HackerBox 0034: SubGHz: 15 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

W tym miesiącu HackerBox Hackers badają radio definiowane programowo (SDR) i komunikację radiową na częstotliwościach poniżej 1 GHz. Ta instrukcja zawiera informacje dotyczące rozpoczęcia pracy z HackerBox #0034, które można kupić tutaj do wyczerpania zapasów. Ponadto, jeśli chcesz otrzymywać co miesiąc taki HackerBox bezpośrednio do swojej skrzynki pocztowej, zasubskrybuj na HackerBoxes.com i dołącz do rewolucji!

Tematy i cele edukacyjne dla HackerBox 0034:

• Konfiguracja i użytkowanie odbiorników radiowych SDR
• Mobilne operacje SDR
• Montaż nadajnika-odbiornika sub-GHz CCStick
• Programowanie CCStick za pomocą Arduino ProMicros
• Montaż nadajników i odbiorników audio FM

HackerBoxes to miesięczna usługa subskrypcji dla elektroniki DIY i technologii komputerowej. Jesteśmy hobbystami, twórcami i eksperymentatorami. Jesteśmy marzycielami marzeń. ZHAKUJ PLANETĘ!

Krok 1: HackerBox 0034: Zawartość pudełka

• Odbiornik USB Software Defined Radio (SDR)
• Antena MCX do odbiornika SDR
• Dwie płytki drukowane CCStick
• Dwa transceivery CC1101 z antenami
• Dwa Arduino ProMicro 3.3V 8MHz
• Zestaw nadajnika audio FM
• Zestaw odbiornika audio FM
• Kabel MicroUSB
• Ekskluzywny oscylator radiowy „Hertz” Pin

Kilka innych rzeczy, które będą pomocne:

• Lutownica, lut i podstawowe narzędzia lutownicze
• Komputer do uruchamiania narzędzi programowych

Co najważniejsze, będziesz potrzebować poczucia przygody, ducha DIY i ciekawości hakerskiej. Hardkorowa elektronika DIY nie jest trywialnym zajęciem, a HackerBoxy nie są rozwodnione. Celem jest postęp, a nie doskonałość. Kiedy będziesz wytrwać i cieszyć się przygodą, wiele satysfakcji można czerpać z nauki nowych technologii i, miejmy nadzieję, z udanych projektów. Sugerujemy, aby każdy krok robić powoli, pamiętając o szczegółach i nie bój się prosić o pomoc.

W FAQ HackerBoxes znajduje się mnóstwo informacji dla obecnych i przyszłych członków.

Krok 2: Witamy w radiu sub-GHz

Cue muzyka: Radio KAOS

Technologia sub-GHz to idealny wybór do zastosowań bezprzewodowych wymagających dużego zasięgu i niskiego zużycia energii. Transmisje wąskopasmowe mogą przesyłać dane do odległych węzłów, często oddalonych o kilka mil, bez przeskakiwania z węzła do węzła. Ta zdolność transmisji na duże odległości zmniejsza potrzebę stosowania wielu drogich stacji bazowych lub wzmacniaków. Zastrzeżone protokoły sub-GHz umożliwiają programistom optymalizację ich rozwiązań bezprzewodowych do ich specyficznych potrzeb, zamiast dostosowywania się do standardu, który może nakładać dodatkowe ograniczenia na implementację sieci. Podczas gdy wiele istniejących sieci sub-GHz korzysta z własnych protokołów, branża powoli dodaje oparte na standardach, interoperacyjne systemy. Na przykład standard IEEE 802.15.4g zyskuje popularność na całym świecie i jest przyjmowany przez różne sojusze branżowe, takie jak Wi-SUN i ZigBee.

Niektóre interesujące częstotliwości do zbadania to: Transmisja FM 88-108 MHz Radio pogodowe NOAA Kontrola ruchu lotniczego Pilot bezkluczykowy 315 MHz (większość amerykańskich samochodów) 2m Ham Calling (SSB: 144,200 MHz, FM: 146,52 MHz) 433 MHz ISM/IoT902-928 MHZ ISM/ IoT

Różne schematy modulacji są używane do różnych typów komunikacji radiowej na tych częstotliwościach. Poświęć kilka minut na zapoznanie się z podstawami.

Krok 3: Odbiornik radia definiowanego programowo (SDR)

Tradycyjne komponenty radiowe (takie jak modulatory, demodulatory i tunery) są realizowane przy użyciu zbioru urządzeń sprzętowych. Pojawienie się nowoczesnych komputerów i przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) umożliwia wdrożenie większości z tych tradycyjnie opartych na sprzęcie komponentów w oprogramowaniu. Stąd termin radio definiowane programowo (SDR). Komputerowy SDR umożliwia wdrożenie niedrogich, szerokopasmowych odbiorników radiowych.

RTL-SDR to klucz USB, który może być używany jako komputerowy odbiornik radiowy do odbierania sygnałów radiowych na żywo. Szeroki zakres informacji jest dostępny online do eksperymentowania z technologią RTL-SDR, w tym skrócona instrukcja obsługi.

Krok 4: Sprzęt klucza USB RTL-SDR

RTL2832U to wysokiej jakości demodulator DVB-T COFDM obsługujący interfejs USB 2.0. RTL2832U obsługuje tryb 2K lub 8K z przepustowością 6, 7 i 8 MHz. Parametry modulacji, np. współczynnik kodowania i interwał ochronny, są wykrywane automatycznie. RTL2832U obsługuje tunery na wyjściu IF (częstotliwość pośrednia, 36,125 MHz), low-IF (4,57 MHz) lub Zero-IF przy użyciu kryształu 28,8 MHz i obejmuje obsługę radia FM/DAB/DAB+. Wbudowany w zaawansowany konwerter ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy), RTL2832U zapewnia wysoką stabilność podczas odbioru przenośnego. Tuner cyfrowy R820T2 obsługuje pracę w zakresie 24 – 1766 MHz.

Zwróć uwagę, że klucz sprzętowy SDR jest wyposażony w koncentryczne wejście RF MCX, które można połączyć z dołączoną anteną biczową MCX. Ponieważ wiele popularnych źródeł sygnału i anten wykorzystuje złącza koncentryczne SMA, przydatny może być łącznik MCX-SMA.

Krok 5: Oprogramowanie SDR - radio GNU

GNU Radio to bezpłatny zestaw narzędzi do tworzenia oprogramowania o otwartym kodzie źródłowym, który zapewnia bloki przetwarzania sygnału w celu wdrożenia radia programowego. Może być używany z łatwo dostępnym zewnętrznym sprzętem RF do tworzenia radiotelefonów definiowanych programowo. GNU Radio jest szeroko stosowane w środowiskach hobbystycznych, akademickich i komercyjnych do wspierania zarówno badań nad komunikacją bezprzewodową, jak i rzeczywistych systemów radiowych.

Istnieje wiele odmian i implementacji GNU Radio. GQRX to fajny wariant dla użytkowników OSX i Linux.

Krok 6: Mobilny SDR

SDR Touch może zmienić Twój telefon komórkowy lub tablet w niedrogi i przenośny skaner radiowy z oprogramowaniem. Słuchaj na żywo stacji radiowych FM, prognoz pogody, policji, straży pożarnej i stacji ratunkowych, ruchu taksówek, komunikacji lotniczej, dźwięku analogowych transmisji telewizyjnych, radioamatorów HAM, transmisji cyfrowych i wielu innych.

Do podłączenia klucza USB SDR do urządzenia mobilnego wymagany jest kabel lub adapter USB on-the-go (OTG). Do zasilania klucza może być wymagany kabel OTG z dodatkowym (pomocniczym) gniazdem zasilania. Dodatkowy port zasilania może być dobrym pomysłem, ponieważ aplikacja taka jak SDR Touch ma skłonność do szybkiego rozładowywania baterii urządzeń mobilnych.

Krok 7: Zestaw nadajnika mikrofonu

Ten zestaw do lutowania to prosty trójtranzystorowy nadajnik audio z modulacją częstotliwości (FM). Działa w zakresie częstotliwości 80MHz-108MHz przeznaczonego dla radia FM. Napięcie robocze nadajnika wynosi 1,5V-9V i będzie transmitować ponad 100 metrów w zależności od dostarczonej mocy, konfiguracji anteny, strojenia i czynników elektromagnetycznych otoczenia.

Zawartość zestawu:

• PCB
• JEDEN 500KOhm trymer Pot
• DWA tranzystory NPN 9018
• JEDEN Tranzystor NPN 9014
• JEDNA cewka 4,5 obrotu (4T5)
• DWA cewki indukcyjne 5,5 obrotu (5T5)
• JEDEN mikrofon elektretowy
• Rezystor ONE 1M (brązowo-czarnozielony)
• DWA rezystory 22K (czerwono-czerwono-pomarańczowe)
• CZTERY Rezystory 33ohm (PomarańczowyPomarańczowyCzarny)
• TRZY rezystory 2.2K (2K2) (czerwony, czerwony, czerwony)
• JEDNA nasadka elektrolityczna 33uF
• CZTERY kondensatory ceramiczne 30pF „30”
• CZTERY kondensatory ceramiczne 100nF „104”
• JEDEN kondensator ceramiczny 10nF „103”
• DWA 680pF kondensator ceramiczny „681”
• DWA 10pF kondensator ceramiczny „10”
• Przewód antenowy
• Zacisk na baterię 9V
• Kołki nagłówka (przerwać na 2 i 3 kołki)

Zauważ, że trzy tranzystory, mikrofon i jeden kondensator elektrolityczny muszą być ustawione tak, jak pokazano na sitodruku PCB. Cewki indukcyjne i kondensatory ceramiczne nie są spolaryzowane. Chociaż wartości i typy nie są wymienne, każdy z nich można wstawić w dowolnej orientacji.

Jeśli jesteś nowy w lutowaniu: istnieje wiele świetnych przewodników i filmów online na temat lutowania. Oto jeden przykład. Jeśli czujesz, że potrzebujesz dodatkowej pomocy, spróbuj znaleźć lokalną grupę twórców lub miejsce dla hakerów w Twojej okolicy. Ponadto, amatorskie kluby radiowe są zawsze doskonałym źródłem doświadczeń z elektroniką.

Krok 8: Projekt zestawu nadajnika mikrofonu

Wejściowy sygnał audio może być zbierany przez wbudowany mikrofon elektretowy lub dostarczany z innego źródła elektrycznego do pinów wejściowych. Przewody mikrofonowe można przedłużyć za pomocą przewodów lub przyciętych przewodów z innych komponentów, aby umożliwić połączenie z płytką drukowaną. Przewód mikrofonowy podłączony do zewnętrznej obudowy mikrofonu jest przewodem ujemnym, jak pokazano na rysunku.

Na tranzystorze Q1 modulacja częstotliwości jest osiągana, gdy częstotliwość oscylatora nośnej jest modyfikowana przez sygnał audio. Potencjometru trymera można użyć do regulacji tłumienia wejściowego sygnału audio. Sygnał audio jest doprowadzony do bazy tranzystora Q1 przez C2.

Tranzystor Q2 (wraz z R7, R8, C4, C5, L1, C8 i C7) zapewnia oscylator wysokiej częstotliwości. C8 to kondensator sprzężenia zwrotnego. C7 to kondensator blokujący napięcie DC. C5 i L1 zapewniają zbiornik rezonansowy dla oscylatora. Zmiana wartości C5 i/lub L1 zmieni częstotliwość nadawania. Po wstępnym montażu domyślna częstotliwość nadawania będzie wynosić około 83 MHz. Delikatne rozłożenie zwojów cewki L1 odrobinę zmieni wartość cewki indukcyjnej L1 i odpowiednio przesunie częstotliwość transmisji. Utrzymanie częstotliwości w okolicach 88MHz-108MHz pozwoli na odbiór sygnału za pomocą dowolnego radia FM, w tym odbiornika SDR.

Tranzystor Q3 (wraz z R9, R10, L2, C10 i C1) tworzy obwód wzmacniacza mocy wysokiej częstotliwości. Zmodulowany sygnał jest doprowadzony do obwodu wzmacniającego przez kondensator C6. C10 i L2 tworzą zbiornik strojenia wzmocnienia. Maksymalna moc wyjściowa jest osiągana, gdy pętla wzmacniająca C10 i L2 jest dostrojona do tej samej częstotliwości, co pętla oscylatora nośnej C5 i L1.

Wreszcie, C12 i L3 zapewniają sterowanie anteną, w którym wzmocniony sygnał jest kierowany do anteny drutowej w celu transmisji jako fale elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej.

Krok 9: Zestaw odbiornika modulacji częstotliwości (FM)

Ten zestaw odbiornika FM jest oparty na układzie HEX3653, który jest wysoce zintegrowanym demodulatorem FM.

Zestaw zawiera:

• PCB
• U1 HEX3653 Chip SMD 16pin
• Tranzystor Q1 SS8050 NPN
• Induktor L1 100uH
• Y1 32.768 KHz Kryształ
• Rezystory R1, R2, R3, R4 10KOhm
• Kondensatory elektrolityczne C1, C2 100uF
• Kondensatory ceramiczne C3, C5 (104) 0,1uF
• Kondensator ceramiczny C4 (33) 33pF
• Diody D1, D2 1N4148
• Żółta dioda LED
• Gniazdo telefonu audio 3,5 mm
• Czteropinowa główka ze zworką
• Pięć chwilowych przycisków
• Podwójny uchwyt baterii AA

Układ odbiornika HEX3653 działa w zakresie częstotliwości 76 MHz-108 MHz, który jest przeznaczony dla radia FM.

