這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

目錄

1.簡介
1.1創(chuàng)客實用電臺
1.1.1頻率
1.1.2天線
1.1.3電源
1.1.4 空間
1.2您將會學(xué)到什么
2. Arduino車庫開啟器和通用無線電接口
2.1 Arduino車庫開啟器，基站
2.1.1 BOM
2.1.2啟動！
2.2 Arduino車庫開啟器，手持單元
2.2.1 BOM
2.2.2啟動！

1.簡介

無線電波無處不在。來自大爆炸的深空回波在微波頻譜中最為明顯，而來自家庭內(nèi)部電線和附近地鐵系統(tǒng)的局域波在50-60Hz頻段內(nèi)最為顯著。當(dāng)您觸摸3.5mm TRS插孔并聽到令人討厭的嗡嗡聲時，您自身就已經(jīng)成為了接收偶發(fā)模擬無線電波的巨型可聽電容器。

在本文中，我們將介紹一個非常適合創(chuàng)客的實用且抗干擾的無線電系統(tǒng)。

它適用于模擬和數(shù)字的傳輸與接收，且具有CRC校驗和。該系統(tǒng)在ISM/SRD頻段（美國常用433和902-928MHz）上的位置非常靈活，并且允許對其進行編程，所以您可以選擇適合自己的以及符合國家要求的頻率。有關(guān)合法性的問題，請參考 低功率、未經(jīng)許可的發(fā)射機FCC規(guī)則 文件中的第15.231部分，間歇控制信號。

就范圍而言，它相比于WiFi有很大的進步，但還遠不及LoRa。在兩個站點上都有定向天線的視距（LOS）場景中，范圍大約為400米。

在CC1101數(shù)據(jù)表中每當(dāng)提到kBaud（千波特）時，可將其認為0.1250 kByte（千字節(jié)）。實際上，只需要把波特率視為位即可（每字節(jié)8位）。它們之間存在差異，尤其是曼徹斯特編碼和4-FSK編碼，但這與我們所要講的Arduino車庫開啟器和通用無線電接口沒什么關(guān)系。

1.1創(chuàng)客實用電臺

無線電應(yīng)用中最重要的因素是頻率（以赫茲為單位，Hz）、功率（以瓦特為單位，W）天線和空間。

現(xiàn)在我們來簡單介紹一下。

1.1.1 Frequency頻率
頻率，赫茲（千赫、兆赫、千兆赫）描述了特定事物的周期性間隔或每秒的周期數(shù)。如果擺鐘在一秒鐘內(nèi)完成了一個完整的擺動，它的頻率為1 Hz。

如果需要兩秒鐘，那么頻率為0.5Hz。而如果每秒擺動兩次，頻率則為2Hz。我們這里使用的是電磁輻射，該理論也適用于電磁波。

光速“c”是299.792.458m/s，為了簡單起見，光速被近似為300.000km/s。在知道光速和頻率的情況下，我們直接用光速除以頻率“f”（以兆赫為單位），就可以推導(dǎo)出波長。如下所示：

c / f = l
300 / 433 = 0.692

將結(jié)果“I”乘以100，得到以厘米為單位的波長，乘以（100/2.54）就可以得到以英寸為單位的波長。

如果知道光速和波長，我們將“c”除以“I”，就可以得到“f”的值。因此：

c / l = f
300 / 0.6928 = 433.02

1.1.2天線

這就是我們所需要的所有數(shù)學(xué)知識了。這很容易記住，接下來您只需要使用各種頻率和DIY天線就可以了。

我們的CC1101模塊將設(shè)置為在433MHz運行，并帶有板載SMA連接器。請注意，CC1101可以在300-348 MHz、387-464 MHz和779-928 MHz范圍內(nèi)工作。奇怪的是，附帶的天線只有4cm/1.57 in長。雖然這可能是絕緣層包裹的線圈天線，但是我還是稱這些天線為十六分之一波長天線，并且對它們沒有太多期望。

