Radio NRF24L01 îmbunătățit cu o modificare a antenei dipol DIY: 5 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Situația era că puteam transmite și primi doar prin 2 sau 3 pereți cu o distanță de aproximativ 50 de picioare, folosind module standard nRF24L01 +. Acest lucru a fost insuficient pentru utilizarea mea intenționată.

Mai demult încercasem să adaug condensatoare recomandate, dar pentru mine și hardware-ul meu am obținut foarte puține sau deloc îmbunătățiri. Deci, vă rugăm să le ignorați în fotografii.

Pentru senzorii mei de la distanță nu am vrut ca grosimea unei unități ca un nRF24L01 + PA + LNA cu montaj SMA și antenă exterioară. Așa că am creat acest modul modificat.

Cu acest modul RF24 modificat aș putea parcurge patru pereți cu o distanță de aproximativ 100 de picioare.

Acest modul ar trebui, de asemenea, aproape să dubleze distanța față de un modul standard nRF24 atunci când este utilizat cu aplicații de linie de vedere; precum avioane RF, quad-cupru, mașini și bărci (100 de metri). Nu am făcut niciun test clar de vedere. În testele mele au existat aparate de bucătărie și dulapuri și dulapuri pline de lucruri între emițătoare.

Iată câteva informații detaliate despre o antenă dipolă https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna pentru încercări suplimentare privind antenele: https://www.arrl.org sau

Am studiat unele dintre proiectarea antenelor, dar există atât de multe date și teorii specifice de proiectare în jurul unui număr vast și în creștere de modele de antene (în special pentru antenele compacte de înaltă frecvență), încât este ușor să te simți puțin pierdut în pădure. Deci experimentarea tinde să joace un rol cheie.

După ce am trecut prin toate acestea, vă dau aici implementarea modificării mele de proiectare rezultate.

Pasul 1: Articolele de care aveți nevoie

Pentru a fabrica propriul NRF24L01 + îmbunătățit cu o antenă îmbunătățită (Dipol) veți avea nevoie de:

• un modul NRF24L01 + https://www.ebay.com/itm/191351948163 sau www.ebay.com/itm/371215258056
• Fier de lipit și articole conexe.
• Exact-o-cuțit (sau alte mijloace de răzuire a acoperirilor de protecție)
• 24ga. Sârmă solidă (opțional până la 30ga.)

Pasul 2: Modificarea modulului radio

Am început cu proiectele de bază ale antenelor dipol și le-am acordat experimental.

Unele modele care necesită un element de lungime de undă need necesită ajustări fine datorită cazurilor de capacitate, impedanță, inductanță și rezonanțe. Nu am mijloace pentru a măsura aceste caracteristici într-un circuit activ de 2,4 GHz, așa că am făcut ajustarea aparent necesară prin testare empirică.

În imagine sunt câteva dintre unitățile mele de testare. Unele dintre urme au fost eliminate, pe măsură ce am lipit, ne-lipit, îndoit și re-îndoit antene. Două lucruri bune au ieșit din asta. 1) Trec de la partea de sus la partea de jos pentru a atașa un picior la sol, ceea ce sa dovedit a fi mai bun din punct de vedere mecanic și performant. 2) Am găsit că este o idee bună să atașați firul cu super-lipici sau lipici fierbinte pentru ameliorarea tensiunii (am tot îndoit accidental antena în timpul tuturor testelor.) Gata mai întâi, acest lucru le poate ține pentru lipire.

Pași pentru a face modificarea:

1. Faceți două tăieturi, de 1-2 mm lățime, ale urmelor lângă baza antenei PCB, așa cum se vede în imagine prima imagine de mai sus. Acest lucru scoate efectiv antena existentă din circuit.
2. Pe de altă parte, folosind un cuțit exact-o, îndepărtați învelișul protector peste marginea planului de masă, așa cum este indicat în a doua imagine de mai sus
3. Tăiați două 24ga. Firele la aprox. 50mm
4. Îndepărtați câțiva milimetri de izolație de la un capăt al fiecărui fir.
5. Îndoiți porțiunea goală la unghi drept pe firul care trebuie atașat la sol.
6. Lipiți fiecare sârmă în jos (recomandăm: clei-adeziv sau lipici fierbinte), astfel încât capătul gol să fie gata de lipit; una chiar sub urmele tăiate, cealaltă la marginea planului de sol din spate. Cele două fire trebuie să fie paralele și la o distanță de 6 mm.
7. Odată ce lipiciul este setat, puneți pasta de flux de lipit în locul în care veți lipi, apoi lipiți-le. Vă recomand să utilizați flux, astfel încât lipirea dvs. să ia rapid și să nu încălziți placa.
8. Faceți unghiuri clare în unghi drept în fire, departe unul de celălalt, de marginea PCB-ului, la aproximativ 6 mm în sus de unde se termină planul de sol. Consultați ultimele două imagini de mai sus. Dacă nu v-ați lipit firele, aveți grijă să nu puneți prea mult stres pe punctele de lipit.
9. Măsurați fiecare segment de sârmă care se desfășoară de-a lungul marginii plăcii la 30 mm de la îndoirea de 90 de grade și tăiați-le acolo. Am descoperit că nu pot măsura și tăia cu precizie, așa că am măsurat și marcat cu un marker fin cu vârf de fibră unde să tai.
10. Cu o verificare a ohmmetrului, asigurați-vă că firul de lângă vechile urme ale PCB-ului antenei nu are continuitate în oricare dintre tăieturile efectuate la pasul 1.

Pasul 3: Produsul finit

Modulul dvs. NRF24L01 + va avea acum performanțe mult superioare în orice proiect le folosiți. Vă puteți bucura de o fiabilitate sporită cu o gamă mai mare sau cu setări de putere radio mai mici. Ar trebui să găsiți acest lucru, chiar dacă modificați un singur radio (emițător sau receptor); și câștigați de două ori beneficiul atunci când utilizați o unitate modificată la ambele capete. Nu uitați să vă asigurați că orientați antenele paralel între ele. Implementez un proiect cu mai multe unități de senzori de la distanță care utilizează aceste aparate de radio modificate (orientate vertical cu picioarele la sol îndreptate în jos), care vor conversa cu o stație de bază centrală utilizând un NRF24L01 + PA + LNA și o antenă externă.

Antenele emițătorului și receptorului din proiectul dvs. trebuie să fie orientate în mod similar atât orizontal, cât și vertical și, de preferință, paralel între ele. În plus, poate într-o orientare gratuită dacă știți că au o preferință direcțională (acest lucru nu este indicat în general aici). Dacă antenele dvs. nu sunt neapărat diferite din punct de vedere fizic, ca și cum nu utilizați o antenă externă cu câștig mare la un capăt, atunci cel mai bine este ca antenele să fie identice și orientate exact la fel. Acest lucru se realizează pentru a atinge fiabilitatea și autonomia maximă, având în vedere că antenele sunt montate staționare.

În cele din urmă, cantitatea de îmbunătățire este puțin greu de cuantificat; dar în aplicația mea, am pus-o de la 50 la 100% față de versiunile nemodificate. Cred că este cel puțin la fel de bun ca o unitate cu o antenă externă de 2,5 db; dar nu la fel de eficient ca o unitate NRF24L01 + PA + LNA.

Principala intenție a acestui instructabil este pur și simplu de a instrui cum să concepeți un NRF24L01 + modificat cu o antenă dipol superioară, astfel încât să obțină o capacitate mai mare de transmisie și recepție și o mai bună utilizare în proiecte.

Probabil că asta este tot ceea ce va interesa majoritatea oamenilor. Cu ideea: „Ce fac pentru a obține o gamă mai mare de utilizare din aceste unități?”

Așadar, în acest moment … fă-o; și anunțați-mă despre succesele dvs. cu proiectele dvs. folosind propriile radiouri personalizate.

Dacă doriți să testați în prealabil aparatele radio modificate, am inclus software-ul pe care l-am creat pentru testarea mea, într-un pas ulterior.

Pasul 4: Cum am optimizat acest design

Acum, pentru cei interesați, voi continua să vă împărtășesc puțin despre modul în care am testat și am calificat viitoarele îmbunătățiri. Cu toate acestea, vă rugăm să rețineți, modul în care să implementați testarea nu este centrul acestui instructable.

Pentru testarea oricăror plăci Arduino sau comparabile, împreună cu module NRF24L01 +, pot fi utilizate. Versiunile 01+ sunt necesare împreună cu software-ul de testare, așa cum este scris, deoarece folosește rata de transmisie de 250KHz. Asigurați-vă că alimentați radiourile numai cu tensiuni de 1,9-3,6v.

Pentru testarea fiabilității gamei mele, am folosit ca telecomandă un Arduino pro-mini și un NRF24L01 + nemodificat. Care primește pur și simplu un pachet de date și îl repetă ca o confirmare. Acestea au fost scurte de 3,3V reglementate.

Am avut acest ansamblu înregistrat într-o cutie mică pe care am putut să o poziționez cu ușurință și în mod repetat în diferite locații de testare.

Am folosit un Nano3.0 MCU cu NRF24L01 + modificat ca transceiver principal. Acest capăt a fost staționar și a furnizat rezultatele testelor (fie printr-un afișaj LCD de 16x02, fie prin monitorul serial). La început am stabilit că o antenă îmbunătățită ar avea ca rezultat o capacitate de transmisie și recepție mai bună. În plus, aș obține aceleași rezultate ale testului cu un radio modificat dat utilizat la ambele capete. Rețineți că în test fiecare parte transmite și primește, asta pentru că după o transmisie există o confirmare care trebuie primită pentru a putea fi considerată o comunicare de succes.

Rețineți că există multe lucruri care pot afecta rezultatele testării:

• Atingând, sau cam așa, modulul RF24 sau firele acestuia.
• Corpul său este în linie cu linia de transmisie.
• Cele două de mai sus au un efect pozitiv.
• Caracteristicile tensiunii de alimentare
• Mai presus de toate, orientarea antenelor emițătorului și receptorului.
• Alt trafic WiFi în zonă. Acestea ar putea provoca diferențe care se pot simți ca cele ale „vremii bune” la „condiții de furtună”. Așa că am încercat să testez în principal în condițiile favorabile. Aș repeta testul pentru a obține cele mai bune rezultate pentru o anumită unitate testată și, ulterior, aș compara rezultatele cu rezultate comparabile obținute pe alte unități de testare.

În interior este mai greu să obțineți rezultate fiabile ale testelor în comparație cu exteriorul cu o linie de vedere. Aș putea obține diferențe drastice în rezultate deplasând poziția uneia dintre unități cu doar câțiva centimetri. Acest lucru se datorează densităților și alcătuit din bariere și căi de semnal reflectorizante. Un alt factor ar putea fi modelele de intensitate a semnalului antenei, dar mă îndoiesc că ar putea provoca diferențe drastice în mișcarea de câțiva centimetri de la o parte la alta.

Am conceput niște programe software pentru a-mi furniza câteva statistici de performanță necesare.

În plus, am configurat, pe cât posibil, condițiile de testare. La fel ca înregistrarea la un loc marcat a antenelor (Tx și Rx) plasate cu aceeași orientare pentru fiecare baterie de teste de performanță. Rezultatele testelor de mai jos reprezintă o medie combinată a mai multor teste din mai multe locații. În condițiile de testare utilizate, un radio nemodificat nu a putut primi mesaje de succes.

Am obținut cele mai bune rezultate cu 24ga. peste 30ga. sârmă. Rezultatele au fost doar puțin mai bune; să zicem 10 la sută. Desigur, am încercat doar două instanțe conectate în mod similar și este posibil să fi existat diferențe de 1 mm în topologia totală a antenei (suma diferențelor între segmente). Mai mult, am modificat prima iterație folosind 30ga.; efectuarea mai multor ajustări de 1 mm. Apoi a duplicat acele lungimi ale firelor cu 24ga. fără alte experimente comparabile în lungimi cu 24 ga. Sârmă.

[Vezi rezultatele Tabelului 1 în imaginea de mai sus]

Deoarece voiam ca unitățile mele să se încadreze într-o carcasă mică pe care o aveam, am trecut de la ca cablurile de transmisie ale antenei să fie distanțate la 10 mm și 10 mm lungime la doar 6 mm și 6 mm, apoi am testat lungimile antenei optimizate pentru acea configurație. Iată un rezumat rezumat al rezultatelor de la diferitele mele teste:

[Vezi rezultatele Tabelului 2 din imaginea de mai sus]

Testarea ulterioară, cu echipamente de măsurare de laborator mai bune, ar putea, fără îndoială, să elaboreze și să valideze lungimi de segment îmbunătățite (dimensiunea firului și, eventual, puncte de atașament sau orientare) pentru o performanță optimă reală a acestei modificări a antenei dipolare pentru radiourile nRF24.

Spuneți-ne dacă obțineți o îmbunătățire verificabilă (peste o configurație de 24ga. 6X6mm x 30mm). Mulți dintre noi ar dori să profite la maximum de aceste radiouri (fără a adăuga o antenă voluminoasă).

Antenele emițătorului și receptorului din proiectul dvs. trebuie să fie orientate în mod similar atât orizontal, cât și vertical și, de preferință, paralel între ele. În plus, poate într-o orientare gratuită dacă știți că au o preferință direcțională (acest lucru nu este indicat în general aici). Dacă antenele dvs. nu sunt neapărat diferite din punct de vedere fizic, ca și cum nu utilizați o antenă externă cu câștig mare la un capăt, atunci cel mai bine este ca antenele să fie identice și orientate exact la fel. Acest lucru se realizează pentru a atinge fiabilitatea și autonomia maximă, având în vedere că antenele sunt montate staționare.

Pasul 5: Hardware și software pe care le-am folosit la testarea mea

Hardware pe care l-am folosit pentru testarea a 2 MCU-uri compatibile Arduino

2 NRF24L01 +

Uneori am folosit și un afișaj LCD de 16x02 (pentru vizualizare convenabilă în timp real. Consola serială poate fi folosită și pentru obținerea rezultatelor testelor) un buton (pentru a iniția un nou set de teste, altfel ar trebui să treceți printr-un repornire)

Link-uri către hardware le-aș recomanda și le-aș folosi:

MCU-uri: Nano V3.0 Atmega328P pe eBay sau Pro-Mini:

NRF24L01 + module https://ebay.com/itm/191351948163 și

Modul de afișare LCD IC2 16x02

Descărcați fișierele cu cod zip aici: