Усовершенствованное радио NRF24L01 с модификацией дипольной антенны DIY .: 5 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Ситуация заключалась в том, что я мог передавать и принимать только через 2 или 3 стены на расстоянии около 50 футов, используя стандартные модули nRF24L01 +. Этого было недостаточно для предполагаемого использования.

Раньше я пытался добавить рекомендуемые конденсаторы, но для меня и моего оборудования улучшений практически не было. Поэтому, пожалуйста, не обращайте на них внимания на фотографиях.

Для моих удаленных датчиков мне не нужна большая часть устройства, такого как nRF24L01 + PA + LNA с SMA Mount и внешней антенной. Итак, я создал этот модифицированный модуль.

С этим модифицированным модулем RF24 я мог пройти через четыре стены на расстояние около 100 футов.

Этот модуль также должен почти вдвое превышать расстояние по сравнению со стандартным модулем nRF24 при использовании с приложениями прямой видимости; как самолеты RF, квадроциклы, автомобили и лодки (100 метров). Я не проводил никаких тестов на прямой видимости. В моих тестах между приемопередатчиками были кухонные приборы, шкафы и туалеты, набитые всякой всячиной.

Вот некоторая подробная информация о дипольной антенне https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna для дальнейшего изучения антенн попробуйте: https://www.arrl.org или

Я немного изучал конструкции антенн, но существует так много конкретных проектных данных и теории вокруг огромного и постоянно растущего числа конструкций антенн (особенно для высокочастотных компактных антенн), что легко почувствовать себя немного потерянным в лесу. Так что эксперименты, как правило, играют ключевую роль.

Теперь, пройдя через все это, я представляю вам реализацию полученной мной модификации дизайна.

Шаг 1. Вещи, которые вам понадобятся

Чтобы изготовить собственный усовершенствованный NRF24L01 + с улучшенной (дипольной) антенной, вам понадобятся:

• модуль NRF24L01 + https://www.ebay.com/itm/191351948163 или www.ebay.com/itm/371215258056
• Паяльник и сопутствующие товары.
• Exact-o-knife (или другое средство для соскабливания защитных покрытий)
• 24ga. Сплошной провод (опционально до 30га.)

Шаг 2: изменение радиомодуля

Я начал с основных конструкций дипольных антенн и экспериментально настроил их.

Некоторые конструкции, в которых требуется элемент с длиной волны, нуждаются в точной настройке из-за емкости, импеданса, индуктивности и резонансов. У меня нет средств для измерения этих характеристик в активной цепи 2,4 ГГц, поэтому я произвел, по-видимому, необходимую настройку путем эмпирического тестирования.

На фото несколько моих тестовых образцов. Некоторые следы оторвались, когда я припаял, распаял, согнул и переогнул антенны. Из этого вышли две хорошие вещи. 1) Я переключаюсь с верхней стороны на нижнюю, чтобы прикрепить одну ногу к земле, что оказалось лучше механически и с точки зрения производительности. 2) Я обнаружил, что неплохо прикрепить провод с помощью суперклея или горячего клея для снятия натяжения (я случайно сгибал антенну во время всех испытаний). Сделайте сначала, это может удержать их для пайки.

Шаги по внесению модификации:

1. Сделайте два надреза шириной 1-2 мм из следов возле основания антенны печатной платы, как показано на первом изображении выше. Это эффективно исключает существующую антенну из цепи.
2. С другой стороны, используя точный нож, соскоблите защитное покрытие с края заземляющего слоя, как показано на втором изображении выше.
3. Вырезаем два 24га. Провода до прибл. 50 мм
4. Снимите пару миллиметров изоляции с одного конца каждого провода.
5. Согните оголенную часть под прямым углом на проводе, который нужно прикрепить к земле.
6. Приклейте каждый провод (рекомендуется: ужин-клей или горячий клей), чтобы оголенный конец был готов к пайке; один сразу под следами разреза, другой на краю заземляющей плоскости на задней стороне. Два провода должны лежать параллельно на расстоянии 6 мм друг от друга.
7. После того, как клей застынет, нанесите флюсовую пасту туда, где собираетесь паять, а затем припаяйте их. Я рекомендую использовать флюс, чтобы пайка прошла быстро и вы не перегрели плату.
8. Сделайте четкие изгибы под прямым углом на проводах друг от друга у края печатной платы на расстоянии ~ 6 мм от того места, где заканчивается заземляющая пластина. Обратитесь к двум последним изображениям выше. Если вы не приклеили провода, будьте особенно осторожны, чтобы не слишком сильно нагружать точки пайки.
9. Отмерьте каждый сегмент провода, идущий вдоль края доски на расстоянии 30 мм от изгиба на 90 градусов, и отрежьте их там. Я обнаружил, что не могу точно измерить и отрезать, поэтому измерил и пометил маркером с тонким волокном, где нужно резать.
10. С помощью омметра проверьте, чтобы провод рядом со старыми дорожками на печатной плате антенны не имел целостности ни в одном из разрезов, сделанных на шаге №1.