幸運的是，使用上面的公式，我們可以構(gòu)造出四分之一波長鞭形天線。對于SMA這樣的天線，可以去除橡膠絕緣層，并焊接四分之一波長線圈天線。實際上，與433MHz信號適配良好的天線長度為：

300/433/4 = 0.173

數(shù)值為17.3cm/6.18in。四分之一波長天線的長度同樣容易計算，只需要將波長的結(jié)果除以4即可。對于天線，使用絞合線或?qū)嵭揪€都可以，只要是絕緣的就行，但是實芯線更容易做成線圈。而且電氣設(shè)備長度也很重要，在一個小小的手持車庫開啟器上裝配17.3cm/6.18in的天線會很不便利。

1.1.3電源

信號強度也很重要，它被描述為每米dB毫伏（dBmV/m），或每米dB-微伏（dBuV/m），或超過一毫瓦的分貝（dBm）。您需要將頻率計數(shù)器直接放置在天線旁邊才能準確讀取—我通常只關(guān)心mW/W值，看看我能與多遠的節(jié)點之間進行ping-pong信號傳遞，就像潛艇那樣！

我們的CC1101無線電模塊在我的頻率計數(shù)器上讀數(shù)約為30mV，這很不錯（可以推測它們?yōu)?.3×0.03=100mW）。將發(fā)射器設(shè)置為連續(xù)傳輸，并在室外進行范圍測試，我在~60m/197ft處才開始丟失信號，這很棒！

如果您有興趣了解關(guān)于dBm（這是得到無線電信號強度的正確方式）的更多信息，請參閱 有關(guān)dBm的維基百科。這會很有幫助。

1.1.4空間

用外行的話來說，空間是距離，以及兩點之間空間中的任何物質(zhì)。

在空間中，可能有一棵樹、一片森林、一所房子，或者知識微小的大氣顆粒，比如水分子。如果空間里什么都沒有，那么無線電波就會從A電直線傳播到B點。如果空間里到處都是金屬碎片，那么電波就會被破壞和分散。

可以預(yù)料到，我們的無線電信號僅僅在穿越距離的過程中就會消散和散射，而如果碰到障礙物（即使只是樹上的樹葉也會成為遠程WiFi PtP連接無法克服的障礙）只會使ping-pong轉(zhuǎn)換更加困難。

令人高興的是，CC1101無線電解決了這些問題。如今，433MHz頻段很擁擠，因此對于充滿干擾和障礙物的現(xiàn)代城市環(huán)境來說，可以在~60m/197ft的范圍內(nèi)實現(xiàn)非?？煽康臄?shù)字傳輸已經(jīng)很出色了。

1.2您將會學(xué)到什么

閱讀本文后，您將會知道如何同時運行Arduino。
CC1101無線電通過SPI連接。

從Arduino 5V到3V3邏輯電平的SPI需要進行電平轉(zhuǎn)換，如果您不學(xué)會這一操作，硬件將會被燒毀。我打賭您一定會去學(xué)習(xí)的。

您還將需要學(xué)會一些實用的無線電公式，例如用于計算波長（用于天線）和波長頻率的相關(guān)公式。這使您可以輕松制作出所需的任何類型的天線。生活中普遍使用的天線是價格很高的銅線，這對您來說并不適合。

您還需要學(xué)習(xí)如何通過適度的置信度來消除輸入信號（來自觸覺開關(guān)/按鈕）的抖動。然而，這樣寫出來的代碼可能會非常復(fù)雜，一個非常好的替代方案是在一個ADC引腳上使用10K電位器。這非?？焖伲?0 uS讀取一次），而且也不需要用代碼去執(zhí)行—如果您之前沒有了解過，現(xiàn)在就應(yīng)該學(xué)會了。

當(dāng)您的構(gòu)建（有兩個）完成后，您將能夠在比WiFi所能覆蓋區(qū)域更大的范圍內(nèi)傳輸和接收控制/遙測數(shù)據(jù)，以及對字節(jié)流執(zhí)行相關(guān)操作?！癆rduinoGarageOpener_CC1101.ino”中的“magic_token”變量可以被安全地增加到32或64字節(jié)，這似乎并沒有真正影響到傳輸錯誤率。

當(dāng)您在代碼中擴展車庫基站段時，您將會學(xué)習(xí)如何非常高效使用內(nèi)存。

如果您的代碼因為定義的內(nèi)容而停止運行，就說明您使用了太多的SRAM（atmega328p只有2kB），只需要通過Arduino串行監(jiān)視器發(fā)送一個“foo!”就可以查看所剩內(nèi)存。如果沒有得到任何信息，請撤銷您最近的更改。

之后還將會提到H橋（用于改變直流電機的極性/方向），如果您想要自己構(gòu)建一個，就可以學(xué)習(xí)更多的相關(guān)內(nèi)容去完成。為了激發(fā)您的這一想法，我將會在這里簡單地展示并介紹一個H橋。它一直在我家里的某個地方，但是我從來都沒關(guān)注過它。不過為了你，我會把它找出來。

如果您喜歡對Arduino端口寄存器進行快速、直接的操作，H橋?qū)浅Ｓ杏?。更多?nèi)容請參看第2部分！

2. Arduino車庫開啟器和通用無線電接口

車庫開啟器通過一個大且重的電機進行操作。它們有各種形狀和尺寸，從很小的12V到近乎高壓的48V，甚至可以達到更高電壓。有趣的是，您打算如何與之交互？這取決于您自己。您需要打開盒子，看一下里面的東西。

可以在兩個方向上運行的雙極電機很容易獲取。只需卸下驅(qū)動電路，直到只剩下電機、電源和盒子。

Arduino電機驅(qū)動板（Rev3）不能用于這項任務(wù)（事實上應(yīng)避免使用所有L298N系列）—您需要更強大的電機驅(qū)動器，例如額定電壓為7-30V、10A的SHIELD-MD10。

或者構(gòu)建您自己的H橋，并直接通過Arduino端口操作進行驅(qū)動?？雌饋砜赡軙缦聢D示意圖所示：

請參閱下面的端口操作說明。

  Atmega328p
  Ports register reference:
  Port D
  1   2   3   4   5   6   7   8
  --  --  --  --  --  --  --  --
  D7  D6  D5  D4  D3  D2  D1  D0

  Port B
  1   2   3   4   5   6   7   8
  --- --- --- --- --- --- --- ---
          D13 D12 D11 D10 D9  D8

  Port C
  1   2   3   4   5   6   7   8
  --  --  --  --  --  --  --  --
          A5  A4  A3  A2  A1  A0

以及我的一些示例代碼：

// setup()
  // Set D8+D9+D10+D11+D13 as OUTPUTs
  DDRB = 0b00101111 ;
  // Set all bits in register LOW
  PORTB = 0b00000000 ;

// ...

// Functions that belong elsewhere
void bridgeOFF( void ) {
  // Set all output pins LOW
  PORTB = 0b00000000 ;
  // Motor Spin-down grace period
  delay( 300 ) ;
}

void bridgeForward( void ) {
  bridgeOFF() ;
  // Forward, D8+D9+D13 HIGH, D13 is the onboard LED.
  PORTB = 0b00100011 ;
}

void bridgeReverse( void ) {
  bridgeOFF() ;
  // Reverse, D10+D10 HIGH, D13 is set LOW here.
  PORTB = 0b00001100 ;
}

