Диаграмма направленности ESP8266: 7 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

ESP8266 - популярный модуль микроконтроллера, потому что его можно подключать к Интернету через встроенный WiFi. Это открывает множество возможностей для любителей создавать гаджеты с дистанционным управлением и устройства IoT с минимумом дополнительного оборудования. Удобно, что большинство модулей содержат антенну либо печатную схему инвертированного типа F, либо керамический чип. Некоторые платы даже позволяют подключать внешнюю антенну для увеличения дальности действия. Большинство из нас знакомы с особенностями антенн радио, телевидения или даже сотовых телефонов. После тщательной регулировки положения антенны или набора сигнал становится шумным, как только вы уходите и садитесь! К сожалению, ESP8266, будучи беспроводным устройством, может демонстрировать подобное антиобщественное поведение. В этой инструкции объясняется метод измерения диаграммы направленности ESP8266 с использованием мощности сигнала RSSI, сообщаемой модулем. Тестируются несколько типов антенн, и для каждой версии выделяется оптимальное место. Небольшой шаговый двигатель используется для поворота модуля ESP8266 на 360 градусов в течение 30 минут, а среднее значение RSSI измеряется каждые 20 секунд. Данные отправляются в ThingSpeak, бесплатную службу анализа IoT, которая отображает результаты в виде полярного графика, по которому можно определить направление максимального сигнала. Этот процесс был повторен для нескольких ориентаций модуля ESP8266.

Запасы

Компоненты для этого проекта легко найти в Интернете у таких поставщиков, как eBay, Amazon и т. Д., Если их еще нет в вашем ящике для мусора.

28BYJ48 Шаговый двигатель 5 В ULN2003 плата драйвера Arduino UNO или аналогичные модули ESP8266 для тестирования Внешняя антенна Источник питания USB Arduino IDE и учетная запись ThingSpeak Разное - пластиковая трубка, провод, Blu tak

Шаг 1: Обзор системы

Arduino Uno используется для полного вращения шагового двигателя в течение 30 минут. Поскольку двигатель потребляет больше тока, чем доступно от Uno, плата драйвера ULN2003 используется для обеспечения дополнительного тока двигателя. Мотор привинчивают к дереву, чтобы получить устойчивую платформу, и на шпиндель мотора надвигают отрезок пластиковой трубки, который будет использоваться для установки тестируемого модуля. Когда Uno включен, шпиндель двигателя совершает полный оборот каждые 30 минут. Модуль ESP8266, запрограммированный для измерения мощности сигнала WiFi, RSSI, прикреплен к пластиковой трубке, так что модуль совершает полный оборот. Каждые 20 секунд ESP8266 отправляет значение мощности сигнала в ThingSpeak, где сигнал отображается в полярных координатах. Показания RSSI могут варьироваться в зависимости от производителя чипа, но обычно находятся в диапазоне от 0 до -100, причем каждая единица соответствует 1 дБм сигнала. Поскольку я ненавижу иметь дело с отрицательными числами, к показаниям RSSI на полярном графике была добавлена константа 100, так что показания являются положительными, а более высокие значения указывают на лучшую силу сигнала.

Шаг 2: шаговый двигатель

Шаговый двигатель 28BYJ48 слегка прикручен к дереву для обеспечения устойчивости. Около 8 дюймов пластиковой трубки 1/4 дюйма приклеено к шпинделю шагового двигателя для установки тестируемого модуля. Uno, плата драйвера и двигатель подключены, как много раз описывалось в Интернете. Короткий эскиз в файле помещается в Uno, так что трубка будет совершать полный круг каждые 30 минут при включении.

Эскиз, используемый для вращения двигателя, указан в текстовом файле, здесь нет ничего революционного.

Шаг 3: Тестирование ESP8266

Модули для тестирования сначала были снабжены эскизом, который отправляет показания RSSI в ThingSpeak каждые 20 секунд для полного оборота шагового двигателя. Для каждого модуля были нанесены три ориентации, обозначенные тестами A, B и C. В положении A модуль установлен на стороне трубы так, чтобы антенна находилась вверху. Если смотреть на антенну, правая часть антенны указывает на маршрутизатор в начале теста. К сожалению, меня снова обрадовали отрицательные числа, мотор вращается по часовой стрелке, но полярный график масштабируется против часовой стрелки. Это означает, что свободная сторона антенны обращена к маршрутизатору под углом примерно 270 градусов. В положении B модуль устанавливается горизонтально на верхней части трубки. Антенна направлена на маршрутизатор, как в тесте A в начале теста. Наконец, модуль позиционируется, как в тесте A, а затем модуль поворачивается по часовой стрелке на 90 градусов и устанавливается, чтобы получить тестовое положение C.

Текстовый файл содержит код, необходимый для отправки данных RSSI в ThingSpeak. Вам необходимо добавить свои собственные данные WiFi и ключ API, если вы используете ThingSpeak.

Шаг 4: Результаты инвертированной F печатной схемы

Первый протестированный модуль имел извилистую антенну с печатной схемой, которая является наиболее распространенным типом, поскольку является самой дешевой в производстве. Полярный график показывает, как изменяется сила сигнала при повороте модуля. Помните, что RSSI основан на логарифмической шкале, поэтому изменение на 10 единиц RSSI означает 10-кратное изменение мощности сигнала. Тест A с антенной в верхней части модуля дает самый высокий сигнал. Кроме того, наилучшее положение - это когда дорожка печатной платы обращена к маршрутизатору. Наихудшие результаты получены в тесте B, где на плате много экранирования от других компонентов. Тест C также страдает от экранирования компонентов, но есть некоторые места, где дорожка печатной платы имеет свободный путь к маршрутизатору. Лучший способ установить модуль - это антенна вверх, дорожка печатной платы обращена к маршрутизатору. В этом случае можно ожидать уровень сигнала порядка 35 единиц. Неоптимальные положения могут легко снизить мощность сигнала в десять раз. Обычно модуль монтируется в коробке как для физической защиты, так и для защиты окружающей среды, можно ожидать, что это еще больше снизит сигнал… Тест на будущее.

ThingSpeak требуется немного кода для организации данных и построения полярных диаграмм. Его можно найти во встроенном текстовом файле.

Шаг 5: результаты керамической стружки

Некоторые модули ESP8266 используют керамический чип для антенны вместо печатной дорожки. Я понятия не имею, как они работают, за исключением того, что высокая диэлектрическая проницаемость керамики, вероятно, позволяет уменьшить физический размер. Преимущество чип-антенны - меньшая занимаемая площадь за счет стоимости. Тесты уровня сигнала были повторены на модуле с керамической чип-антенной, что дало результаты, показанные на рисунке. Чип-антенна изо всех сил пытается достичь уровня сигнала выше 30 по сравнению с 35 в случае конструкции на печатной плате. Может, размер все-таки имеет значение? Установка модуля микросхемой вверх дает наилучшую передачу. Однако в тесте B, когда плата установлена горизонтально, в определенных положениях на плате имеется много экранирования от других компонентов. Наконец, в тесте C есть места, где микросхема имеет свободный путь к маршрутизатору, а в других случаях есть препятствия со стороны других компонентов платы.

Шаг 6: Результаты всенаправленной антенны

Модуль с керамической микросхемой имел возможность подключения внешней антенны через разъем IPX. Перед использованием разъема необходимо переместить ссылку, чтобы поменять путь прохождения сигнала от микросхемы к разъему IPX. Это оказалось довольно легко, удерживая перемычку пинцетом, а затем нагревая перемычку паяльником. Как только припой расплавится, перемычку можно снять и поместить в новое положение. Еще один удар паяльником припаяет перемычку обратно в новое положение. Тестирование всенаправленной антенны было немного другим. Сначала антенну проверили, повернув ее по горизонтали. Затем антенна была установлена под углом 45 градусов и протестирована. Наконец, был сделан график с вертикальной антенной. Как ни странно, худшим положением было вертикальное положение антенны, тем более что антенны маршрутизатора были вертикальными и в аналогичной плоскости. Наилучшие положения были с антенной между горизонтали и 45 градусами с углом поворота около 120 градусов. В этих условиях уровень сигнала достиг 40, что является значительным улучшением по сравнению с оригинальной чип-антенной. Графики лишь незначительно напоминают эти красиво симметричные кольцевые диаграммы, показанные в учебниках для антенн. На самом деле, многие другие факторы, известные и неизвестные, влияют на мощность сигнала, делая экспериментальные измерения лучшим способом проверки системы.

Шаг 7: Оптимальная антенна

В качестве финального теста всенаправленная антенна была установлена под углом 45 градусов в положение с максимальной мощностью сигнала. На этот раз антенну не поворачивали, а оставляли для регистрации данных на 30 минут, чтобы дать представление об изменении измерения. График показывает, что измерение стабильно с точностью до +/- 2 единиц RSSI. Все эти результаты были получены в доме, где много электричества. Не было предпринято никаких попыток выключить телефоны DECT, микроволновые печи или другие устройства Wi-Fi и Bluetooth для снижения электрического шума. Это реальный мир… Эта инструкция показывает, как измерить эффективность антенн, используемых в ESP8266 и подобных модулях. Печатная трековая антенна дает лучший сигнал по сравнению с чип-антенной. Однако, как и следовало ожидать, лучший результат дает внешняя антенна.