Come realizzare un radiofaro, o “beacon”

Oggi è possibile divertirsi con razzimodelli, droni, palloni ad elio, e perfino avere una telecamera a bordo che trasmette via radio immagini, ricevute e visualizzate in occhiali, come se fossimo sul mezzo. Ma questi hobby possono essere rischiosi, a volte perdiamo o facciamo schiantare il velivolo e purtroppo ciò può avvenire lontano, in un luogo sconosciuto. Quindi la domanda è: come possiamo trovarlo facilmente?  Per risolvere questo problema, esistono diverse soluzioni. La più semplice è mettere a bordo un radiofaro, o “beacon”, che trasmette via radio un impulso il quale ci indica la direzione in cui dirigerci.

Incorporare un GPS su un razzo, un pallone o altro velivolo per trasmettere autonomamente la posizione alla stazione di terra è probabilmente una buona soluzione, ma richiede alcuni componenti elettronici piuttosto complessi: la scheda GPS, un microcontrollore per decodificare i dati e un trasmettitore radio. Inoltre, è necessario un altro dispositivo GPS per ottenere la posizione corrente e determinare la posizione relativa del velivolo. Si tratta quindi di una soluzione costosa e ingombrante.

Sebbene la soluzione con il GPS sia in alcuni casi buona, volevamo proporvi la soluzione più semplice con i seguenti vincoli: economica (no GPS); piccola; con lunga autonomia (può incorporare una propria batteria);  affidabile (la scheda può essere protetta da una scatola); portata sufficientemente lunga. Un sistema del genere è composto da 2 unità: un trasmettitore e un ricevitore. Il trasmettitore invia segnali via radio e il ricevitore lo rivela. Un’antenna direzionale ci fornisce la direzione del trasmettitore.

Un modulo commerciale generatore di segnali che puoi usare per il tuo radiofaro (ne trovi vari qui). Puoi trovare invece dei beacon Bluetooth per piccole distanze qui.

Nel nostro Paese, esistono delle  bande non licenziate a uso collettivo per le quali il Codice delle comunicazioni elettroniche (Dlgs 259/03) può prevedere o la necessità di “autorizzazione generale” di tipo privato (art. 104) o il “libero uso” (art. 105). Entrando più nello specifico, in Italia rientrano nella necessità di autorizzazione Rlan e Hyperlan (2,4 e 5 Ghz) al di fuori del proprio fondo, mentre sono di libero uso ad es. radiocomandi, allarmi, etc. su frequenze di 433 MHz e 868-9 MHz.

Un beacon LW e uno Morse fatto con Arduino

Un beacon è un dispositivo wireless che segna una posizione fissa e consente alle apparecchiature di localizzazione di localizzarla. Trasmette un segnale radio continuo o periodico con contenuto informativo limitato – ad esempio, la sua identificazione o posizione – su una specifica frequenza radio, che viene rilevata dai sistemi di rilevamento della direzione. Occasionalmente, la funzione beacon è combinata con qualche altra trasmissione, come i dati di telemetria o le informazioni meteorologiche.

Ora vedremo due semplici radiofari, uno realizzato con un circuito integrato 555 e l’altro con Arduino. Il primo trasmettitore beacon RF qui presentato è ben noto, ma utilizzando solo un chip timer 555 e alcuni altri componenti di base, mantiene il circuito finito piccolo e semplice. È fondamentalmente un trasmettitore LW a corto raggio (un oscillatore beacon a portante vuota) con un’antenna a filo piccolo. I componenti R1, R2 e C1 controllano la frequenza di uscita di questo oscillatore a batteria.

L’integrato 555 e il circuito da realizzare per avere il radiofaro.

È possibile trovare la trasmissione di questo radiofaro sintonizzando una radio vicina a circa 230 KHz. Si noti che, poiché questo radiofaro non ha il supporto di un amplificatore di uscita RF, la sua uscita è limitata a una distanza molto breve (5 metri). Fortunatamente, l’aggiunta di un semplice amplificatore di uscita RF aumenterà notevolmente la portata del radiofaro. Puoi anche aggiungere un generatore di suoni per modulare la portante e avere migliori probabilità di trovare il segnale beacon.