Шаг 3: Готовый продукт

Ваш модуль NRF24L01 + теперь будет работать намного лучше в любом проекте, в котором вы его используете. Вы можете наслаждаться либо повышенной надежностью с большим радиусом действия, либо меньшими настройками мощности радиосвязи. Вы должны найти это так, даже изменив только одно радио (передатчик или приемник); и получите вдвое больше преимуществ при использовании модифицированного устройства на обоих концах. Не забудьте расположить антенны параллельно друг другу. Я реализую проект с несколькими удаленными сенсорными блоками, использующими эти модифицированные радиомодули (вертикально ориентированные, их заземляющие ножки направлены вниз), которые все будут общаться с центральной базовой станцией, используя NRF24L01 + PA + LNA и внешнюю антенну.

Антенны передатчика и приемника в вашем проекте должны быть ориентированы одинаково, горизонтально или вертикально, и желательно параллельно друг другу. Кроме того, возможно, в дополнительной ориентации, если вы знаете, что у них есть предпочтения по направлению (здесь это обычно не указывается). Если ваши антенны не обязательно отличаются физически, например, вы не используете внешнюю антенну с высоким коэффициентом усиления на одном конце, то лучше всего, чтобы антенны были идентичными и ориентированы точно так же. Это сделано для того, чтобы добиться максимальной надежности и дальности связи, и учитывая, что антенны установлены стационарно.

В конце концов, количество улучшений сложно определить количественно; но в моем приложении я поставил от 50 до 100% по сравнению с неизмененными версиями. Я думаю, что он как минимум не хуже устройства с внешней антенной 2,5 дБ; но не так эффективен, как блок NRF24L01 + PA + LNA.

Основная цель данного руководства - просто проинструктировать о том, как разработать модифицированный NRF24L01 + с улучшенной дипольной антенной, чтобы он обеспечивал более широкие возможности приема и передачи и удобство использования в проектах.

Это, вероятно, все, что заинтересует большинство людей. С идеей: «Что мне делать, чтобы увеличить полезную дальность действия этих устройств?»

Итак, на данный момент… приступайте к делу; и дайте мне знать о ваших успехах в ваших проектах, используя ваши собственные индивидуальные радиоприемники.

Если вы хотите предварительно протестировать свои модифицированные радиомодули, я включил программное обеспечение, которое я создал для тестирования, на более позднем этапе.

Шаг 4: Как я оптимизировал этот дизайн

Теперь для тех, кому интересно, я расскажу немного о том, как я тестировал и оценивал потенциальные улучшения. Однако учтите, что это руководство не касается того, как реализовать тестирование.

Для тестирования могут использоваться любые платы Arduino или сопоставимые с ними, а также модули NRF24L01 +. Версии 01+ необходимы с тестовым программным обеспечением, как написано, потому что оно использует скорость передачи 250 кГц. Обязательно запитывайте радио только напряжением 1,9–3,6 В.

Для тестирования надежности диапазона я использовал pro-mini Arduino и немодифицированный NRF24L01 + в качестве пульта дистанционного управления. Которая просто получает пакет данных и возвращает его в качестве подтверждения. Они управлялись регулируемым напряжением 3,3 В.

Я поместил эту сборку в небольшую коробку, которую я мог легко и неоднократно размещать в различных местах проведения испытаний.

Я использовал микроконтроллер Nano3.0 с модифицированным NRF24L01 + в качестве основного трансивера. Этот конец был стационарным и предоставлял результаты испытаний (либо на ЖК-дисплее 16x02, либо на последовательном мониторе). С самого начала я установил, что улучшенная антенна улучшит как передачу, так и прием. Кроме того, я бы получил одинаковые результаты испытаний с данным модифицированным радио, используемым на обоих концах. Обратите внимание, что в тесте каждая сторона и передает, и принимает, потому что после передачи необходимо получить подтверждение, чтобы оно считалось успешным.

