Was braucht es, um einen DIY 2 km (Stadtbedingungen) RF-Sender (433 MHz) zu bauen?

Dies ist meine erste Frage auf dieser Seite. Ich bin kein Elektronik- / Elektrotechniker, also entschuldigen Sie mein tiefes Wissen.

Ich versuche einen HF-Sender / Empfänger zu bauen. Das sind meine Endziele:

• eine Textübertragung (Bytes). (Stimme nicht erforderlich)
• 1,5 - 2 km Reichweite (Sichtlinie unabhängig, unter städtischen Bedingungen)
• so kurze Antenne wie möglich
• so kleine Schaltung wie möglich
• Nutzung des freien nicht lizenzierten Spektrums

Nachdem ich ein wenig gelesen hatte, stellte ich fest, dass 433 MHz einer der am häufigsten für solche Zwecke verwendeten ist, aber ich bin mir nicht sicher, ob alle oben genannten Bedingungen überprüft werden.

Qs:

1. Benutze ich die richtige Frequenz oder gibt es andere Möglichkeiten?

2. Wie viel Batteriestrom wird benötigt, um das Signal bis zu 2 km zu senden? Ist es überhaupt möglich, so weit zu senden? Ich bin in Ordnung, wenn die gesamte Batterie in 1 oder 2 Übertragungen entladen wird (fragen Sie nicht warum :)), aber die Batterie muss wirklich klein sein, um die gesamte Schaltung klein zu machen.

3. Wie groß wird die Sendeantenne sein, wenn alle oben genannten Möglichkeiten erreichbar sind?

Eine gewünschte ideale Lösung wäre so etwas wie ein ferngesteuerter Verriegelungs- / Entriegelungskreis für Autotüren mit einer größeren Reichweite und ohne Einschränkung der Sichtlinie.

Ich bin euch so dankbar, wenn ihr mir diese Antworten und Hinweise für Schaltkreise oder ähnliche Projekte im Internet geben könnt.

PS: Ich bin in Indien ansässig (als Lizenzreferenz)

Die Friis- Übertragungsgleichung ist normalerweise ein guter Anfang. In dB-Form beträgt der Leistungsverlust zwischen isotropen Sende- und Empfangsantennen im freien Raum:

Verlust (dB) = 32,45 + 20 (f) + 20 (d)$log_{10}$$log_{10}$

Wobei f in MHz und d in Kilometern ist. Diese Gleichung gibt an, wie viele dB Leistungsverlust Sie bei einer bestimmten Entfernung mit einer bestimmten Trägerfrequenz erwarten können.

Bei 433 MHz und 2 km beträgt der Verlust 32,45 dB + 52,7 dB + 6,02 dB = 91,2 dB.

Dies geschieht jedoch im freien Raum (der perfekten Umgebung), und in einer Stadt können Sie die Verluste leicht um weitere 40 dB erhöhen, was zu Verlusten von etwa 131 dB führt.

Was braucht der Empfänger?

Die erforderliche Empfängerleistung (bei Umgebungstemperaturen) beträgt -154 dBm + 10 (Datenrate) dBm.$log_{10}$

Dies wird allgemein als gute Faustregel für anständige BERs akzeptiert. Wenn Ihre Datenrate also 100 Bit pro Sekunde beträgt, muss die Empfängerempfindlichkeit -134 dBm betragen.

Angesichts eines Übertragungsverlusts von ca. 131 dB können Sie Ihre Sendeleistung auf -3 dBm schätzen. Das sind 0,5 mW in reellen Zahlen, um einen vernünftigen Erfolg bei der Bereitstellung von 100 Bit pro Sekunde in 2 km stadtähnlicher Umgebung zu erzielen.

Wenn Sie Dipolantennen verwenden, erhalten Sie eine Verstärkung von etwa 1,7 dB, da der Dipol im Gegensatz zur theoretischen isotropen Antenne (die Leistung gleichmäßig in alle Richtungen überträgt) nur senkrecht zum Anstieg der Antenne überträgt. In dieser Richtung wird daher deutlich mehr Leistung abgegeben, sodass Sie das Konzept des Antennengewinns verwenden können, um die Übertragung zu verbessern.

Benutze ich die richtige Frequenz oder gibt es andere Möglichkeiten?

Niedriger ist besser in Bezug auf den freien Speicherplatz (siehe Formel), aber in der Stadt würde ich nicht unter 80 MHz fallen, da das Eindringen zwischen und um Gebäude problematisch sein kann - denken Sie an 1-MHz-AM-Radio, wenn Sie in einen Tunnel fahren - es stirbt sofort, während das Standard-FM-Band von etwa 100 MHz viel weiter kommt - es ist eine Wellenlängensache. Die größere Wellenlänge passt nicht so leicht ins Loch!

Wie groß wird die Sendeantenne sein, wenn alle oben genannten Möglichkeiten erreichbar sind?

Verwenden Sie einen Viertelwellendipol - die Länge bei 300 MHz beträgt 25 cm. Bei 433 MHz sind es ungefähr 17 cm. Niedrigere Frequenzen erfordern proportional längere Antennen.

Das große Problem bei dem, was Sie erreichen möchten, ist, dass wahrscheinlich jeder Mann und sein Hund 433 MHz verwenden. Über eine Entfernung von 2 km kann dies zu einer schwerwiegenden Störung führen. Daher möchte ich sofort meine Übertragungschancen verbessern durch Erhöhen der Ausgangsleistung um 30 dB (das wären etwa 500 mW Ausgangsleistung) oder Verwenden von Richtantennen wie Yagis.

Ich denke, Sie haben genug Informationen in dieser Antwort, um jetzt etwas herauszufinden.

Für etwas, das genug Strom überträgt, um in 2 km Entfernung aufgenommen zu werden, ist in den meisten Fällen eine Lizenz erforderlich. Sie geben nicht die wichtigsten Informationen darüber an, wo Sie sich befinden, aber hier in den USA könnten Sie dies möglicherweise mit CB tun, etwa 27 MHz. Das ist es, was altmodische "Walkie Talkies" verwenden. Früher konnte man bis zu 5 W ausgeben, aber natürlich mussten verschiedene Regeln befolgt werden, und das Signal musste eine normale Stimme sein. Ich erinnere mich irgendwie, dass CB in den 40 Jahren, seit ich mir das das letzte Mal angesehen habe, einige rechtliche Änderungen erfahren hat. Ich weiß nicht, ob es noch verfügbar ist oder welche Einschränkungen bestehen könnten, wenn dies der Fall ist.

Für das ISM-Band bei 434 MHz ist keine Lizenz mit Einschränkungen für Strom und Arbeitszyklus für den unbeaufsichtigten Betrieb erforderlich. Es gibt andere ISM-Bänder, die lizenzfrei sind, aber auch hier wird die Stromversorgung stark eingeschränkt. Dies ist, was Geräte wie Garagentoröffner verwenden. Sie sollen nur bis zu einigen 10 Metern arbeiten.

Ein weiteres Problem ist, dass es sich häufig um Militärkapellen handelt, die die Öffentlichkeit auf eigenes Risiko und mit geringer Leistung einsetzen kann. In North Carolina (?) Gab es einen Fall, in dem einige Garagentoröffner nicht mehr funktionierten, weil eine nahe gelegene Militärbasis den Frequenzraum nutzte.

Halten Sie an und denken Sie darüber nach, wonach Sie fragen. Wenn jeder Sender bauen könnte, die stark genug sind, um 2 km zu erreichen, hätten wir ein Durcheinander. Wenn alle Ihre Nachbarn dasselbe tun würden, was Sie versuchen, hätte keiner von Ihnen etwas Nützliches. Genau deshalb gibt es Vorschriften zur Nutzung des HF-Spektrums.

In meiner Meinung als Arduino-Enthusiast würde ich einen Xbee mit einem Arduino verwenden, um einen funktionierenden Prototyp zu bauen. Die Xbee-Leitung kommuniziert je nach Modell innerhalb einer Reichweite von bis zu 40 km im 900-MHz-Band.

Eine Anleitung, welche Xbee für Sie arbeiten wird, finden Sie hier

Sie können sich bei Ihrer Behörde über die Verwaltung dieser Band erkundigen. Ein kurzer Blick auf das Wiki zeigt jedoch, dass diese Band Amateuren in einer Reihe von Ländern zugewiesen ist.

Mit einem Xbee Ihrer Wahl und einem Arduino (z. B. UNO) können Sie ganz einfach einen schnellen Prototyp erstellen. Wenn es wie erwartet funktioniert, können Sie die Größe des Produkts mithilfe eines Arduino Mini verkleinern oder mithilfe eines eigenständigen Arduino (nur Google "eigenständiges Arduino") noch verkleinern.