize v živo: s knjižnico FFT izvedeš frekvenčno analizo v realnem času in prikažeš avdio-spekter na OLED-zaslonu. To pomaga pri optimiziranju AF-filtrov ali pri odkrivanju motenj. Vgrajeni CW-dekoder (na osnovi Goertzelovega algoritma) samodejno prepozna morsejeve znake – praktično za tekmovanja v mešanih načinih.
Lepa dodatna funkcija je PTT-zaznava: prek GPIO-pina ESP32 zazna, kdaj oddajaš, in samodejno zaustavi snemanje. Tako ostanejo posnetki pregledni in prihraniš prostor za shranjevanje. Po tekmovanju naloži datoteke prek WLAN-a na računalnik ali jih neposredno pretakaš v oblak – idealno za večoperaterske postaje, kjer več operaterjev potrebuje dostop do posnetkov.
Projekt 8: Krmilnik oddaljenega uglaševalnika z motornim krmiljenjem
Samodejni antenski uglaševalniki so praktični, vendar pogosto dragi – in uglaševanje poteka prek relejev, kar pri pogostih menjavah pasov vodi do obrabe. Z ESP32 in koračnimi motorji realiziraš motorno gnan antenski uglaševalnik, ki uglašuje gladko in natančno. Upravljanje poteka prek spletnega vmesnika ali aplikacije na pametnem telefonu.
Mehanika je sestavljena iz dveh vrtljivih kondenzatorjev (ali varikapov za sodobne rešitve) in preklopne tuljave. Koračni motorji (npr. 28BYJ-48 z gonilno ploščo ULN2003, pribl. 3 EUR na komplet) vrtijo kondenzatorje na pravi položaj. ESP32 meri prek ADC SWR (prek predhodnega usmerjevalnega sklopnika) in samodejno optimizira nastavitev uglaševalnika – klasični PID-regulator v nekaj sekundah najde minimum.
Posebej pametno: ESP32 za vsako frekvenco shrani optimalne nastavitve uglaševalnika v podatkovno bazo. Ob naslednji menjavi pasu takoj pride na shranjeni položaj – fina nastavitev traja nato le še delček sekunde. Pri sodobnih oddajnikih/sprejemnikih z CAT-vmesnikom (npr. prek CI-V ali Kenwood-protokola) ESP32 samodejno odčita trenutno frekvenco in izbere ustrezne nastavitve.
WLAN-povezava omogoča oddaljeno upravljanje: uglaševalnik krmiliš iz programske opreme za beleženje ali prek aplikacije na pametnem telefonu. To je še posebej pomembno pri oddaljenih postajah, kjer uglaševalnik stoji zunaj pri anteni. Opcijsko baterijsko varnostno vezje (LiPo-akumulator + regulator polnjenja, pribl. 10 EUR) zagotavlja, da ESP32 tudi ob izpadu napajanja ohrani shranjene položaje.
Projekt 9: Sistem za sledenje satelitom s samodejno korekcijo Dopplerjevega pojava
Radioamaterstvo prek satelitov je fascinantno, vendar je ročno sledenje frekvence in antene zahtevno. ESP32-osnovan sistem za sledenje v realnem času izračuna tirnico satelita, prikaže optimalno smer antene in samodejno korigira Dopplerjev premik. Še posebej za začetnike v satelitskem radioamaterstvu ogromna olajšava.
Sistem je sestavljen iz ESP32, GPS-modula za določanje lokacije (pomembno za natančen izračun tirnice) in opcijsko zaslona za prikaz. TLE-podatke satelitov (Two-Line Elements) ESP32 prek WLAN-a prenese s celestrak.org in jih shrani lokalno. Knjižnica SGP4 (na voljo za Arduino) iz njih izračuna položaj in hitrost satelita glede na lokacijo.
Za korekcijo Dopplerjevega pojava ESP32 krmili tvoj oddajnik/sprejemnik prek CAT-vmesnika: pri približevanju se frekvenca korigira navzgor, pri oddaljevanju navzdol. Korekcija poteka neprekinjeno med preletom – praktično ne opaziš ničesar, nasprotna postaja pa te sliši konstantno na pravi frekvenci. To deluje z vsemi običajnimi oddajniki/sprejemniki, ki podpirajo Icom CI-V, Yaesu CAT ali Kenwood-protokol.
