Радиомодуль 433 MHz и Arduino: передатчик, приёмник, антенна

Радиомодуль 433 MHz — самый дешёвый способ добавить беспроводную связь в проект на Arduino: комплект из передатчика (FS1000A) и приёмника (XY-MK-5V) стоит совсем недорого, подключается одним проводом данных и с проволочной антенной длиной 17 см передаёт сигнал на десятки метров. На той же частоте обычно работают и радиоуправляемые розетки, беспроводные дверные звонки, пульты рольставней, датчики открытия дверей и окон, а также уличные датчики метеостанций. Поэтому с этими модулями можно и пересылать данные между двумя Arduino, и считывать коды готовых пультов у тебя дома, чтобы потом отправлять их с Arduino.

В этом руководстве разберёмся, как модули работают с модуляцией ASK (OOK), почему антенна должна быть длиной 17,3 см и как подключить их к Arduino Uno, ESP32 и Raspberry Pi Pico. Затем перешлём текст и данные датчика между двумя Arduino с библиотекой RadioHead, считаем и скопируем код пульта розетки с библиотекой RCSwitch, посмотрим, как увеличить дальность, и сравним модуль с nRF24L01.

Что такое радиомодуль 433 MHz и как он работает?

Комплект состоит из двух отдельных плат. Маленький квадратный передатчик FS1000A (продаётся и под названием XY-FST) включает и выключает несущую частоту 433,92 MHz в такт сигналу на пине DATA. Более длинный приёмник XY-MK-5V ловит этот сигнал из эфира и снова выдаёт его на пин DATA в виде 0 и 1. Иначе говоря, у самих модулей нет ни протокола, ни адреса, ни проверки ошибок: их единственная задача — передать цифровой сигнал по воздуху на другую сторону. Упаковка, проверка и декодирование данных — работа библиотеки на Arduino. Связь односторонняя: передатчик только отправляет, а приёмник только слушает.

Два пина DATA у приёмника соединены между собой на плате, так что неважно, какой из них использовать. XY-MK-5V — дешёвый, но не слишком избирательный сверхрегенеративный приёмник: его частота задаётся подстроечной катушкой на плате, и он легко ловит помехи от соседних устройств. Не крути винт в этой катушке: если заводская настройка собьётся, приёмник перестанет слышать передатчик. Для более стабильного результата подойдут супергетеродинные приёмники вроде RXB6: они чувствительнее и работают в том числе от 3,3 V. Комплект продаётся и в версии на 315 MHz; передатчик и приёмник должны быть на одной частоте, а на металлическом резонаторе платы передатчика частота обычно напечатана.

Модуляция ASK (OOK): зачем нужна библиотека?

В OOK (On-Off Keying), простейшей разновидности ASK (Amplitude Shift Keying, амплитудная манипуляция), несущая включается для бита 1 и выключается для бита 0. Звучит просто, но у приёмника есть особенность: его автоматическая регулировка усиления (AGC) при отсутствии сигнала выкручивает усиление до максимума, принимает шум эфира за данные и постоянно выдаёт на пин DATA случайные импульсы. Поэтому если подключить передатчик прямо к пину TX Arduino, а приёмник к пину RX и попытаться общаться через Serial.print, обычно получаются мусорные символы.

Драйвер RH_ASK из библиотеки RadioHead решает эту проблему так: перед каждым пакетом он отправляет 36-битную преамбулу и 12-битный стартовый символ, чтобы усиление приёмника успело установиться. Затем каждый байт превращается в два DC-сбалансированных 6-битных символа (кодирование 4 в 6), а в конец пакета добавляется 16-битная CRC. Пакеты с неверной CRC приёмник молча отбрасывает, поэтому до программы доходят только целые данные. RCSwitch же декодирует широтно-импульсное кодирование, которое используют микросхемы пультов: каждый бит представлен импульсами, которые держатся в HIGH и LOW заданное время.

Длина антенны 433 MHz: почему 17,3 см?