Обратите внимание, что есть много вещей, которые могут повлиять на результаты тестирования:

• Прикосновение или почти прикосновение к модулю RF24 или проводам к нему.
• Тело человека на одной линии с линией передачи.
• Вышеупомянутые два имеют положительный эффект.
• Характеристики напряжения питания
• Прежде всего, ориентация антенн передатчика и приемника.
• Другой Wi-Fi трафик в этом районе. Это может вызвать различия, которые могут ощущаться как от «хорошей погоды» до «штормовых условий». Поэтому я старался в основном тестировать при благоприятных условиях. Я бы повторил тест, чтобы получить наилучшие результаты для данного тестируемого устройства, а затем сравнил бы эти результаты с сопоставимыми результатами, полученными на других тестовых модулях.

В помещении получить надежные результаты испытаний труднее, чем на открытом воздухе при прямой видимости. Я мог добиться резких различий в результатах, переместив положение одного из блоков всего на несколько дюймов. Это связано с плотностью и составом барьеров и отражающих сигнальных путей. Другим фактором может быть диаграмма силы сигнала антенны, но я сомневаюсь, что это может вызвать резкие различия при перемещении из стороны в сторону на несколько дюймов.

Я разработал программное обеспечение, которое предоставляет мне необходимую статистику производительности.

Плюс я установил максимально фиксированные условия тестирования. Подобно приклеиванию ленты к отмеченному месту, антенны (Tx и Rx) размещаются с одинаковой ориентацией для каждой батареи тестов производительности. Приведенные ниже результаты тестов представляют собой совокупное среднее значение нескольких тестов из разных мест. В используемых условиях тестирования немодифицированное радио не могло передать никаких успешных сообщений.

Я получил наилучшие результаты с 24ga. свыше 30га. провод. Результаты были только немного лучше; скажем, 10 процентов. По общему признанию, я пробовал только два аналогично подключенных экземпляра, и, возможно, общая топология антенны (сумма различий по сегментам) отличалась на 1 мм. Далее, я настроил первую итерацию, используя 30ga.; сделав несколько корректировок на 1 мм. Затем продублировал эти длины проводов с помощью 24ga. без дальнейших сопоставимых экспериментов по длине с 24 ga. Проволока.

[См. Результаты таблицы 1 на изображении выше]

Поскольку я хотел, чтобы мои устройства поместились в небольшом футляре, который у меня был, я переключился с того, чтобы провода передачи антенны находились на расстоянии 10 мм друг от друга и имели длину 10 мм, на 6 мм и 6 мм, а затем протестировали оптимальную длину настроенной антенны для этой конфигурации. Вот краткое изложение результатов моих различных тестов:

[См. Результаты таблицы 2 на изображении выше]

Дальнейшие испытания с использованием более совершенного лабораторного измерительного оборудования, без сомнения, могли бы разработать и подтвердить улучшенные длины сегментов (размер провода и, возможно, точки присоединения или ориентации) для истинно оптимальных характеристик этой модификации дипольной антенны для радиостанций nRF24.

Сообщите нам, если вы получите заметное улучшение (по сравнению с конфигурацией 24ga, 6X6 мм x 30 мм). Многие из нас хотели бы получить максимальную отдачу от этих радиоприемников (без добавления громоздкой антенны).

Антенны передатчика и приемника в вашем проекте должны быть ориентированы одинаково, горизонтально или вертикально, и желательно параллельно друг другу. Кроме того, возможно, в дополнительной ориентации, если вы знаете, что у них есть предпочтения по направлению (здесь это обычно не указывается). Если ваши антенны не обязательно отличаются физически, например, вы не используете внешнюю антенну с высоким коэффициентом усиления на одном конце, то лучше всего, чтобы антенны были идентичными и ориентированы точно так же. Это сделано для того, чтобы добиться максимальной надежности и дальности связи, и учитывая, что антенны установлены стационарно.

Шаг 5. Аппаратное и программное обеспечение, которое я использовал при тестировании

Оборудование, которое я использовал для тестирования 2 микроконтроллеров, совместимых с Arduino

2 NRF24L01 +

Иногда я также использовал ЖК-дисплей 16x02 (для удобного просмотра в реальном времени. Последовательную консоль также можно использовать для получения результатов тестирования) кнопку (чтобы начать новый набор тестов, иначе вам нужно было бы пройти через рестарт)

Ссылки на оборудование, которое я бы рекомендовал и использовал:

Микроконтроллеры: Nano V3.0 Atmega328P на eBay или Pro-Mini:

Модули NRF24L01 + https://ebay.com/itm/191351948163 и

Модуль дисплея LCD IC2 16x02

Загрузите файлы заархивированного кода здесь: