Vylepšené rádio NRF24L01 s úpravou dipólovej antény DIY: 5 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Situácia bola taká, že som dokázal vysielať a prijímať iba 2 alebo 3 steny so vzdialenosťou asi 50 stôp pomocou štandardných modulov nRF24L01+. To nebolo dostatočné na moje zamýšľané použitie.

Skôr som sa pokúsil pridať odporúčané kondenzátory, ale pre mňa a môj hardvér došlo k veľmi malému až žiadnemu zlepšeniu. Na fotografiách ich preto ignorujte.

Pre svoje diaľkové senzory som nechcel väčšinu jednotky, ako je nRF24L01+PA+LNA s montážou SMA a vonkajšou anténou. Vytvoril som teda tento upravený modul.

S týmto upraveným modulom RF24 som mohol prejsť štyrmi stenami so vzdialenosťou asi 100 stôp.

Tento modul by mal tiež takmer zdvojnásobiť vzdialenosť oproti štandardnému modulu nRF24, ak sa používa s aplikáciami na priamu viditeľnosť; ako RF lietadlá, štvorkolky, autá a člny (100 s). Nevykonal som žiadnu jasnú kontrolu zraku. V mojich testoch boli medzi transceivermi kuchynské spotrebiče a skrinky a skrine plné vecí.

Tu je niekoľko podrobných informácií o dipólovej anténe https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna pre ďalšie štúdium antén skúste: https://www.arrl.org alebo

Študoval som nejaký návrh antén, ale existuje množstvo konkrétnych konštrukčných údajov a teórie o obrovskom a rastúcom počte návrhov antén (najmä pre vysokofrekvenčné kompaktné antény), že je ľahké sa cítiť trochu stratený v lese. Experimentovanie teda zvyčajne zohráva kľúčovú úlohu.

Keď som si tým všetkým prešiel, uvádzam vám implementáciu mojej výslednej úpravy dizajnu.

Krok 1: Veci, ktoré budete potrebovať

Na výrobu vlastného vylepšeného NRF24L01+ s vylepšenou (dipólovou) anténou budete potrebovať:

• modul NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 alebo www.ebay.com/itm/371215258056
• Spájkovačka a súvisiace položky.
• Presný nôž (alebo iné prostriedky na zoškrabanie ochranných povlakov)
• 24ga. Plný drôt (voliteľne až do 30ga.)

Krok 2: Úprava rádiového modulu

Začal som základnými návrhmi dipólových antén a experimentálne som ich vyladil.

Niektoré návrhy, ktoré vyžadujú prvok s vlnovou dĺžkou need, vyžadujú jemné úpravy kvôli prípadom kapacity, impedancie, indukčnosti a rezonancií. Nemám prostriedky na meranie týchto charakteristík v aktívnom obvode 2,4 GHz, takže som očividne potrebnú úpravu vykonal empirickým testovaním.

Na obrázku je niekoľko mojich testovacích jednotiek. Niektoré stopy boli strhnuté, keď som spájkoval, nespájkoval, ohýbal a ohýbal potenciálne antény. Vyšli z toho dve dobré veci. 1) Prepínam z hornej strany na spodnú stranu, aby som pripevnil jednu nohu k zemi, čo sa ukázalo byť mechanicky a výkonovo lepšie. 2) Zistil som, že je dobré pripevniť drôt super-lepidlom alebo horúcim lepidlom na odľahčenie napätia (počas celého testovania som nechtiac ohýbal anténu.) Najprv je hotovo, môže ich držať pri spájkovaní.

Kroky na vykonanie úpravy:

1. V blízkosti základne antény plošného spoja urobte dva rezy, široké 1 až 2 mm, ako je vidieť na obrázku na prvom obrázku vyššie. To efektívne vyvedie existujúcu anténu z obvodu.
2. Na druhej strane pomocou presného noža zoškrabte ochranný povlak cez okraj základnej roviny, ako je to znázornené na druhom obrázku vyššie.
3. Odrežte dve 24ga. Drôty do cca. 50 mm
4. Z jedného konca každého drôtu odizolujte niekoľko milimetrov izolácie.
5. Ohnite holú časť v pravom uhle na drôte, ktorý chcete pripevniť k zemi.
6. Prilepte každý drôt nadol (odporúčame: večerné lepidlo alebo horúce lepidlo), aby bol holý koniec pripravený na spájkovanie; jeden tesne pod vyrezanými stopami, druhý na okraji základnej roviny na zadnej strane. Dva vodiče musia ležať rovnobežne a 6 mm od seba.
7. Akonáhle je lepidlo vytvrdené, naneste pastu na spájkovaciu tavidlo na miesto, kde chcete spájkovať, a potom ich spájkujte. Odporúčam použiť tavidlo, aby vám spájkovanie rýchlo zabralo a dosku neprehrievali.
8. Vykonajte ostré pravouhlé ohyby v drôtoch, ďaleko od seba, okrajom DPS, ~ 6 mm od miesta, kde končí základná rovina. Pozrite sa na posledné dva obrázky vyššie. Ak ste drôty nezlepili, dávajte zvýšený pozor, aby ste na spájkovacie body príliš nepôsobili.
9. Zmerajte každý segment drôtu vedený pozdĺž okraja dosky 30 mm od jeho 90 -stupňového ohybu a tam ich odrežte. Zistil som, že neviem presne merať a strihať, a tak som zmeral a označil značkovačom s jemným vláknom, kde mám strihať.
10. Pomocou ohmmetra skontrolujte, či drôt v blízkosti stôp PCB starej antény nemá kontinuitu ani v jednom z rezov vykonaných v kroku č. 1.