Антенны на модулях нет, есть только площадка для пайки с надписью ANT. Без антенны комплект работает лишь на 1–3 метра. Самая эффективная простая антенна — прямой провод длиной в четверть волны: λ = c / f = 300 000 000 / 433 920 000 ≈ 0,69 м, а четверть от этого — около 17,3 см. Для модулей на 315 MHz тот же расчёт даёт 23,8 см. Припаяй один конец одножильного провода к площадке ANT и держи провод прямым и вертикальным; к приёмнику тоже припаяй провод такой же длины и направь обе антенны в одну сторону.

Подключение радиомодуля 433 MHz: Arduino Uno, ESP32 и Pico

Передатчик нормально работает и с сигналом 3,3 V на пине DATA, поэтому на ESP32 и Pico его можно питать от 5 V, а DATA подключить прямо к GPIO. Сильнее всего на дальность влияет напряжение питания передатчика: при 3,3 V дальность заметно падает, а при 9–12 V вырастает в несколько раз. Керамический конденсатор на 100 nF и электролитический на 10 µF прямо у пинов VCC и GND приёмника снижают помехи по питанию и заметно улучшают приём.

Пересылка сообщений между двумя Arduino с RadioHead

1. Открой в Arduino IDE «Менеджер библиотек» (Library Manager), найди RadioHead и установи библиотеку Mike McCauley. Подробнее — в статье Как добавить библиотеку в Arduino.
2. Подключи передатчик к первой Arduino: DATA → D12, VCC → 5V, GND → GND.
3. Подключи приёмник ко второй Arduino: DATA → D11, VCC → 5V, GND → GND.
4. Припаяй к площадке ANT каждого модуля провод длиной 17,3 см.
5. Загрузи код передатчика в первую плату, а код приёмника во вторую, затем на стороне приёмника открой монитор порта на скорости 9600 бод.

1#include <RH_ASK.h>
2#include <SPI.h>                  // RadioHead derlemesi için / needed for RadioHead to compile
3
4RH_ASK rf(2000, 11, 12);          // hız (bps), RX pini, TX pini / speed (bps), RX pin, TX pin
5unsigned int sayac = 0;
6
7void setup() {
8  Serial.begin(9600);
9  if (!rf.init()) Serial.println("RF init hatasi / failed");
10}
11
12void loop() {
13  char mesaj[24];
14  snprintf(mesaj, sizeof(mesaj), "Merhaba %u", sayac++);
15  rf.send((uint8_t *)mesaj, strlen(mesaj));
16  rf.waitPacketSent();            // paket bitene kadar bekle / wait until the packet is sent
17  Serial.print("Gonderildi / sent: ");
18  Serial.println(mesaj);
19  delay(1000);
20}

1#include <RH_ASK.h>
2#include <SPI.h>                  // RadioHead derlemesi için / needed for RadioHead to compile
3
4RH_ASK rf(2000, 11, 12);          // vericiyle aynı hız / same speed as the transmitter
5
6void setup() {
7  Serial.begin(9600);
8  if (!rf.init()) Serial.println("RF init hatasi / failed");
9}
10
11void loop() {
12  uint8_t buf[RH_ASK_MAX_MESSAGE_LEN + 1];   // +1: metin sonu için / +1 for the string terminator
13  uint8_t len = RH_ASK_MAX_MESSAGE_LEN;      // her turda yeniden ayarla / reset on every pass
14  if (rf.recv(buf, &len)) {                  // yalnız CRC doğruysa true / true only if the CRC is valid
15    buf[len] = '\0';
16    Serial.print("Alindi / received: ");
17    Serial.println((char *)buf);
18  }
19}

В коде приёмника важно заново задавать переменную len на каждом проходе: recv() записывает в неё размер пришедшего пакета, а при следующем вызове это значение принимается за размер буфера; если его не сбросить, более длинные сообщения будут обрезаться. Если всё в порядке, в мониторе порта раз в секунду появляются строки «Merhaba 0», «Merhaba 1» (по-турецки «привет»). Если номера идут с пропусками, часть пакетов потерялась по дороге; в таком случае проверь антенну и питание.

Отправка данных датчика: пакет со структурой

В реальных проектах отправлять числа выгоднее, чем текст. Показания можно собрать в struct и передать её байты как есть. Передатчик ниже пять раз в секунду отправляет значение фоторезистора (LDR) или потенциометра на A0 и состояние кнопки на D2. Приёмник зажигает светодиод на D13, когда нажата кнопка на другой стороне, и замечает потерянные пакеты.

1#include <RH_ASK.h>
2#include <SPI.h>
3
4struct __attribute__((packed)) Paket {   // iki tarafta birebir aynı olmalı / must be identical on both sides
5  uint16_t no;                           // paket numarası / packet number
6  int16_t deger;                         // analog değer / analog value
7  uint8_t buton;                         // 1 = basılı / 1 = pressed
8};
9
10RH_ASK rf;                               // varsayılan: 2000 bps, RX 11, TX 12 / defaults
11Paket p = {0, 0, 0};
12
13void setup() {
14  pinMode(2, INPUT_PULLUP);              // buton D2-GND / button D2-GND
15  rf.init();
16}
17
18void loop() {
19  p.no++;
20  p.deger = analogRead(A0);              // örneğin LDR ya da potansiyometre / e.g. LDR or potentiometer
21  p.buton = (digitalRead(2) == LOW);
22  rf.send((uint8_t *)&p, sizeof(p));
23  rf.waitPacketSent();
24  delay(200);
25}

1#include <RH_ASK.h>
2#include <SPI.h>
3
4struct __attribute__((packed)) Paket {
5  uint16_t no;
6  int16_t deger;
7  uint8_t buton;
8};
9
10RH_ASK rf;
11const int LED = 13;
12uint16_t sonNo = 0;
13
14void setup() {
15  Serial.begin(9600);
16  pinMode(LED, OUTPUT);
17  rf.init();
18}
19
20void loop() {
21  Paket p;
22  uint8_t len = sizeof(p);
23  if (rf.recv((uint8_t *)&p, &len) && len == sizeof(p)) {
24    digitalWrite(LED, p.buton ? HIGH : LOW);   // uzaktaki buton LED'i yakar / remote button lights the LED
25    if (sonNo != 0 && p.no != (uint16_t)(sonNo + 1)) {
26      Serial.println("Paket kaybi / packet lost");
27    }
28    sonNo = p.no;
29    Serial.print(p.no);
30    Serial.print("  A0 = ");
31    Serial.println(p.deger);
32  }
33}

Атрибут __attribute__((packed)) не даёт компилятору добавлять выравнивающие байты между полями. Это важно: одна и та же структура может занимать 5 байт на Arduino Uno и 6 байт на ESP32, и при обмене между разными платами данные съезжают. Благодаря номеру пакета приёмник может посчитать, сколько пакетов потерялось. У модулей 433 MHz нет подтверждения приёма, поэтому важные команды полезно повторять несколько раз. Если поставить и передатчик, и приёмник на каждую сторону, с классом RHReliableDatagram из RadioHead можно настроить связь с подтверждением и повторной отправкой.

Считывание кодов готовых пультов с RCSwitch

Многие радиоуправляемые розетки, беспроводные звонки, пульты рольставней и садовых ворот, а также датчики открытия дверей и окон и PIR-датчики сигнализации используют кодовые микросхемы вроде EV1527 или PT2262. При каждом нажатии кнопки такая микросхема раз за разом отправляет один и тот же 12–24-битный код с паузами синхронизации между повторами. Библиотека RCSwitch (в «Менеджере библиотек» она называется rc-switch) декодирует эти коды. На Uno подключи пин DATA приёмника к пину прерывания, то есть к D2 или D3, и загрузи код ниже:

1#include <RCSwitch.h>
2
3RCSwitch rf = RCSwitch();
4
5void setup() {
6  Serial.begin(9600);
7  rf.enableReceive(digitalPinToInterrupt(2));   // alıcı DATA -> D2 (kesme pini) / receiver DATA -> D2 (interrupt pin)
8  Serial.println(F("Kumandanin tusuna bas / press a remote button"));
9}
10
11void loop() {
12  if (rf.available()) {
13    Serial.print(F("Kod / code: "));
14    Serial.print(rf.getReceivedValue());
15    Serial.print(F("  Bit: "));
16    Serial.print(rf.getReceivedBitlength());
17    Serial.print(F("  Protokol / protocol: "));
18    Serial.print(rf.getReceivedProtocol());
19    Serial.print(F("  Darbe / pulse: "));
20    Serial.print(rf.getReceivedDelay());
21    Serial.println(F(" us"));
22    rf.resetAvailable();                         // bir sonraki koda hazırlan / get ready for the next code
23  }
24}

Открой монитор порта и нажми кнопку на пульте: появится строка вроде «Kod / code: 5393 Bit: 24 Protokol / protocol: 1 Darbe / pulse: 350 us». Запиши для каждой кнопки код, число бит, протокол и длительность импульса: при копировании понадобятся все четыре значения. В пультах на EV1527 первые 20 из 24 бит — это идентификатор пульта, а последние 4 — нажатая кнопка, поэтому коды кнопок одного пульта очень близки друг к другу. В протоколе 1 одна единица времени длится около 350 µs: бит 0 — это 1 единица HIGH и 3 единицы LOW, бит 1 — 3 единицы HIGH и 1 единица LOW, а синхроимпульс — 1 единица HIGH и 31 единица LOW.

Отправка кода пульта с Arduino

Чтобы отправить считанный код, подключи пин DATA передатчика к D10, а две кнопки — между D4 и D5 и GND. При каждом нажатии кнопки Arduino повторяет код 10 раз, как это делает пульт; теперь кнопки включения и выключения розетки находятся на твоей Arduino:

1#include <RCSwitch.h>
2
3RCSwitch rf = RCSwitch();
4const int BTN_AC = 4;            // "aç" butonu D4-GND / "on" button D4-GND
5const int BTN_KAPAT = 5;         // "kapat" butonu D5-GND / "off" button D5-GND
6
7void setup() {
8  pinMode(BTN_AC, INPUT_PULLUP);
9  pinMode(BTN_KAPAT, INPUT_PULLUP);
10  rf.enableTransmit(10);         // verici DATA -> D10 / transmitter DATA -> D10
11  rf.setProtocol(1);             // önce protokol... / protocol first...
12  rf.setPulseLength(350);        // ...sonra okuduğun darbe süresi / ...then the pulse length you read
13  rf.setRepeatTransmit(10);      // her gönderim 10 kez tekrarlanır / each send is repeated 10 times
14}
15
16void loop() {
17  if (digitalRead(BTN_AC) == LOW) {
18    rf.send(5393, 24);           // okuduğun "aç" kodu ve bit sayısı / the "on" code and bit length you read
19    delay(300);
20  }
21  if (digitalRead(BTN_KAPAT) == LOW) {
22    rf.send(5396, 24);           // okuduğun "kapat" kodu / the "off" code you read
23    delay(300);
24  }
25}

Функция setProtocol() сбрасывает длительность импульса на значение по умолчанию для этого протокола, поэтому setPulseLength() всегда вызывается после неё. Если розетка не реагирует, сначала укажи точно ту длительность импульса, которая была считана (например, 320 или 420 µs), а затем увеличь число повторов до 15. У розеток с обучаемым кодом есть ещё один короткий путь: если перевести розетку в режим обучения и отправить с Arduino любой 24-битный код, розетка запомнит его. То есть можно придумать собственные коды, вообще не копируя ни один пульт.

Приёмник 433 MHz на ESP32: управление реле с пульта

ESP32 — отличный мост между пультами 433 MHz и миром Wi-Fi. RCSwitch работает и на ESP32, а поскольку любой GPIO у ESP32 поддерживает прерывания, приёмник можно подключить к любому безопасному пину. Код ниже считывает коды с приёмника на GPIO 27 (через делитель напряжения); когда приходит код твоего пульта, он переключает светодиод на GPIO 2 или модуль реле. Пульт при одном нажатии отправляет код много раз, поэтому программа не переключит выход повторно, пока код не пропадёт на 600 мс:

1#include <RCSwitch.h>
2
3RCSwitch rf = RCSwitch();
4const int RX_PIN = 27;              // alıcı DATA, gerilim bölücüyle / receiver DATA, through a divider
5const int ROLE_PIN = 2;             // dahili LED ya da röle girişi / onboard LED or relay input
6const unsigned long KOD = 5393;     // kendi kumandanın kodu / your own remote's code
7bool durum = false;
8unsigned long sonGorulme = 0;
9
10void setup() {
11  Serial.begin(115200);
12  pinMode(ROLE_PIN, OUTPUT);
13  rf.enableReceive(digitalPinToInterrupt(RX_PIN));   // ESP32'de her GPIO kesme alır / every GPIO takes interrupts on the ESP32
14}
15
16void loop() {
17  if (rf.available()) {
18    unsigned long kod = rf.getReceivedValue();
19    Serial.printf("Kod / code: %lu  %u bit  protokol %u\n", kod, rf.getReceivedBitlength(), rf.getReceivedProtocol());
20    if (kod == KOD) {
21      // kumanda kodu art arda tekrarlar; yalnız yeni basışta değiştir / the remote repeats the code; toggle only on a new press
22      if (millis() - sonGorulme > 600) {
23        durum = !durum;
24        digitalWrite(ROLE_PIN, durum ? HIGH : LOW);
25      }
26      sonGorulme = millis();
27    }
28    rf.resetAvailable();
29  }
30}

На этой основе можно построить многое: пересылать полученные коды в Home Assistant по MQTT и добавить в умный дом дешёвые датчики двери на 433 MHz или управлять розетками с телефона через передатчик на GPIO 26. RadioHead тоже поддерживает ESP32; разница лишь в том, что пины явно указываются в конструкторе: RH_ASK rf(2000, 27, 26, 25); (приёмник 27, передатчик 26 и 25 как свободный пин для PTT). Если ESP32 пока в новинку, загляни в статью Что такое ESP32?.

Передатчик 433 MHz на Raspberry Pi Pico с MicroPython

Готового аналога RCSwitch в MicroPython нет, но тайминги протокола 1 настолько просты, что их можно написать вручную в несколько строк. Подключи VCC модуля FS1000A к пину VBUS (5 V) на Pico, DATA к GP15, а кнопку — между GP16 и GND. При нажатии кнопки Pico, как и RCSwitch, отправляет 24 бита начиная со старшего, добавляет в конце синхроимпульс и повторяет весь пакет 10 раз. Если MicroPython на Pico ещё не установлен, начни со статьи Что такое Raspberry Pi Pico?.

1from machine import Pin
2import time
3
4tx = Pin(15, Pin.OUT, value=0)        # FS1000A DATA -> GP15
5buton = Pin(16, Pin.IN, Pin.PULL_UP)  # buton GP16-GND / button GP16-GND
6T = 350                               # darbe süresi µs (RCSwitch protokol 1) / pulse length µs (RCSwitch protocol 1)
7
8def darbe(yuksek, dusuk):             # süreler T cinsinden / durations in units of T
9    tx.value(1)
10    time.sleep_us(yuksek * T)
11    tx.value(0)
12    time.sleep_us(dusuk * T)
13
14def gonder(kod, bit=24, tekrar=10):
15    for _ in range(tekrar):
16        for i in range(bit - 1, -1, -1):   # en anlamlı bitten başla / start from the most significant bit
17            if (kod >> i) & 1:
18                darbe(3, 1)                # "1" biti: 3T HIGH, 1T LOW / bit "1"
19            else:
20                darbe(1, 3)                # "0" biti: 1T HIGH, 3T LOW / bit "0"
21        darbe(1, 31)                       # senkron: 1T HIGH, 31T LOW / sync
22
23while True:
24    if buton.value() == 0:                 # butona basıldı / button pressed
25        gonder(5393)                       # okuduğun kodu yaz / put the code you read here
26        time.sleep_ms(300)

Для процессора Pico на 125 MHz импульсы по 350 µs — вполне комфортная скорость: небольшие задержки Python остаются намного ниже допуска по времени в 60%, который есть у приёмников RCSwitch. Проверить код можно сразу, положив рядом Arduino с загруженным кодом чтения RCSwitch: в мониторе порта должно появиться отправленное число. На стороне приёма пришлось бы измерять длительности импульсов по меткам времени и декодировать их; для этой задачи практичнее Arduino или ESP32 с RCSwitch.

Дальность и помехи: как передать сигнал дальше

• Не забудь про антенну: припаяй прямой провод длиной 17,3 см с обеих сторон; это сильнее всего влияет на дальность.
• Подними напряжение передатчика: питание FS1000A от 9–12 V заметно увеличивает выходную мощность и дальность. Не забудь про общую землю.
• Снизь скорость: 1000 бит/с вместо 2000 в RadioHead делает каждый бит длиннее, и приёмник может декодировать более слабые сигналы. На обеих сторонах укажи одинаковую скорость.
• Прямая видимость и высота: железобетонные стены, металлические корпуса и монтаж у самого пола могут вдвое сократить дальность; вынеси антенны из металлических корпусов и подними как можно выше.
• Очисти питание: моторы, реле и импульсные блоки питания «глушат» приёмник. Дай приёмнику отфильтрованное питание и делай провода короткими.
• Возьми приёмник получше: супергетеродинный приёмник вроде RXB6 вместо XY-MK-5V с тем же передатчиком часто бьёт заметно дальше.
• Отправляй повторно: подтверждения приёма нет, поэтому важные команды отправляй 3–5 раз, а на приёмнике отсеивай повторы по номеру пакета.

Помни, что 433 MHz — общий диапазон: на той же частоте работают метеостанция соседа, автомобильные ключи и дверные звонки. В Европе диапазон 433,05–434,79 MHz открыт для безлицензионного использования устройствами малого радиуса действия, но мощность передачи ограничена 10 mW (ERP), а канал нельзя занимать постоянно; правила зависят от страны (в России действуют похожие ограничения), а в США пульты чаще работают на 315 MHz. Если отправлять данные не непрерывно, а через интервалы или только при изменении, это и укладывается в правила, и продлевает работу от батареи; для передатчика с батарейным питанием пригодится калькулятор времени работы от батареи.

Радиомодуль 433 MHz или nRF24L01?

Коротко: если нужно отправлять в одну сторону редкие небольшие данные (нажатие кнопки, значение температуры, факт открытия двери) или работать с готовыми розетками и датчиками, модуль 433 MHz — самое дешёвое и простое решение. Для радиоуправляемой машинки, джойстика или сенсорных сетей из многих узлов, где нужна быстрая двусторонняя связь с подтверждением, лучше подойдёт nRF24L01. Если нужна дальность в километры, посмотри на модули LoRa, а чтобы увидеть все варианты рядом, прочитай статью Модули беспроводной связи для Arduino.

Идеи проектов с радиомодулем 433 MHz

• Беспроводной дверной звонок: по сигналу от кнопки у садовой калитки в доме играет мелодия; для звука достаточно зуммера.
• Управление розетками с Arduino: скопируй коды радиоуправляемых розеток и включай и выключай лампы по времени или по уровню освещённости.
• Беспроводной датчик двери: поставь на дверь геркон и маленькую Arduino с передатчиком; когда дверь открывается, приёмная сторона поднимает тревогу.
• Домашняя сигнализация: собери сигнализацию на Arduino, которая объединяет готовые PIR-датчики и датчики двери на 433 MHz в одном центральном блоке.
• Садовая метеостанция: отправляй влажность почвы или температуру в дом каждые несколько минут с помощью передатчика на батарейках.
• Мост 433 MHz – Wi-Fi: управляй всеми устройствами 433 MHz в доме с телефона и из системы умного дома с помощью ESP32.

Частые ошибки и как их исправить

Радиомодули 433 MHz за совсем небольшие деньги дают проектам беспроводную «руку» и входят в число немногих модулей, способных общаться с готовыми радиоуправляемыми устройствами у тебя дома. Когда логика беспроводного управления понятна, легко освоить и другие способы — ИК-пульты и Bluetooth. В приложении BlueGrays есть проекты со схемами и пошаговым кодом: связь между двумя Arduino, включение лампы 220 V с пульта, датчик двери на герконе и сигнализация движения на ESP32.