Un radiofaro HF da 3 W che modula la propria portante RF in codice Morse, notifica le trasmissioni via Telegram, autentica ogni messaggio con un CRC basato sulla data di nascita di Marconi ed è interamente controllabile tramite browser web o Telegram, da qualsiasi parte del mondo.
1. Introduzione e ispirazione
Nel 1895, Guglielmo Marconi condusse i suoi esperimenti pionieristici di radiotrasmissione, dimostrando per la prima volta che i segnali potevano viaggiare nell’aria senza fili. Oggi, trasmettere dati in tutto il mondo tramite smartphone è un’azione ormai naturale. Tuttavia, comprendere i fondamenti dell’hardware a radiofrequenza (RF), della modulazione e della propagazione atmosferica dei segnali rimane una delle sfide più gratificanti dell’ingegneria elettronica.
Per onorare l’eredità di Marconi ed esplorare la sinergia tra le tecniche wireless storiche e le moderne tecnologie embedded, il nostro team dello SPARCLAB (il laboratorio di ricerca e ingegneria dell’IIS Cassata Gattapone, un istituto di istruzione superiore di Gubbio) ha realizzato l’Antarctic Beacon.
L’obiettivo era costruire un radiotrasmettitore compatto e a basso consumo, capace di inviare automaticamente messaggi in codice Morse (CW) sulla banda radioamatoriale dei 20 metri (circa 14 MHz) — integrando moderne funzionalità di telemetria e controllo basate sull’Internet of Things (IoT) — e di installarlo presso la Stazione Concordia in Antartide.
2. Dal laboratorio in Umbria all’Antartide
Il progetto CWbeacon è nato presso il laboratorio IoT dell’IIS Cassata Gattapone di Gubbio (Italia), dove gli studenti realizzano sistemi embedded concreti che coniugano le tecniche radiofoniche tradizionali con la connettività moderna. Il laboratorio opera utilizzando il nominativo speciale IA/IU0SZS, che viene trasmesso all’inizio di ogni messaggio Morse emesso dal beacon.
Il progetto si articola in sei sottoprogetti hardware e software: una scheda generatore di segnale RF (Si5351A), un amplificatore di potenza RF da 3 W, un filtro passa-basso per la banda dei 20 metri, una scheda di controllo NodeMCU, il firmware descritto in questo articolo e un’antenna compatta per i 14 MHz. Insieme, questi elementi costituiscono una stazione HF autonoma, installabile ovunque sia disponibile una fonte di alimentazione e una connessione di rete.
L’installazione più significativa realizzata finora è quella presso la base Concordia, in Antartide: qui è stata collocata un’unità che ha trasmesso i suoi messaggi Morse autenticati dalla latitudine 75° Sud, ovvero da una distanza tale da rappresentare quasi il limite massimo raggiungibile da un’onda radio partendo da Gubbio.
IIS Cassata Gattapone
Stazione Concordia, Dome C, Antartide
3. Architettura hardware e scomposizione del sistema
Il beacon completo è costituito da sei moduli: alimentatore, generatore di segnale RF, amplificatore di potenza RF, filtro passa-basso, scheda di controllo e antenna.
L’IoT Lab ha progettato e assemblato ciascun modulo, che è possibile replicare utilizzando componenti disponibili in commercio.
3.1. Alimentazione: Convertitore DC/DC step-down (da 12 V a 5 V)
Converte la tensione di alimentazione in ingresso (12 V) in una linea stabile a 5 V, necessaria per il microcontrollore principale e i circuiti ausiliari di bordo, garantendo un’elevata efficienza di conversione e una ridotta dissipazione termica.
Il sistema si basa su un regolatore di tensione step-down compatto – l’MP1584 di MPS, operante a 1,5 MHz – montato su un PCB di dimensioni molto ridotte (17 x 22 mm) e in grado di erogare una corrente fino a 3 A.
3.2. Generatore di segnali RF con Si5351A
La frequenza portante è generata da una scheda breakout Etherkit Si5351A, un circuito integrato di clock programmabile a tre uscite controllato via I²C (SDA su GPIO4/D2, SCL su GPIO5/D1).
L’uscita CLK0 è impostata a 14,097 MHz all’avvio e può essere regolata di fino tramite un fattore di correzione memorizzato nella EEPROM.
L’Si5351A offre un’eccellente stabilità di frequenza a un costo contenuto — decisamente superiore a quella di un semplice oscillatore a quarzo — e la sua uscita può essere attivata o disattivata nell’ordine dei microsecondi, caratteristica fondamentale per la manipolazione del codice Morse.
3.3. Amplificatore di potenza RF — Stadio lineare da 3 W
Il livello di uscita del Si5351A (alcuni milliwatt) viene amplificato da un piccolo amplificatore lineare in classe AB fino a una potenza continua di circa 3 W.
Lo stadio impiega una coppia di transistor RF in configurazione a cascata ed è polarizzato per garantire una buona linearità, aspetto importante per il modo CW (bassa distorsione armonica; la purezza spettrale è rilevante anche ai fini delle normative per il servizio di radioamatore).
Qui di seguito è riportato lo spettro RF del segnale amplificato.
3.4. Filtraggio: filtro passa-basso LC e filtro notch
Sono stati aggiunti un filtro passa-basso LC e un filtro notch per garantire che il segnale venga emesso esclusivamente alla frequenza desiderata. Essi sono fondamentali per la purezza spettrale e la conformità alle normative.
Il circuito è illustrato di seguito.
La simulazione della risposta in frequenza del filtro è stata effettuata con il software LTspice.
Dall’immagine qui sotto. si vede chiaramente l’attenuazione di 0 dB a 14 MHz e il forte effetto del filtro notch a 28 MHz, la seconda armonica.
È fondamentale sopprimere le armoniche indesiderate e le emissioni spurie generate durante la generazione del segnale e l’amplificazione di potenza, inviando all’antenna un’onda sinusoidale pulita.
L’immagine seguente mostra la risposta in frequenza della combinazione di filtro passa-basso (LPF) e filtro notch, misurata con un analizzatore di reti vettoriale Siglent SVA1032X.
3.5. Scheda di controllo — NodeMCU v2 (ESP8266)
Il cuore del sistema è un modulo NodeMCU v2 basato su ESP8266, dotato di 4 MB di memoria flash SPI.
Gestisce il bus I²C per il chip Si5351A, pilota un LED di stato sul pin GPIO14 (che lampeggia in sincronia con la portante Morse), gestisce la connettività Wi-Fi in modalità duale STA/AP ed esegue simultaneamente il server web, il bot Telegram e il client NTP.
Il firmware viene descritto più avanti in questo articolo e le sue funzioni principali sono le seguenti:
- L’invio Morse non bloccante (basato su
millis()) che mantiene il loop principale reattivo - La connettività Wi-Fi in modalità STA con fallback automatico ad AP (
CWbeacon-AP) - Il server web integrato su porta 80
- La sincronizzazione NTP con
pool.ntp.org(UTC, risincronizzazione ogni ora) - Il bot Telegram tramite la libreria AsyncTelegram2 su TLS/BearSSL
- La persistenza della configurazione in EEPROM emulata (512 byte su flash SPI)
- L’aggiornamento firmware OTA via browser
3.6. Sistema d’antenna: antenna alimentata a un’estremità per la banda dei 20 metri
A half-wave end-fed antenna tuned specifically for the 14 MHz band, providing efficient radiation in harsh Antarctic conditions with a straightforward installation footprint.
An end-fed antenna is essentially a half-wave dipole fed at one end by appropriate matching circuitry, depicted below.
La circuiteria dell’elettronica di adattamento è mostrata nell’immagine seguente. Essa comprende un’induttanza e una capacità, opportunamente calcolate per ottenere un’impedenza di 50 Ohm al connettore di ingresso.
I valori dell’induttore e del condensatore sono, rispettivamente, 4,5 µH e 28 pF.
L’induttore è realizzato avvolgendo 16 spire di filo su un nucleo toroidale T130-2, mentre il condensatore è costituito da 27 cm di cavo coassiale RG316. La lunghezza del filo dell’antenna è di circa 10,14 m.
Durante l’installazione, è necessario regolare il condensatore e la lunghezza del filo dell’antenna per ottenere la migliore risonanza possibile.
L’immagine sottostante mostra l’ottima accordatura dell’antenna, con un valore eccellente del parametro S11.
Altri due induttori (2 x 56 µH) sono collegati direttamente al connettore coassiale: fungono da cortocircuito verso massa per le scariche elettrostatiche, fenomeno molto frequente negli ambienti estremamente secchi.
Le due immagini sottostanti mostrano il momento dell’installazione dell’antenna (a circa -35 °C) presso la base Concordia, a Dome C, in Antartide.
Il cavo dell’antenna è ricoperto di ghiaccio. Date le condizioni meteorologiche estreme, è necessario utilizzare un cavo speciale con isolamento in PTFE o FEP; i comuni cavi in PVC o altre materie plastiche non sono idonei a temperature inferiori a -40 °C.
L’antenna è collegata al trasmettitore tramite un cavo coassiale di ottima qualità, fornito gratuitamente da uno dei nostri sponsor, Messi & Paoloni. Li ringraziamo vivamente per l’eccellente cavo.
4. Assemblaggio finale e test di integrazione
Tutti e sei i moduli sono alloggiati in un contenitore compatto. Sequenza di avvio: il NodeMCU si avvia, carica tutte le impostazioni dalla EEPROM emulata, tenta la connessione Wi-Fi in modalità STA (passando alla modalità AP se la rete non è raggiungibile), acquisisce l’ora corrente tramite NTP, compone il messaggio “beacon” includendo il relativo CRC e avvia la prima trasmissione in codice Morse a pochi secondi dall’accensione.
Nell’immagine seguente, procedendo da destra verso sinistra nella parte inferiore: connettore di alimentazione in ingresso, convertitore DC/DC, NodeMCU, generatore di segnale Si5351 e un LED.
Nella parte superiore dell’immagine, da sinistra a destra, troviamo: una piccola ventola, l’amplificatore di potenza RF con il relativo dissipatore di calore, il filtro LC e il connettore RF SO-239.
Distinta base (BOM)
| Componente | Descrizione | Note |
|---|---|---|
| NodeMCU v2 (ESP8266) | Microcontrollore con Wi-Fi integrato | 4 MB di flash |
| Si5351A breakout | Sintetizzatore di frequenza I²C | Etherkit o compatibile |
| Amplificatore RF | Stadio a cascata ~3 W @ 14 MHz | Transistor discreti |
| Filtro LC LPF + Notch | Filtro passa-basso con notch 20 m | Simulato LTspice, misurato VNA |
| Trasformatore EFHW T130-2 | 16 spire, 4,5 µH, 28 pF (RG316 27 cm) | Per antenna end-fed |
| Filo radiatore antenna | ~10,14 m conduttore | Cavo PTFE/FEP per −40 °C |
| Induttori choke ESD | 2× 56 µH | Protezione ESD / modo comune |
| Convertitore DC/DC MP1584 | 12 V → 5 V, 3 A, 1,5 MHz | 17×22 mm |
| Alimentatore DC | 12 V / 1000 mA regolato | Ingresso sistema |
| LED di stato + resistore | Rail 3,3 V | GPIO14 (D5) |
| Cavo coassiale RF | Messi & Paoloni (sponsor) | Connessione PA → filtro → antenna |
Il cavo coassiale RF è stato gentilmente fornito da Messi & Paoloni, sponsor tecnico del progetto.
6. Il software che unisce il tutto
Il firmware è basato sul framework Arduino per ESP8266 e si articola attorno a un ciclo principale non bloccante. A ogni iterazione, il trasmettitore Morse verifica se sia il momento di commutare la portante RF, il server web e il bot Telegram controllano la presenza di richieste in arrivo e il client NTP risincronizza l’orologio con cadenza oraria.
Manipolazione Morse tramite Si5351A
Il cuore del sistema di manipolazione RF è una versione modificata della libreria open-source MorseSender. La modifica principale riguarda la sottoclasse LEDMorseSender: i metodi setOn() e setOff() ora pilotano simultaneamente il pin GPIO e abilitano/disabilitano l’uscita CLK0 del chip Si5351A tramite bus I²C:
void LEDMorseSender::setOn() {
digitalWrite(pin, HIGH); // LED on
beacon.output_enable(SI5351_CLK0, 1); // RF carrier on
}
void LEDMorseSender::setOff() {
digitalWrite(pin, LOW); // LED off
beacon.output_enable(SI5351_CLK0, 0); // RF carrier off
}
Ciò garantisce una commutazione (keying) visiva e RF perfettamente sincronizzata. La temporizzazione è conforme allo standard PARIS (50 punti per parola), con una velocità WPM configurabile (valore predefinito: 12 WPM).
Il messaggio beacon autenticato
Ogni messaggio trasmesso segue il formato:
IA/IU0SZS 130YR PB14QV A3C2
^^^^^^^^^^^ ^^^^^^^^^^^^^ ^^^^
Call sign Custom message CRC
Il CRC è calcolato con l’algoritmo Fletcher-16 sulla stringa composta dall’orario UTC corrente con risoluzione al minuto (yymmddhhmm) concatenato con il sale fisso "25041874" (la data di nascita di Marconi). Ogni ricevitore che conosce il sale può verificare in modo indipendente l’autenticità e il timestamp di ogni trasmissione ricevuta.
Perché proprio il compleanno di Marconi?
Questo beacon è stato realizzato per il 130° anniversario della radio. Inserire “25041874” in ogni hash di autenticazione costituisce un omaggio permanente: un promemoria del fatto che ogni pacchetto Wi-Fi IoT e ogni segnale Morse riconducono alla stessa scintilla creativa.
Connettività e interfacce di controllo
| Interfaccia | Accesso | Funzioni principali |
|---|---|---|
| Interfaccia Web | http://<ip-dispositivo>/ | Stato beacon, configurazione completa, riavvio |
| OTA Firmware | http://<ip-dispositivo>/update | Aggiornamento firmware via browser (protetto da password) |
| Bot Telegram | 15 comandi | Controllo e monitoraggio in tempo reale |
| Console seriale | 115200 baud, 8N1 | Diagnostica e recupero credenziali |
| Modalità AP fallback | SSID: CWbeacon-AP | Configurazione iniziale senza rete disponibile |
Comandi Telegram
Qui a fianco è riportato uno screenshot dell’app Telegram durante una conversazione con il bot.
Il bot offre all’operatore il controllo remoto in tempo reale del beacon, da qualsiasi luogo, purché lo smartphone sia connesso alla rete Internet.
Solo chi è autorizzato può inviare messaggi e comandi, il sistema effettua un controllo su ogni messaggio in arrivo così da evitare che chi non è autorizzato possa utilizzarlo.
Nella tabella seguente sono riportati i comandi a cui il bot Telegram può rispondere.
| Comando | Descrizione |
|---|---|
/help | Lista di tutti i comandi disponibili |
/stat | Stato completo: messaggio, QRG, velocità, RSSI, IP, uptime |
/beaconon | Abilita il trasmettitore RF |
/beaconoff | Disabilita il trasmettitore RF |
/getqrg | Legge la frequenza portante attuale |
/getcal | Legge il fattore di calibrazione attuale |
/getmsg | Legge il messaggio QTC attuale |
/getqrz | Legge il nominativo attuale |
/getspd | Legge la velocità Morse attuale (WPM) |
/info | Versione firmware |
/reboot | Riavvia il dispositivo |
/setqrg N | Imposta la frequenza a N Hz (salva in EEPROM) |
/setcal N | Imposta il fattore di calibrazione a N (salva in EEPROM) |
/setmsg T | Imposta il testo QTC a T (max 32 caratteri, salva in EEPROM) |
/setqrz C | Imposta il nominativo a C (max 16 caratteri, salva in EEPROM) |
/setspd W | Imposta la velocità a W WPM (1–30, salva in EEPROM) |
7. Risultati nel mondo reale e test di propagazione
L’impiego di un radiofaro sulla banda dei 20 metri dall’entroterra antartico consente ai radioamatori e alle reti di monitoraggio automatico di tutto il mondo di registrare le ricezioni del segnale. Ciò offre informazioni pratiche sulla propagazione ionosferica in HF, sugli effetti dell’attività solare e sull’attenuazione del segnale in condizioni polari.
In ogni caso, ricevere questo segnale debole non è semplice: la potenza di trasmissione è di soli 3 W e l’antenna è un modello monofanda di tipo end-fed per la banda dei 20 metri.
Qui di seguito è riportato lo spettrogramma del segnale ricevuto in Nuova Zelanda tramite un SDR online.
Ricezione in Nuova Zelanda
Una delle ricezioni più significative è avvenuta tramite un WebSDR in Nuova Zelanda: il waterfall dello spettrogramma ha mostrato chiaramente il segnale CW del beacon, decodificabile con precisione. La Nuova Zelanda si trova a circa 5.000 km dalla Stazione Concordia — un collegamento notevole per un trasmettitore da 3 W.
Ricezione in Italia: oltre 15.000 km
Il collegamento più emozionante è stato quello di chiudere il cerchio: il comando impartito dal laboratorio di Gubbio (via controllo remoto), ha avviato la trasmissione del segnale radio dall’Antartide, che è stato ricevuto in Italia a oltre 15.000 km di distanza. La traccia di ricezione ha dimostrato la piena funzionalità del sistema end-to-end, dalla digitazione del comando Telegram fino alla ricezione del segnale Morse nell’etere.
8. Conclusioni e impatto educativo
Oltre al suo ruolo operativo presso la Base Concordia, l’Antarctic Beacon funge da piattaforma di apprendimento pratico presso SPARCLAB (www.sparclab.it). Dimostra come, eliminando complessi livelli di astrazione per tornare alla generazione fondamentale di segnali RF e al codice Morse, sia possibile insegnare concetti chiave quali la progettazione RF, l’adattamento di impedenza, la conversione di potenza e il controllo IoT.
Il radioamatore si è sempre distinto per la capacità di creare connessioni su distanze apparentemente impossibili. Il progetto del beacon CW riprende questo concetto integrandovi la tecnologia IoT: lo stesso microcontrollore che mantiene la portante RF in frequenza gestisce anche una conversazione su Telegram, ospita una pagina web e firma crittograficamente le proprie trasmissioni includendo un timestamp e un frammento di storia.
Ciò che era nato come un progetto didattico per celebrare i 130 anni delle comunicazioni wireless è finito tra i ghiacci dell’Antartide, trasmettendo un segnale che qualsiasi ascoltatore di onde corte nel mondo può ricevere e decodificare. Per noi, questa rappresenta esattamente il tipo di connessione che è al centro di questo concorso.
Open source — firmware su GitHub
Il codice sorgente completo del firmware (CWbeaconWeb v1.32), inclusi la libreria Morse modificata e il driver per l’Si5351A, è pubblicato su GitHub:
📦 github.com/Doctor-IoT/CW-beacon
Lo schema elettrico e i file del PCB sono disponibili sul blog del progetto. La libreria Morse principale deriva dalla libreria open source per Arduino realizzata da Stephen Christen, con modifiche specifiche per la manipolazione (keying) del chip Si5351A.
Link al progetto
- 🔗 Repository GitHub (firmware open source): github.com/Doctor-IoT/CW-beacon
- 🔗 Post in lingua inglese su element14 Project14: Antarctic Beacon — Make a Connection
- 📡 Stazione radioamatoriale della scuola: IA/IU0SZS https://iu0szs.wordpress.com
- 🌐 SPARCLAB: www.sparclab.it IoT Lab: IIS Cassata Gattapone, Gubbio, Italy
Ringraziamenti speciali a Messi & Paoloni per la fornitura del cavo coassiale RF, a TSP S.r.l. per gran parte dei componenti elettronici e le misure, e a tutto il personale della Stazione Concordia per la collaborazione e l’installazione fisica del sistema.