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Arduino 5Watt Ultra Long Range Wireless Amplifier - Endstufe CC1101
Funk
17.09.2018

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Arduino Datenübertragung über Kilometer

Zu diesem Experiment gibt es auch ein Video auf Youtube: Arduino mit CC1101 und 5 Watt Endstufe


Drahtlose Datenübertragung ist ein sehr gefragtes Thema bei den Mikrocontrollern. Auf den Markt gibt es sehr viele Funkmodule, die hauptsächlich im ISM Bereich auf 2.4 Ghz oder 433 Mhz arbeiten. Neben der Punkt-zu-Punkt Übertragung wird in den letzten Jahren auch vermehrt auf die W-LAN und Bluetooth Technologie zurückgegriffen. In diesem Artikel berichten wir über einen Versuch, wo wir Daten zwischen zwei Arduino Boards auf einer Distanz von mehreren Kilometern übertragen. Zusätzlich werden wir hier die Testergebnisse veröffentlichen.


Frequenz, Sendeleistung & Antennen

Je nach Einsatzgebiet gibt es verschiedene Optionen und Kombinationen von Frequenz, Leistung und Antennen. Im Nahbereich spielt die Frequenz eher eine untergeordnete Rolle. In diesem Bereich wird heutzutage meist 2.4 Ghz verwendet. Bei den herkömmlichen Modulen ist eine Reichweite von weniger als 150 Meter zu erwarten. Wenn die Module einen Antennenanschluss haben, können die Rundstrahler Antennen durch Richtantennen ersetzt werden. Die Richtantennen müssen jedoch so aufeinander eingerichtet sein, dass diese sich gegenseitig sehen können. Mit Richtantennen können auf 2.4 Ghz Reichweiten von mehreren Kilometern erreicht werden, allerdings müssen die Antennen dann einen hohen Gewinn haben und sehr genau eingerichtet sein. Die Sendeleistung liegt hier bei maximal 100 mW. Bei 433 MHz hat man im Gegensatz zu 2.4 GHz deutlich mehr Reflexionen, und dadurch bessere Reichweiten, wenn man z. B. vom Außenbereich in den Innenbereich sendet. Befindet sich eine Antenne mit rund strahlenden Charakter einem hohen Gebäude, so kann man mit einer 70 cm Frequenz in einer Stadt auch die umliegenden Seitengassen gut versorgen. Terrestrische Radio und TV Sender befinden sich deshalb oberhalb von Gebäuden und sind so in der gesamten Stadt oder Ortschaft gut zu empfangen. Meist wird nur eine Sendeanlage benötigt und die Frequenz ist unter 800 MHz. Anders ist es dann beispielsweise wieder bei Mobilfunknetzen aus, die den Gigahertz Frequenzbereich verwenden. Hier befinden sich die Sendestationen oft nur wenige Hundert Meter voneinander entfernt. Unser Experiment wird deshalb mit 433 MHz betrieben. Weiters wird eine Endstufe verwendet, die eine Sendeleistung von 5 Watt hat.


Arduino Wireless Ultra Long Range Data Transmission Diagramm - Arduino Funk mit sehr großer Reichweite

Aufbau des Senders

Grundsätzlich ist der Aufbau gleich wie beim Empfänger, jedoch hat der Sender noch eine Endstufe, die die Signale beim Senden verstärkt. Als Erstes haben wir ein Arduino Nano Board, dass Testdaten generiert und den Transceiver steuert. Der Transceiver ist ein CC1101 Funkmodul, dass über die SPI-Schnittstelle gesteuert wird. Das Modul funktioniert daher mit allen Mikroncontrollern oder Kleincomputern wie z. B. dem Raspberry Pi. Das Modul hat eine Sendeleistung von 100 mW und kann so auch von jedem und ohne Lizenz verwendet werden. Zwischen dem Modul und der Antenne haben wir eine Endstufe angeschlossen, die die Sendeleistung auf bis zu 8 Watt erhöhen kann. Achtung: Die Verwendung solcher Endstufen ist nur lizenzierten Funkamateuren für experimentelle Testzwecke gestattet! Nach der Endstufe wird eine Antenne angeschlossen, die vom Charakter her rund-strahlend ist und für 70 cm resonant ist. Das Arduino Board sendet jede Sekunde ein Funksignal, wo die Anzahl der Sendeversuche seit dem Start vom Board mitgezählt und übertragen werden.


Aufbau des Empfängers

Der Empfänger ist wieder ein Arduino Nano, der die empfangenen Daten auswertet und über die serielle Schnittstelle ausgibt. Neben der mitgelieferten Antenne wird hier eine etwas größere Antenne verwendet, um auch empfangsseitig einen Gewinn zu erzielen. Eine Endstufe wird nicht benötigt. Für den Test haben wir ein Smartphone angeschlossen, dass die Daten von Arduino Board über einen USB-OTG Adapter empfängt und anzeigt.


Arduino CC1101 Range Test - 5Watt UHF Amplifier

Wetterfester Aufbau

Um das Projekt im Außenbereich über längere Zeit betreiben zu können, muss das Gehäuse wetterfest sein. Dafür wurde eine Aufputz Verteilerbox aus gehärtetem Kunststoff verwendet. In dieser Box befindet sich die Endstufe, die über einen Step-Up Konverter mit 7.2 Volt betrieben wird. Weiters befindet sich ein Arduino Nano und das CC1101 Funkmodul in der Box. Für das Experiment wird noch ein Akkupack mit zwei USB-Anschlüssen verwendet, der die gesamte Elektronik in der Box versorgt. Für den Dauerbetrieb könnte man die Stromversorgung auf eine kleine Photovoltaik-Anlage umbauen.


Die Endstufe im Detail

Die Endstufe ist bei vielen online Shops in China erhältlich und deckt das gesamte 70 cm Amateurfunkband ab. Die Leistung der Endstufe ist mit der Spannung regelbar. Bei 5 Volt liegt die Sendeleistung laut Herstellerangaben bei 2.5 Watt. Das absolute Maximum der Betriebsspannung beträgt 10 Volt bei einer Leistung von 8 Watt. Mit einem Spannungsregler wird die Versorgungsspannung auf 7.2 Volt eingestellt, wodurch eine Sendeleistung von 5 Watt erreicht wird. Mit dieser Spannung kann die Endstufe im Dauerbetrieb verwendet werden und die Temperatur von Kühlkörper bleibt leicht warm. Das Eingangssignal hat ungefähr 10 mW, was für die Verstärkung ausreichend ist.


Reichweitentest

Der Sender wurde auf einem Berg installiert, der ungefähr 300 Meter höher ist, als die Standorte für den Empfängertest. Der Sender befindet sich nicht auf einem Gipfel mit über 2000 Meter, denn dann würde das Signal zwar in der Höhe sehr weit strahlen, aber ins Tal weniger gut abstrahlen. Der Grund liegt u. a. an der Antenne, da diese omnidirektional strahlt und nur gering vertikal abstrahlt. Deshalb ist die Verwendung von omnidirektionalen Antennen in großer höhe nicht immer die beste Wahl.

Der Test wurde mit einer Magnetfußantenne am Dach eines Autos durchgeführt. In unmittelbarer Nähe (weniger als 2 Kilometer) wurde das Signal nahezu unterbrechungsfrei empfangen. Schwieriger wurde es hingegen im stätischen Bereich auf ungefähre 6 Kilometer Entfernung. Das Signal wurde zwar immer wieder empfangen, jedoch war die Signalqualität relativ schlecht. Als wir mit dem Fahrzeug die Stadt wieder verlassen haben, haben wir in etwa 11 Kilometer Luftlinie das Signal wieder gut empfangen können. Die weiteste getestete Distanz betrug 16 Kilometer auf freier Sicht mit Rundstahlantennen. Aufgrund der Gegebenheiten vom Testgebiet konnten wir keine weiteren Distanzen testen. Mit entsprechenden Antennen sind aber Reichweiten von mehr als 50 Kilometer sicherlich möglich.


Verwendete Komponenten:


Wie das CC1101 Modul funktioniert, wird in diesem Beitrag erklärt.


Hinweis: Das in diesem Artikel vorgestellte Projekt kann bei falscher Anwendung Störungen bei Funkanlagen im 433MHz ISM Bereich verursachen. Der Nachbau bzw. Betrieb von diesem Experiment erfordert grundsätzlich eine Betriebsgenehmigung bzw. Amateurfunk Lizenz.


Von Alex @ AEQ-WEB 131