MODULO 170 MHz E32-170T30D


Prima di iniziare la descrizione della sperimentazione con questo modulo vorrei mettere in guardia i lettori che non in tutti i paesi del mondo questa frequenza è libera, in Italia, ad esempio, 170 MHz risiedono nella banda che va da 169.8 MHz a 170.1125 MHz che viene gestita dal MISE e utilizzata dai servizi di emergenza e dal soccorso alpino. Consiglio a chi risiede in  paesi dove questa frequenza non è libera di effettuare prove sperimentali  non durature e di non andare oltre i 2.4K Air data rate per non eccedere troppo in larghezza di banda.

La prova che ho voluto effettuare è di paragone tra questo modulo e il E32-433T30D presentato qui, i due moduli sono meccanicamente identici, pin - software compatibili, erogano la stessa potenza e presentano gli stessi parametri di default a parte la frequenza:

E32-433T30D
FREQUENZA: 433MHz

INDIRIZZO: 00H
BIT DI PARITA': 8N1
BOUD RATE SERIALE: 9600
AIR DATA RATE:  2.4Kbps
POTENZA: 30dBm (1W)

E32-170T30D
FREQUENZA: 170MHz

INDIRIZZO: 00H
BIT DI PARITA': 8N1
BOUD RATE SERIALE: 9600
AIR DATA RATE:  2.4Kbps
POTENZA: 30dBm (1W)

Si prestano quindi bene per fare un paragone legato al solo cambio di frequenza, in particolare ho voluto toccare con mano quanto è influente l'area efficace e la capacità di penetrazione (entrambi proporzionali alla lunghezza d'onda) verificando la massima distanza raggiungibile in ambiente urbano prima con uno e poi con l'altro modulo.

Per le prove ho dotato il modulo mobile di un pulsante, un led e un buzzer e quello fisso di un led e un buzzer.
Quando si preme il pulsante il modulo mobile (in RX continuo in "void loop") commuta in TX e  invia un  dato (di valore 1) al modulo fisso, subito dopo si rimette in ascolto in attesa di eventuali messaggi in arrivo,  il modulo fisso,  ricevuto il dato e assicuratosi che è di valore 1, risponde trasmettendo un dato sempre di valore 1, subito dopo illumina il suo led e fa suonare il suo buzzer per 500mS. Finito questo ciclo torna in ascolto. Il modulo mobile ricevuta la risposta controlla se il dato ricevuto è di valore 1 e se affermativo illumina il suo led e fa suonare il suo buzzer per 500mS e il ciclo si ripete premendo di nuovo il pulsante.


Conoscendo già le capacità eccellenti del modulo a 433 MHz di raggiungere notevoli distanze per evitare di fare tanti chilometri a piedi per effettuare questa prova ho sistemato l'antenna in casa (dove era collegato il modulo fisso) in modo che il segnale risultasse molto attenuato sia in ricezione che in trasmissione. Poi con il modulo mobile sono andato in giro per il quartiere per verificare la distanza raggiunta, attenzione l'antenna dei 170 MHz è lunga 83 cm quindi state attenti a non ficcarla negli occhi dei passanti (che non si fanno mai i cazzi loro) se volete effettuare le stesse prove.
Unica scocciatura è che mi è toccato sostituire il modulo per passare da una frequenza ad un'altra, operazione comunque abbastanza semplice dato che per toglierlo basta svitare il dado dell' SMA e sfilare il connettore femmina a pettine e fare l'operazione inversa per montare l'altro. Vedi foto sotto:



Ovviamente, cambiando frequenza, vanno anche cambiate le lunghezze delle antenne, operazione anche questa semplice perché esse sono costituita da stili telescopici (sia la ground plane a casa che quella sul mobile).
Qui sotto i risultati in KM raggiunti:

A 433 MHz:
450 metri

A 170 MHz:
700 metri

Notevole differenza, tenete conto che la zona dove abito io è fitta di palazzoni (qualcuno in cemento armato) e che l'antenna del fisso era in casa.
Dato che ero in ballo ho ballato ulteriormente e ho eseguito la prova di collegamento in campo aperto ripetendo quella fatta per il modulo a 433 MHZ tra Passoscuro e Ladispoli. (vedi qui), I risultati sotto:

A 433 MHz:
7.3 Km

A 170 MHz:
8.1 Km (addirittura superiore a quella dichiarata dal costruttore dei moduli che è di 8 Km)

SOFTWARE MODULO MOBILE



Nella foto precedente è visualizzato il mobile con su montato il modulo a 170 MHz (notare la lunghezza dell'antenna).

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial loraSerial(3, 2);
int input;
void setup()
{
  pinMode(6, INPUT_PULLUP);
  pinMode(4, OUTPUT);
  pinMode(5, OUTPUT);
  loraSerial.begin(9600);
  digitalWrite(4, HIGH);
  digitalWrite(5, HIGH);
  delay(500);           
  digitalWrite(4, LOW);
  digitalWrite(5, LOW);
  loraSerial.write(1);
}
void loop()

  if(digitalRead(6) == 0)
  {
     loraSerial.write(1);
     while(digitalRead(6) == 0);
     delay(300);
  }  
  if(loraSerial.available() > 1)
  {
    input = loraSerial.read(); 
    if(input == 1)
    {
        digitalWrite(4, HIGH);
        digitalWrite(5, HIGH);
        delay(100);
        digitalWrite(4, LOW);
        digitalWrite(5, LOW);
     }
     loraSerial.flush();
  }
}


#include <SoftwareSerial.h>
Include la libreria SoftwareSerial.h


SoftwareSerial loraSerial(3, 2);
Crea l'oggetto "lora" (potete mettere qualsiasi nome a vostro piacimento per l'oggetto).
Il primo numero nella parentesi (3) indica il pin di Arduino che riceverà i dati seriali (dal modulo), mentre il secondo numero (2) indica il pin di Arduino che trasmetterà i dati seriali (verso il modulo)


int input;
Crea una variabile "input" di tipo intero


pinMode(6, INPUT_PULLUP);
pinMode(4, OUTPUT);
pinMode(5, OUTPUT);

Imposta il pin 6 di Arduino come ingresso con pullup (pulsante)
Imposta il pin 4 di Arduino come uscita (led)
Imposta il pin 5 di Arduino come uscita (buzzer)

loraSerial.begin(9600);

Imposta la comunicazione seriale a 9600 boud


digitalWrite(4, HIGH);
digitalWrite(5, HIGH);
delay(500);           
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(5, LOW);

Sequenza per accendere e far suonare il buzzer per 500 mS

loraSerial.write(1);

Invia il primo dato (valore 1) al ricevitore. Se quest'ultimo è acceso suona il suo buzzer e si illumina il suo led. E' un semplice controllo di funzionamento del sistema all'accensione.


if(digitalRead(6) == 0)
  {
     loraSerial.write(1);
     while(digitalRead(6) == 0);
     delay(300);
  }  

Se il pulsante viene premuto il mobile invia il dato di valore 1 tramite la funzione loraSerial.write(1);.
Con while(digitalRead(6) == 0); il programma attende che il pulsante sia rilasciato.
Al rilascio del pulsante il programma attende ancora 300 mS per proseguire (questo tempo ha la funzione di anti rimbalzo del pulsante).


if(loraSerial.available() > 1)
  {
    input = loraSerial.read(); 
    if(input == 1)
    {
        digitalWrite(4, HIGH);
        digitalWrite(5, HIGH);
        delay(100);
        digitalWrite(4, LOW);
        digitalWrite(5, LOW);
    }
     loraSerial.flush();
  }
Se è disponibile un dato (spedito in risposta dal fisso) viene eseguito il corpo della "if". L'istruzione input = loraSerial.read(); salva nella variabile "input" il valore letto.
La "if" successiva confronta il valore contenuto nella variabile "input", se è 1 esegue il suo corpo dove ci sono le istruzioni per fare illuminare il led e suonare il buzzer per 100 mS.
La funzione  loraSerial.flush(); serve per svuotare il buffer della ricezione (è opzionale).


SOFTWARE MODULO FISSO



Nella foto precedente è visualizzato il fisso, il progetto dell'antenna lo trovate qui.

#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial loraSerial(3, 2);
int input;
void setup()
{
  pinMode(4, OUTPUT);
  pinMode(5, OUTPUT);
  loraSerial.begin(9600);
  digitalWrite(4, HIGH);
  digitalWrite(5, HIGH);
  delay(500);           
  digitalWrite(4, LOW);
  digitalWrite(5, LOW);   
}
void loop()
{
  if(loraSerial.available() > 1)
  {
    input = loraSerial.read(); 
    if(input == 1)
    {
        loraSerial.write(1);  
        digitalWrite(4, HIGH);
        digitalWrite(5, HIGH);
        delay(500);
        digitalWrite(4, LOW);
        digitalWrite(5, LOW);            
    }
   loraSerial.flush();
  }
}
Il programma del modulo fisso è simile a quello del mobile con le seguenti differenze:
non ha la parte delle istruzioni relative alla gestione del pulsante
il tempo ON del led e del buzzer dura un po' di più (500mS).

COLLEGAMENTI



ANTENNE

L'unica antenna che ha bisogno di un piccolo accordatore è quella dei 170 MHz montata sul mobile, alla groud plane  basta regolare gli stili a queste misura:

PER I 433 MHz:
Centrale = 16.5 cm
Radiali = 15 cm (ai radiali va considerata la superfice offerta dal pannello metallico)

PER I 170 MHz:
Centrale = 42 cm
Radiali = 44 cm (ai radiali va considerata la superfice offerta dal pannello metallico)

Per l'antenna del mobile a 433 MHz è sufficiente  portare la lunghezza dello stilo a 16.5 cm e avvitarlo all'SMA direttamente (il piccolo l'accordatore a questa frequenza non serve).

C'è stato un lettore delle mie precedenti pagine (sempre relative ai moduli RF) che mi ha scritto che oltre ad elencare  tutte le sequenze di misura dell'impedenza dell'antenna sarebbe stato utile fornire le procedure per progettare l'accordatore  usando software o applicazioni gratis. Ok, farò così.

Per avere un minimo di piano di massa ho messo nella scatolina (porta saponetta) che conterrà l'elettronica del mobile una basetta di rame, vedi figura sotto:



Il modulo andrà  messo così:



Per la misura della impedenza dell'antenna ho usato il NanoVna, i collegamenti sono rappresentati nella seguente figura:



Con l'antenna tutta estratta la misura tra l'apice di quest'ultima e la base ramata è 83 cm, circa  metà lunghezza d'onda a 170 MHz. Importantissimo avvolgere il cavo coassiale attorno un adatto toroide in ferrite, questo evita che lo stilo veda come piano di massa, oltre che la basetta ramata, anche tutte le parti conduttive del NanoVna, se non ci fosse il toroide  le misure risulterebbero falsate. Ho usato un toroide materiale 68.

La misura letta è raffigurata nella seguente immagine, nel diagramma di Smith il luogo dell'impedenza dell'antenna si trova dove è posizionato il piccolo triangolo giallo:



L'impedenza presentata da questa antenna è composta da una parte resistiva:

200 ohm

e una parte capacitiva:

6.6 pF

Occorre trasformare la capacità in reattanza capacitiva, per fare questo  personalmente uso una calcolatrice on line che si trova a questo indirizzo:

https://www.endmemo.com/physics/reactance.php

Nel menù a tendina scegliete pF per la capacità e MHz per la frequenza e premete "Calculate". Sotto la voce "Capacitive Reactance" apparirà il valore della reattanza come nella seguente figura:


Quindi l'impedenza dell'antenna è:

Z = 200 - j142 ohm (ricordarsi che la reattanza capacitiva è sempre negativa)

Questa antenna va accordata, in teoria dovrebbe presentare una impedenza di 50 + j0 ohm, quindi bisogna inserire un accordatore, per calcolarne i componenti reattivi personalmente uso l'applicazione " Smith Chart Calc". Vedi foto sotto:



Installate l'applicazione sul telefono (Android) e apritela, Nella schermata principale cliccate sulla icona come in figura:



Apparirà la seguente schermata, immettete il valore della impedenza e della frequenza  nei campi cerchiati in rosso (ricordatevi di inserire il meno davanti al valore della reattanza capacitiva). 



Una volta inseriti i valori cliccate sulla freccetta a sinistra di "Design Details", apparirà la seguente schermata:



In alto c'è il resoconto, in ordine; impedenza dell'antenna in partenza (start), impedenza voluta (target), impedenza ottenuta (final), ovviamente quest'ultima  è dello stesso valore di quello in partenza dato che ancora non abbiamo inserito alcun componente reattivo. L'impedenza dell'antenna risiede sul punto A (che è nella stessa posizione di quello visualizzato dal  NanoVna), dobbiamo inserire tra l'antenna e il modulo dei componenti reattivi affinché il punto A si sposti in B (centro del cerchio).
Cliccare sul "+" (vedi figura sopra), apparirà la seguente schermata:

Se avete dimestichezza con il diagramma di  Smith non dovreste avere difficoltà ad inserire il giusto componente reattivo nella modalità giusta (in serie o in parallelo), se invece non siete esperti potete andare a caso.
Ci sono infiniti percorsi  per collegare il punto A al punto B con diverse combinazioni LC serie parallelo, per questo adattatore conviene usare il minimo numero di elementi reattivi per non complicare la realizzazione finale.
Inserisco uno "Shunt Capacitor", una volta inserito il condensatore  apparirà una piccola curva di color rosso partente dal punto A, aumentate il valore del condensatore fino a far toccare la estremità della curva con il cerchio nero passante per il centro (punto D), vedi figura sotto:


Cliccate di nuovo sul simbolo "+" e aggiungete "serie Inductor",  come prima aumentate il valore dell'induttore fino a portare il punto D in B. Vedi figura sotto:



In alto è riportato lo schema elettrico, ovvero  un condensatore ai capi dell'antenna e un induttore in serie tra il polo caldo dell'antenna e quello del connettore SMA del modulo, il valore finale non è uguale al target ma dovete sapere che il programma lavora con incrementi e decrementi dei valori con step abbastanza larghi, comunque questo non ha importanza in fase di collaudo dato che al posto del condensatore fisso verrà messo un compensatore e il valore della induttanza  potrà essere diminuito allungando la bobina o aumentato aggiungendo spire.

La nostra rete dell'accordatore è composta da un condensatore da 4.8 pF che sostituiremo con un compensatore BLU (1.5 - 10 pF) e un induttore da 102 nH. Per determinare le spire dell'induttore per quel valore di induttanza  io uso l'applicazione "Coil32", vedi figura sotto:



Scaricare e installare l'applicazione sul telefono, la schermata principale è rappresentata nella seguente figura:



Cliccate sul testo cerchiato di bianco e apparirà la seguente schermata:



Inserire in ordine:
L = il valore di induttanza desiderato
D = il diametro del supporto
d = il diametro del filo
K = lo inserisce automaticamente l'applicazione, questo valore tiene conto dello spazio preso dalla sottile pellicola di smalto che ricopre il filo
f = frequenza

cliccate poi su "CALCOLA",  apparirà la schermata seguente:


Appaiono diverse informazioni sotto "Risultato", a noi interessa solo in "Numero delle spire" (7) e la "Lunghezza del filo senza terminazioni" ( 8 cm), io normalmente aggiungo 3 cm di terminazioni. Nella foto seguente il cacciavite che ho usato per avvolgere le spire:



Nella foto seguente l'accordatore completo:



Per finire nella foto seguente la misura dell'impedenza e dell'SWR fatta con NanoVna:



L'antenna è adattata (perdendoci un po' di tempo si potrebbe adattare anche meglio),  un consiglio; per regolare il compensatore usate un cacciavite in plastica e tenetevi il più lontano dall'antenna.

Software

Fabio