這完全可行，而且非常便宜。但是，其中有一點搞錯了，純*oomph*的單次擊穿將會燒毀一條或兩條電氣路徑。H橋必需精確計時。

圖中的H喬如下圖所示，盡管它使用過時的BJT，但是性能完美無缺。本來已經(jīng)弄丟了，但是我又找到了它。

電機驅(qū)動器可以由您自己來選擇（提示：SHIELD-MD10?。译姍C的選擇會因車庫設(shè)置而異。現(xiàn)在來完成Arduino車庫開啟器！

2.1 Arduino車庫開啟器，基站

首先，如果您不熟悉Arduino IDE，請先閱讀這篇文章。

從Arduino官網(wǎng)下載Arduino IDE，并點擊此處了解如何安裝該庫。

我們需要的庫包含在這個zip文件中：ArduinoGarageOpener_CC1101。

您也可以在Github上瀏覽/下載該庫，或者直接使用“git”將其直接安裝到您的Arduino庫文件夾中，如下所示：

繼續(xù)！

我們的庫Arduino_CC1101包含兩個用于發(fā)送和接收指令的示例。

如果您發(fā)現(xiàn)主程序過于復(fù)雜，請參考這些示例，這些例子只是簡單地放在了一起。

我們有一個程序文件，ArduinoGarageOpener_CC1101.ino, 它包含車庫開啟器和車庫基站的代碼。這些行決定了您編譯的Arduino固件的功能。如果您希望為手持設(shè)備編譯，將常數(shù)“IS_GARAGE_OPENE”設(shè)置為1，“IS_GARAGE_STATION”設(shè)置為0。如果編譯車庫基站，將“IS_GARAGE_STATION”設(shè)置為1，“IS_GARAGE_OPENER”設(shè)置為0。

按下CTRL+R t進行編譯，按CTRL+U進行（編譯和）上傳。程序和相關(guān)庫都可以在zip文件“ArduinoGarageOpener_CC1101”中找到。

// Handheld unit?
#define IS_GARAGE_OPENER 	0
// Garage base station?
#define IS_GARAGE_STATION	1

2.1.1 BOM

2.1.2啟動！

按照下圖進行接線。

可以看出Fritzing圖標軟件的強大功能！雖然CC1101 8P接頭畫得很差（至少從圖像上看如此），但您還是一定要進行電平轉(zhuǎn)換。如果不這樣做，CC1101還是可以正常運行，但只能運行很短的時間。

代碼：

/*
Constants from Arduino_CC1101/ELECHOUSE_CC1101.h:
Name   	Pin  Comment
SCK_PIN	13   MUST LEVELSHIFT FROM Arduino 5V to CC1101 SPI 3V3!
MISO_PIN   12
MOSI_PIN   11   MUST LEVELSHIFT FROM Arduino 5V to CC1101 SPI 3V3!
SS_PIN 	10   CSN/SS; MUST LEVELSHIFT FROM Arduino 5V to CC1101 SPI 3V3!
GDO0   	2
GDO2   	9    
*/

// Handheld unit?
#define IS_GARAGE_OPENER 	0
// Garage base station
#define IS_GARAGE_STATION	1
#if IS_GARAGE_OPENER
// Interrupt/sleep related libraries, not used.
//#include        	 
//#include  	 
//#include      	 
//#include      	 
//const byte wakePin = 3 ; // INT1
#elif IS_GARAGE_STATION
// Motor open/close drive times usually differ,
// time both separately with a stopwatch app.
#define  motor_open_drive_time 100 // ms, change this
#define  motor_close_drive_time 100 // ms, change this
#endif
#include 
const byte buttonPin = 6 ;
bool buttonState = LOW ;        	 
bool previousButtonState = LOW;   
unsigned long previousDebounceTime = 0 ;  
//unsigned long debounceDelay = 50;    
unsigned long debounceDelay = 100 ;    
const int magic_token_len = 6 ;
// PING LIKE A SUBMARINE!
byte magic_token[ magic_token_len ] = { "PING!" } ;
const int input_buffer_len = 6 ;
const byte ledPin = 4 ;
bool is_garage_open = false ;
// 0: No Serial.printing, except in serialEvent()
// 1: Lots of useful information, such as received data, events etc.
const bool debug = 1 ;