Zestaw zawiera pięć przycisków:

• Strojenie częstotliwości (SEEK +, SEEK-)
• Regulacja głośności (VOL +, VOL-)
• Moc (PW)

Obwód ma napięcie robocze 1,8-3,6V, które jest łatwo zasilane przez dwa ogniwa 1,5V.

Krok 10: Projekt zestawu odbiornika FM HEX3653

Istnieją dwie opcje wejścia antenowego.

Przewód można przymocować do podkładki „A” na płytce drukowanej lub ekranowanie przewodu słuchawkowego może służyć jako antena.

Czteropinowa listwa służy jako przełącznik antenowy (oznaczony ASW). Założenie zworki na ASW wybiera pomiędzy dwoma wejściami antenowymi. Zwarcie pinów 1 i 2 prowadzi sygnał anteny zewnętrznej "A" do pinu czwartego układu HEX3653. Alternatywnie, zwarcie pinów 2 i 3 prowadzi do pinu osłony gniazda słuchawkowego do pinu czwartego układu HEX3653.

Pin czwarty układu HEX3653 to wejście częstotliwości radiowej (RF) do układu odbiornika. Wybrany sygnał RF najpierw przechodzi przez L1 i C4, które działają jako filtr. Następnie dwie diody obcinające służą do ograniczenia nadmiernego napięcia wejściowego.

Pięciopinowa listwa (oznaczona B) umożliwia integrację modułu odbiornika z innym systemem. Są dwa piny dla wejścia zasilania (+V, masa) i trzy dla wyjścia audio (prawy, lewy, masa).

Krok 11: Montaż zestawu odbiornika HEX3653 FM

Trzy kondensatory ceramiczne i kryształowe nie są spolaryzowane i mogą być wstawiane w dowolnej orientacji. Nie są wymienne, ale każdy z nich może być obracany w swojej orientacji. Wszystkie pozostałe komponenty muszą być zamontowane zgodnie z orientacją wskazaną na sitodruku PCB. Jak zwykle najlepiej zacząć od układu SMD, a następnie przejść do najmniejszych/najkrótszych elementów pracujących od środka płytki w kierunku krawędzi. Podłącz nagłówki, gniazdo audio i uchwyt baterii na końcu.

Krok 12: CCStick

CCStick to moduł nadawczo-odbiorczy Texas Instruments CC1101 sub-GHz połączony z Arduino ProMicro. HackerBox #0034 zawiera dwa zestawy CCStick do użytku jako dwa punkty końcowe łącza komunikacyjnego lub w innej konfiguracji komunikacyjnej.

Texas Instruments CC1101 (karta danych) to tani transceiver sub-GHz przeznaczony do zastosowań bezprzewodowych o bardzo niskim poborze mocy. Obwód jest przeznaczony głównie dla pasm częstotliwości przemysłowych, naukowych i medycznych (ISM) oraz urządzeń bliskiego zasięgu (SRD) przy 315, 433, 868 i 915 MHz, ale można go łatwo zaprogramować do pracy na innych częstotliwościach w 300- Pasma 348 MHz, 387-464 MHz i 779-928 MHz. Transceiver RF jest zintegrowany z wysoce konfigurowalnym modemem pasma podstawowego. Modem obsługuje różne formaty modulacji i ma konfigurowalną szybkość transmisji danych do 600 kb/s.

Krok 13: Arduino ProMicro 3.3V 8MHz

Arduino ProMicro bazuje na mikrokontrolerze ATmega32U4, który posiada wbudowany interfejs USB. Oznacza to, że nie ma FTDI, PL2303, CH340 ani żadnego innego układu pośredniczącego między komputerem a mikrokontrolerem Arduino.

Sugerujemy najpierw przetestowanie Pro Micro bez lutowania pinów na miejscu. Możesz wykonać podstawową konfigurację i testowanie bez użycia pinów nagłówka. Ponadto opóźnienie lutowania modułu daje jedną zmienną mniej do debugowania w przypadku wystąpienia jakichkolwiek komplikacji.

Jeśli nie masz zainstalowanego Arduino IDE na swoim komputerze, zacznij od pobrania IDE z arduino.cc. OSTRZEŻENIE: Przed przystąpieniem do programowania Pro Micro należy wybrać wersję 3,3 V w menu narzędzia > procesor. Ustawienie tego ustawienia na 5 V zadziała raz, a następnie urządzenie będzie się wydawało, że nigdy nie połączy się z komputerem, dopóki nie zastosujesz się do instrukcji „Reset to Bootloader” w przewodniku omówionym poniżej, co może być trochę trudne.