È possibile realizzare un semplicissimo radiofaro Morse anche con l’aiuto del microcontrollore Arduino e di alcuni componenti extra. Il progetto discusso di seguito è un banale generatore di codice Morse che consegna il messaggio beacon predefinito attraverso l’uscita D13 di Arduino. Il relativo sketch per Arduino può essere scaricato da qui. Esso mette semplicemente uno stato logico alto (H) sull’uscita D13 ogni volta che il tasto Morse viene premuto e uno stato logico basso (L) quando viene rilasciato.

Il radiofaro Morse realizzato con l’aiuto di Arduino.

Se sei un appassionato radioamatore, è facile interfacciare l’uscita del segnale beacon per il controllo del ricetrasmettitore attraverso un semplice circuito di commutazione, in modo da operare in modalità CW. Lo schema dell’hardware aggiuntivo è incluso in figura. Il circuito di codifica è costituito da un piccolo relè reed (RL1) – che usa un elettromagnete per controllare un interruttore reed – pilotato da un normale transistor NPN (T1) in accordo con l’impulso (i) di ingresso ricevuto dall’uscita D13 dell’Arduino.

Poiché viene utilizzato un relè elettromagnetico isolato, questo design di base può essere utilizzato per il funzionamento CW con quasi tutti i trasmettitori CW (alta o bassa tensione), cioè che utilizzano la modalità di trasmissione Continuos Wave (CW), ovvero in onda continua, costituito da un’onda portante non modulata. Basta collegare i contatti del relè (CW_SW) ai terminali di ingresso della chiave di codice Morse del trasmettitore esistente, come mostrato nello schema elettrico.

Il circuito per interfacciare il precedente circuito a un trasmettitore CW. 

Un radiofaro RF a 433 MHz per velivoli persi

Un radiofaro RF è un circuito che produce un impulso continuo che aiuta a rintracciare un velivolo, un oggetto o un veicolo. Un uso per un tale radiofaro sarebbe di localizzare un razzo, un pallone o un drone quando va troppo lontano per essere visto. In questo progetto, utilizzeremo un trasmettitore RF a 433 MHz e una coppia di oscillatori astabili 555 per creare un semplice radiofaro RF.

I componenti necessari per la realizzazione del circuito sono i seguenti:

  • Resistenza da 1KΩ (R5, R6, R7)
  • Resistenza da 10KΩ (R1, R3, R4, R8)
  • Resistenza 100KΩ (R2)
  • Condensatore 10nF (C2, C3, C4)
  • Condensatore 10uF (C1)
  • 2N3904 (Q1, Q2)
  • 555 Timer (IC1, IC2)
  • Modulo RF (433 MHz)

Lo schema del circuito da realizzare.

Il radiofaro RF è composto da tre unità principali: un oscillatore 555 a bassa frequenza, un oscillatore audio (alta frequenza) e un modulo RF a 433MHz. Esso produce un tono facilmente rilevabile dai ricevitori. La prima unità, un oscillatore a bassa frequenza, crea un impulso a una frequenza di circa 1Hz che ha un ciclo di lavoro estremamente ampio (vicino al 99,9%). Questo segnale viene quindi invertito grazie a Q1 sotto forma di una porta NOT, ciò crea un impulso con un ciclo di lavoro vicino allo 0,01%.

Ciò è importante perché, nella banda a 433 MHz, il tempo di trasmissione di ogni apparecchiatura deve essere ridotto, come previsto dalle raccomandazioni Cept, al massimo il 10% del tempo totale, cosa fondamentale per consentirne la possibilità di utilizzazione diffusa in aree densamente urbanizzate. Il non rispetto di questa norma per apparecchiature che devono operare al max con potenza in aria di soli 10 mW rappresenta la causa principale di interferenza in questa banda radio.

L’impulso del ciclo di bassa potenza è collegato al RESET di un oscillatore audio 555. Quando l’uscita dallo stadio dell’oscillatore a bassa frequenza (dopo Q1) diventa 0 V, l’oscillatore audio (IC2) viene disabilitato e come risultato non viene prodotto alcun segnale audio. Quando l’uscita dell’oscillatore a bassa frequenza diventa VCC, l’oscillatore audio (IC2) viene abilitato e produce un tono audio. Questo segnale viene invertito e quindi immesso nel modulo RF, che emette un tono a 433 MHz.

Come appare il circuito una volta realizzato.

Il circuito può essere costruito utilizzando una breadboard senza saldatura, e ridotto usando componenti a montaggio superficiale. In questo modo, il circuito può essere facilmente montato su piccoli droni e razzimodelli mantenendo anche il peso ridotto per aggiungere funzionalità di tracciamento RF.  Per aumentare la portata del modulo trasmettitore è possibile collegare un’antenna al modulo a 433MHz. Un altro trucco per ricevere più facilmente il segnale è quello di creare un ricevitore direzionale.

Come creare un semplice radiofaro FM o AM

Per creare un radiofaro, si possono usare anche sistemi più “creativi”: l’importante è che tu possa generare il segnale, trasmetterlo con un trasmettitore radio, riceverlo con una radio. Di seguito sono riportati alcuni esempi di basso costo di: (1) Radiofaro FM; (2) Radiofaro AM; (3) Radiofaro multicanale AM e FM. Se si prevede di utilizzare uno di questi sistemi autonomamente, è possibile associare un generatore di energia aggiuntivo, come ad esempio un piccolo pannellino fotovoltaico.

Pannellini fotovoltaici dal costo irrisorio che puoi acquistare online, ad es. qui.

Si noti che, mentre le bande di frequenze di tipo collettivo – come quella a 433 MHz – non possono pretendere la “protezione” dalle interferenze provenienti da apparecchiature degli utenti operanti nelle stesse bande, purché rispettino particolari modalità operative ed abbiano potenze assai limitate (anche allo scopo di permetterne l’uso contemporaneo da parte di vari utilizzatori), lo stesso non si può dire per le bande FM e AM: quindi non dovete arrecare interferenze radio a terzi!

Cominciamo dal radiofaro FM. Il materiale necessario è un lettore MP3 e un trasmettitore FM audio, come ad es. quelli che abbiamo illustrato qui. Registra in successione uno o più messaggi audio codificati con uno o più protocolli a tua scelta nella memoria dell’MP3. Puoi crearli con un software dedicato direttamente dalla scheda audio del tuo computer, altrimenti puoi inviarli via radio, riceverli e registrarli. In questo modo è possibile inviarli tramite il trasmettitore audio FM collegato all’audio MP3.

Un moderno lettore MP3 e (a destra) lo schema del semplicissimo radiofaro FM.

Passiamo al radiofaro AM. Il materiale necessario è un lettore MP3 e un trasmettitore audio radio AM semplice fai-da-te, il cui schema è illustrato in figura (necessita di un oscillatore a cristallo a 27 MHz e di una bobina). Registra in successione uno o più messaggi audio codificati con uno o più protocolli a tua scelta nella memoria dell’MP3 (al solito, puoi crearli con un software dedicato dalla scheda audio del tuo computer). Invia il segnale di radiofaro tramite il trasmettitore audio FM collegato all’audio MP3.

Schema del circuito da realizzare per un semplicissimo radiofaro AM.

Infine, ecco come realizzare un radiofaro multicanale AM e FM. Il materiale necessario è: un lettore MP3; un trasmettitore FM audio; un trasmettitore audio radio AM semplice fai-da-te. Collega il tutto secondo lo schema in figura. Registra in successione uno o più messaggi audio codificati con uno o più protocolli a tua scelta nella memoria dell’MP3 (al solito, puoi crearli con un software dedicato dalla scheda audio del tuo computer). Invia il segnale di radiofaro tramite il trasmettitore audio FM collegato all’audio MP3.

Schema del circuito da realizzare per un radiofaro multicanale AM e FM.

Attrezzatura e metodi per localizzare il radiofaro

L’apparecchiatura radio deve essere in grado di ricevere il segnale trasmesso dal radiofaro, utile per il rilevamento della direzione radio. Ciò include un ricevitore radio in grado di sintonizzare la frequenza specifica di trasmissione utilizzata dal radiofaro e un’antenna direzionale. Le antenne direzionali sono più sensibili ai segnali radio che arrivano da alcune direzioni rispetto ad altre.

Sulla banda di due metri, le antenne direzionali più comuni utilizzate sono antenne Yagi a due o tre elementi realizzate con nastro d’acciaio flessibile. Questo tipo di antenna ha un modello di ricezione cardioide, il che significa che ha una direzione di picco in cui il segnale ricevuto sarà più forte e una direzione nulla, a 180° dal picco, in cui il segnale ricevuto sarà il più debole. Il nastro flessibile in acciaio consente agli elementi dell’antenna di flettersi e non rompersi se si incontra fitta vegetazione.

Ricerca di un radiofaro con un’antenna Yagi fai-da-te.

Sulla banda degli ottanta metri, invece, due approcci di progettazione del ricevitore comuni sono l’uso di un’antenna ad anello piccolo o di un’antenna ad anello ancora più piccolo avvolta attorno a un’asta di ferrite. Queste antenne hanno uno schema di ricezione bidirezionale, con due direzioni di picco con segbale più forte distanti 180° l’una dall’altra e due direzioni nulle distanti 180° l’una dall’altra. Le direzioni di picco sono sfalsate di 90 ° rispetto alle direzioni con segnale più debole.

Oltre all’attrezzatura radio, in generale occorre una mappa topografica e una bussola magnetica per la navigazione. I tipi di bussola più popolari sono quelli per l’uso nell’orienteering. Oggi è possibile localizzare un radiofaro anche utilizzando il drone, ma è necessario usare la tecnica di radiolocalizzazione appropriata. Esistono infatti due metodi generali per localizzare la fonte di una trasmissione radio. Il primo, la Trilaterazione, utilizza più stazioni di ricezione omnidirezionali separate geograficamente, mentre il secondo, la Triangolazione, utilizza una o più stazioni di ricezione direzionali.

Il metodo della trilaterazione.

Nella trilaterazione, ciascuna stazione ricevente misura il tempo impiegato dal segnale radio per raggiungere la propria posizione e quando sono noti i tempi di tre o più stazioni riceventi, è possibile calcolare una posizione per il ricevitore. Il vantaggio di questo metodo è che ogni stazione ricevente è dotata di un’antenna semplice e omnidirezionale (la potenza del segnale ricevuto è la stessa da tutte le direzioni), tuttavia sono necessarie più stazioni riceventi fisse e ogni stazione deve essere dotata di un orologio molto preciso. Dunque, avendo un solo drone non è di aiuto.

Il metodo della triangolazione, invece, può essere utilizzato con più stazioni di ricezione a posizione fissa, come con la trilaterazione, oppure può essere utilizzato con una singola stazione di ricezione mobile. La stazione è dotata di un’antenna direzionale (la potenza del segnale ricevuto è molto più alta quando l’antenna è puntata verso il trasmettitore) e determina l’angolo da cui viene ricevuto il segnale. Quando questo angolo viene preso da tre o più posizioni diverse, è possibile calcolare la posizione del trasmettitore.

Il metodo della triangolazione.

Il vantaggio di questo metodo è che non serve un orologio: devi solo misurare la tua posizione e l’angolo rispetto al segnale da un punto di riferimento (cioè il nord magnetico) con ragionevole precisione. Quando si utilizza la triangolazione manualmente nella vita reale, l’operatore in genere seleziona 3 o più siti buoni su una mappa (idealmente in cima ad alcune colline vicine), si reca in ogni posizione, prende una direzione e traccia le linee su una mappa. Come mostrato nella figura, il trasmettitore dovrebbe trovarsi dove le linee si incontrano. Lo stesso metodo può essere usato anche con un drone.