Dodatna funkcija je napovedovanje preletov: ESP32 vnaprej izračuna, kdaj bo kateri satelit v vidnem polju, kolikšen je največji elevacijski kot in ali vidljivost zadostuje za QSO. Te podatke prikaže na zaslonu ali jih pošlje prek MQTT na Home Assistant, ki te nato prek potisnega obvestila na pametnem telefonu obvesti. Za priljubljene satelite, kot so AO-91, AO-92 ali ISS, prava dodana vrednost.
Projekt 10: Integracija pametnega doma za radijsko postajo
Integrirati radijsko postajo v pametni dom? Z ESP32 in protokolom MQTT postane tvoj shack povezano delovno okolje. ESP32 deluje kot centralni vmesnik med radijsko tehnologijo in hišno avtomatizacijo – bodisi z Home Assistant, ioBroker ali drugim sistemom pametnega doma.
V najpreprostejšem primeru ESP32 nadzoruje stanje postaje: ali je oddajnik vključen? Na katerem pasu se trenutno dela? Ali se oddaja ali sprejema? Podatke bere iz oddajnika prek CAT vmesnika in jih objavlja prek MQTT. V Home Assistant lahko nato sestaviš avtomatizacije: ko je PTT aktiven, zatemnite luč v shacku. Ko je oddajnik na 2m, vklopite predojačevalnik. Po QRT po 22. uri parkirajte rotor.
Posebej uporabna je integracija senzorjev: BME280 (ca. 4 EUR) meri temperaturo, vlažnost in zračni tlak v shacku – pomembno, ko je postaja v neogrevanem prostoru ali na podstrešju. Modul INA219 (ca. 3 EUR) nadzoruje napetost in porabo toka 13,8-V napajanja. Prek MQTT vse vrednosti pristanejo v Grafana ali Home Assistant nadzorni plošči – tudi ko nisi doma.
Za oddaljene postaje postane res zanimivo: ESP32 prek relejnega modula (4- ali 8-kanalni, ca. 5 EUR) krmili napajanje posameznih naprav – oddajnik, ojačevalnik, rotor, predojačevalnik. Postajo lahko zaženeš prek pametnega telefona, delaš in vse ugasneš. Opcijski watchdog časovnik ugasne vse, če WiFi povezava odpade za več kot 10 minut – varnost je na prvem mestu.
Še en primer uporabe: obvestila. ESP32 nadzoruje DX cluster prek Telneta in filtrira po želenih DXCC entitetah ali pasovih. Ko se pojavi iskan DX, pošlje push obvestilo na pametni telefon – ni ti treba več stalno spremljati clusterja. V kombinaciji s krmiljenjem antene iz Projekta 3 obrne beam v pravo smer.
Stroški za ta projekt so pregledno nizki: ESP32 (6 EUR) + relejni modul (5 EUR) + BME280 (4 EUR) + INA219 (3 EUR) + drobni material in ohišje (ca. 10 EUR) = pod 30 EUR za popolno avtomatizacijo shacka. Programska oprema temelji na ESPHome – odprtokodnem ogrodju, razvitem posebej za ESP32 in Home Assistant, ki ne zahteva programerskega znanja. Konfiguracija poteka prek YAML datoteke.
Zaključek
ESP32 se je uveljavil kot vsestranski gradnik za radioamaterske projekte. Od preprostega krmiljenja CW ključa do kompleksnega sistema za sledenje satelitom – kombinacija računske moči, WiFi, Bluetooth in številnih vmesnikov naredi ta mikrokontroler idealno platformo za makerje v radioamaterstvu. Stroški na projekt so običajno pod 50 EUR, in zahvaljujoč veliki skupnosti Arduino in ESP-IDF boste za skoraj vsak problem našli rešitev.
Vse predstavljene projekte je mogoče modularno razširiti in kombinirati. In najboljše: ne potrebujete inženirske diplome – osnovno znanje programiranja Arduino in malo spretnosti s spajkalnikom zadoščata za začetek. Torej: spajkalnik prižgite in 73!
Obvestilo o preglednosti
Ta članek je bil raziskan in napisan s podporo umetne inteligence (Claude, Anthropic). Uredništvo je vse vsebine preverilo in uredniško obdelalo. Kljub skrbnemu preverjanju so mogoče posamezne netočnosti — z veseljem sprejemamo opozorila in popravke po e-pošti na [email protected].