Sparkfun ma świetny przewodnik podłączania Pro Micro. Podręcznik podłączania zawiera szczegółowy przegląd płyty Pro Micro, a następnie sekcję „Instalowanie: Windows” i sekcję „Instalowanie: Mac i Linux”. Postępuj zgodnie ze wskazówkami w odpowiedniej wersji tych instrukcji instalacji, aby skonfigurować Arduino IDE do obsługi Pro Micro. Zwykle pracę z płytką Arduino zaczynamy od załadowania i/lub modyfikacji standardowego szkicu Blink. Jednak Pro Micro nie zawiera zwykłej diody LED na pinie 13. Na szczęście możemy kontrolować diody LED RX/TX, a Sparkfun dostarczył zgrabny mały szkic, aby zademonstrować, jak to zrobić. Znajduje się w sekcji Przewodnika podłączania zatytułowanej „Przykład 1: Blinkies!” Sprawdź, czy możesz skompilować i pobrać ten Blinkies! przykład przed przejściem dalej.

Krok 14: Projekt i działanie CCStick

Moduł CC1101 i Arduino ProMicro są umieszczane po stronie sitodruku płytki drukowanej CCStick. Innymi słowy, dwa mniejsze moduły znajdują się po stronie czerwonej płytki drukowanej, na której jest biała farba, a piny wystają ze strony, na której nie ma białej farby. Biała farba nazywana jest sitodrukiem PCB.

Ścieżki w czerwonej płytce drukowanej łączą moduł CC1101 i Arduino ProMicro w następujący sposób:

CC1101 Arduino ProMicro------ -----GND GND VCC VCC (3.3V) MOSI MOSI (16) MISO MISO (14) SCK SCLK (15) GD02 A0 (18) GD00 A1 (19) ČSN A10 (10)

Szybki start dla CC1101 to skorzystanie z biblioteki firmy Elechouse. Pobierz bibliotekę, klikając link „pobierz kod” na tej stronie.

Utwórz folder dla CC1101 w folderze Arduino Libraries. Umieść dwa pliki ELECHOUSE_CC1101 (.cpp i.h) w tym folderze. Utwórz również folder przykładów w tym folderze i umieść tam trzy foldery demonstracyjne/przykładowe.

Zaktualizuj definicje pinów w pliku ELECHOUSE_CC1101.h w następujący sposób:

#Define SCK_PIN 15#Define MISO_PIN 14 #Define MOSI_PIN 16 #Define SS_PIN 10 #Define GDO0 19 #Define GDO2 18

Następnie umieść przykładowy plik CC1101_RX na jednym CCStick, a przykładowy plik CC1101_TX na drugim CCStick.

Istnieje wiele innych interesujących zasobów i projektów dotyczących transceivera CC1101, w tym następujący przykład:

TomXue Arduino CC1101 Biblioteka ArduinoSmartRF StudioElectrodragon CC1101 ProjectCUL Project Projekt CCManagerDIY nanoCULInna konfiguracja mikrokontrolera CC1101

UWAGA DOTYCZĄCA PRZERWANIA:

Aby wypróbować przykładowy szkic Elechouse CC1101_RXinterruprt, podłącz dwa piny Arduino ProMicro na spodzie płytki CCStick PCB. Są to piny 7 i 19 (A1), które łączą sygnał GDO0 transceivera z pinem 7 mikrokontrolera, który jest jednym z zewnętrznych pinów przerwań. Następnie zaktualizuj jedną z omówionych powyżej linii definiujących pin na "#define GDO0 7 //and 19", ponieważ GDO0 jest teraz przesunięty z pinu 19 na pin 7. Następnie, w pliku CC1101_RXinterruprt, znajdź funkcję wywołującą linię attachInterrupt() i zmienić pierwszy parametr (numer przerwania) z „0” na „4”. Dzieje się tak, ponieważ pin 7 ProMicro jest powiązany z przerwaniem #4.

Krok 15: ZHAKUJ PLANETĘ

Jeśli podobał Ci się ten Instruktaż i chciałbyś mieć fajne pudełko z hakowalnymi projektami elektroniki i technologii komputerowych, które co miesiąc trafiają do Twojej skrzynki pocztowej, dołącz do rewolucji, odwiedzając HackerBoxes.com i subskrybując nasze comiesięczne pudełko niespodzianek.

Sięgnij po swój sukces i podziel się nim w komentarzach poniżej lub na stronie HackerBoxes na Facebooku. Daj nam znać, jeśli masz jakieś pytania lub potrzebujesz pomocy. Dziękujemy za bycie częścią HackerBoxes!