void setup( void ) {
  Serial.begin( 115200 ) ;
  pinMode( ledPin, OUTPUT ) ;
  ELECHOUSE_cc1101.Init( F_433 ); // Frequency: 433MHz
  //ELECHOUSE_cc1101.Init( F_868 ) ; // Frequency: 868MHZ
  //ELECHOUSE_cc1101.Init( F_915 ) ; // Frequency: 915MHz
  if ( IS_GARAGE_STATION )
	ELECHOUSE_cc1101.SetReceive() ; // Do listen
  else if ( IS_GARAGE_OPENER ) {
      // 10K pull-down from D6->GND, then D6->SW1->5V
	pinMode( buttonPin, INPUT ) ; 
  }
}

void loop( void ) {
  // Begin Garage Opener
  if ( IS_GARAGE_OPENER ) {
	int read = digitalRead( buttonPin ) ;
	if( read != previousButtonState ) {
  	// Reset the debouncing timer
  	previousDebounceTime = millis() ;
	}
	if ( (millis() - previousDebounceTime ) > debounceDelay ) {
  	if ( read != buttonState ) {
    buttonState = read ;
    // Still HIGH?
    if (buttonState == HIGH) {
      digitalWrite( ledPin, HIGH ) ;

      Serial.println( "[!] Sending magic_token three times ..." ) ;
      // Now send magic_token with moderate confidence
      for ( int it = 0 ; it < 3 ; it++ ) { ELECHOUSE_cc1101.SendData( magic_token, magic_token_len ) ; } delay( 50 ) ; digitalWrite( ledPin, LOW ) ; } } } previousButtonState = read ; } // End Garage Opener // Begin Garage Station else if ( IS_GARAGE_STATION ) { byte input_buffer[ input_buffer_len ] = { 0 } ; bool token_matched = false ; if ( ELECHOUSE_cc1101.CheckReceiveFlag() ) { int len = 0 ; len = ELECHOUSE_cc1101.ReceiveData( input_buffer ) ; if ( debug ) { Serial.print( F( "[!] RX data => " ) ) ;
    Serial.println( (const char *)input_buffer ) ;
    Serial.print( F( "[!] RX data length => " ) ) ;
    Serial.println( len, DEC ) ;
  	}
  	delay( 100 ) ;
  	// Are magic_token and input_buffer identical?
  	if( strncmp( (const char *)magic_token, (const char*)input_buffer, 2 ) == 0 ) {
    token_matched = true ;
    // If open, close
    // If closed, open
    // set is_garage_open accordingly
  	}
  	else token_matched = false ;
  	// End token_match
  	// Begin open/close actions
  	if ( token_matched ) {
    if ( is_garage_open ) {
      if( debug ) Serial.println( F( "[!] Garage door CLOSE action!" ) ) ;
      // Drive closed ...
      is_garage_open = false ;
      digitalWrite( ledPin, LOW ) ;
      delay( motor_close_drive_time ) ;
    }
    else if ( ! is_garage_open ) {
      if ( debug ) Serial.println( F( "[!] Garage door OPEN action!" ) ) ;
      // Drive open ...
      is_garage_open = true ;
      digitalWrite( ledPin, HIGH ) ;
      delay( motor_open_drive_time ) ;
    }
  	}
  	// End open/close actions
	}
	ELECHOUSE_cc1101.SetReceive() ; // Do continue listening
  }
}

// Called if Arduino receives data over serial link
void serialEvent( void ) {
  printFreeRAM() ;
  while ( Serial.available() > 0 )
	Serial.read() ;
}

// Print free SRAM in bytes
void printFreeRAM( void ) {
  extern int __heap_start, *__brkval ;
  int v ;
  v = (int) &v - (__brkval == 0 ? (int) &__heap_start : (int) __brkval ) ;
  Serial.print( F( "[!] Free RAM => " ) ) ;
  Serial.println( v, DEC ) ;
}

通電后，基站將開始監(jiān)聽“magic_token”，即“PING！”。這可以是任何內(nèi)容，這由您來決定。

當(dāng)它接收到正確的字節(jié)序列（目前由“P”、“I”、“N”、“G”、“！”的ASCII碼組成，由ASK調(diào)制傳輸）時，會觸發(fā)您所設(shè)定任何事件的“OPEN（打開）”/ “CLOSE（關(guān)閉）”，如SHIELD-MD10，一個H橋，或者繼電器。

“OPEN”和“CLOSE”操作存在延遲?？梢约僭O(shè)打開和關(guān)閉車庫門分別需要兩個不同的時間段，而這就是造成延遲的原因。

改變常量“motor_open_drive_time”和“motor_close_drive_time”，直到找到合適的值為止。另一種方法是使用霍爾效應(yīng)傳感器，但是本文沒有涉及。

#define  motor_open_drive_time 5000 // ms
#define  motor_close_drive_time 5000 // ms

我們使用變量“is_garage_open”追蹤當(dāng)前狀態(tài)，因此可以在車庫門打開時對其關(guān)閉，反之亦然。它僅存儲在SRAM中，而不存儲在EEPROM中。

對于基站來說特別重要的一點是，當(dāng)您添加電機驅(qū)動代碼時，一定要通過發(fā)送“foo!”到Arduino來關(guān)注串行監(jiān)視器中的剩余SRAM（CTRL+SHIFT+M）信息。當(dāng)前設(shè)置中有1823個字節(jié)可用，但是如果您引用了一些功能比較強大的庫，這可能會變化得很快。

當(dāng)觸發(fā)“OPEN”動作時，ROHM 3mm LED將會被點亮。如果變量“debug”為真，那么您就可以通過Arduino串行監(jiān)視器追動當(dāng)前狀態(tài)，如下所示。

2.2 Arduino車庫開啟器，手持單元

按下按鈕，發(fā)送“magic_token”

2.2.1 BOM

2.2.2啟動！

我們使用與基站相同的代碼，只是將常量“IS_GARAGE_OPENER”更改為1，將“IS_GARAGE_STATION”更改為0.

再一次，按照下圖接線。

瞬時開關(guān)需要消除抖動。這在一定程度上取決于您的所處環(huán)境：如果電源放在一個經(jīng)常振動的辦公桌上，那么需要的就不僅僅是手持式浮動電池供電單元。嘗試將變量“debounceDelay”設(shè)置為40-50ms。我們連接引腳D6 -> 按鈕 -> 5V，但在D6附近需要一個下拉電阻，像這樣：D6 -> 10kOhm -> GND。

將手持單元作為通用車庫開啟器（雖然它的功能更加強大）。如果使用Arduino Nano，您選擇的電池組可以很方便地作為USB移動電源。

如果您使用了Arduino Pro Mini 3V3（atmega168），那么可以使用TP4056（+DW01）電池模塊和3.7V鋰電池。如此一來就不需要用電平轉(zhuǎn)換器了。為了延長電池壽命，最好將Arduino睡眠模式設(shè)置為“LEEP_MODE_PWR_DOWN”。這取決于您。

當(dāng)按下按鈕并且去抖延遲已經(jīng)確認了按鈕在非抖動影響下確實被按下時，它將繼續(xù)通過CC1101無線電發(fā)送“magic_token”變量的內(nèi)容。

如果您的基站處在范圍內(nèi)，并已通電，它將捕獲傳輸信息，并執(zhí)行“OPEN”/“CLOSE”操作。

最后，您的桌面上會有這些東西。

不要感到絕望，縮短跳線或者將面包板分開會看起來好很多。但重點是測試其是否有效，以及效果是否非常好。

當(dāng)然，范圍測試是使用一大串電線、手上的Arduino和CC1101以及由3V3導(dǎo)軌降壓的USB電池組供電來完成的，閃爍兩次，確認收到了“PING！”。

請記住，這兩個版本可以用作模板來通過無線電控制任何類型的電子設(shè)備——它不僅限于操作車庫門。如果您需要一種簡單的方法來發(fā)送遙測數(shù)據(jù)而不會弄亂您的Raspbian裝置，則可以在任一端使用其他硬件，如Raspberry Pis。該程序易于使用到任何類型的應(yīng)用中。

現(xiàn)在去界面操作吧！

審核編輯：湯梓紅