Krok 3: Hotový výrobok

Váš modul NRF24L01+ bude teraz fungovať oveľa lepšie v akomkoľvek projekte, v ktorom ich použijete. Buď si užijete zvýšenú spoľahlivosť s väčším dosahom alebo s nižším nastavením výkonu rádia. Mali by ste to nájsť tak, aj keď upravíte iba jedno rádio (vysielač alebo prijímač); a získate dvojnásobný úžitok pri použití upravenej jednotky na oboch koncoch. Nezabudnite na orientáciu antén navzájom rovnobežne. Implementujem projekt s niekoľkými diaľkovými senzorovými jednotkami využívajúcimi tieto upravené rádia (vertikálne orientované s nohami zeme smerujúcimi nadol), ktoré budú všetky konverzovať s centrálnou základňovou stanicou pomocou NRF24L01+PA+LNA a externej antény.

Antény vysielača a prijímača vo vašom projekte musia byť orientované podobne horizontálne alebo vertikálne a veľmi výhodne navzájom rovnobežne. Navyše, možno v bezplatnej orientácii, ak viete, že preferujú smer (to tu nie je všeobecne uvedené). Ak vaše antény nie sú nevyhnutne fyzicky odlišné, ako keby ste na jednom konci nepoužívali externú anténu s vysokým ziskom, potom je najlepšie, aby boli antény identické a orientované úplne rovnako. Cieľom je dosiahnuť maximálnu spoľahlivosť a dosah a vzhľadom na to, že antény sú namontované stacionárne.

Nakoniec je množstvo zlepšenia kvantifikovateľné; ale v mojej aplikácii som to upravil na 50 až 100% oproti neupraveným verziám. Myslím, že je prinajmenšom taký dobrý ako jednotka s externou anténou 2,5 dB; ale nie tak účinné ako jednotka NRF24L01+PA+LNA.

Hlavným zámerom tohto Instructable je jednoducho poučiť o tom, ako navrhnúť upravený NRF24L01+ s vynikajúcou dipólovou anténou tak, aby dosiahol väčšiu schopnosť prenosu a príjmu a lepšiu použiteľnosť v projektoch.

To je pravdepodobne všetko, čo väčšinu ľudí bude zaujímať. S myšlienkou: „Čo mám urobiť, aby som z týchto jednotiek získal väčší použiteľný dosah?“

Takže v tomto bode … dajte sa do toho; a dajte mi vedieť o vašich úspechoch s vašimi projektmi pomocou vlastných prispôsobených rádií.

Ak si chcete vopred otestovať svoje upravené rádio (rádia), zahrnul som softvér, ktorý som vytvoril na svoje testovanie, v neskoršom kroku.

Krok 4: Ako som optimalizoval tento dizajn

Teraz pre tých, ktorých to zaujíma, sa ďalej podelím o to, ako som testoval a kvalifikoval prípadné vylepšenia. Upozorňujeme však, že tento návod nie je zameraný na implementáciu testovania.

Na testovanie je možné použiť akékoľvek dosky Arduino alebo porovnateľné dosky spolu s modulmi NRF24L01+. S testovacím softvérom, ako je napísané, sú potrebné verzie 01+, pretože používa prenosovú frekvenciu 250 kHz. Rádiostanice napájajte iba napätím 1,9-3,6V.

Na testovanie spoľahlivosti dosahu som použil diaľkové ovládanie pro-mini Arduino a nemodifikovaný NRF24L01+. Ktorý jednoducho prijme dátový paket a odošle ho späť ako potvrdenie. Boli napájané regulovaným napätím 3,3 V.

Túto zostavu som nechal zalepiť páskou v malej škatuli, ktorú som mohol ľahko a opakovane umiestniť na rôzne testovacie miesta.

Ako hlavný transceiver som použil MCU Nano3.0 s upraveným NRF24L01+. Tento koniec bol stacionárny a poskytoval výsledky testov (buď pomocou LCD displeja 16x02 alebo sériového monitora). Na začiatku som zistil, že vylepšená anténa povedie k lepším schopnostiam vysielania aj príjmu. Ďalej by som získal rovnaké výsledky testov s daným upraveným rádiom použitým na oboch koncoch. Všimnite si toho, že v teste každá strana vysiela aj prijíma, pretože je to preto, že po prenose je potrebné potvrdenie, ktoré sa má považovať za úspešnú komunikáciu.

Výsledky testovania môžu ovplyvniť mnohé veci:

• Dotknite sa modulu RF24 alebo k nemu drôtov alebo ich takmer dotýkajte.
• Telo niekoho v rade s prenosovým vedením.
• Vyššie uvedené dva majú pozitívny účinok.
• Charakteristiky napájacieho napätia
• Predovšetkým ide o orientáciu antén vysielača a prijímača.
• Ostatná WiFi prevádzka v okolí. To by mohlo spôsobiť rozdiely, ktoré sa môžu podobať rozdielom medzi „dobrým počasím“a „búrlivými podmienkami“. Skúsil som teda hlavne testovať počas priaznivých podmienok. Opakoval by som test, aby som získal najlepšie výsledky pre danú testovanú jednotku, a neskôr tieto výsledky porovnám s porovnateľnými výsledkami získanými na iných testovacích jednotkách.

V interiéri je ťažšie získať spoľahlivé výsledky testov v porovnaní s exteriérom s priamou viditeľnosťou. Drastické rozdiely vo výsledkoch by som mohol dosiahnuť posunutím polohy jednej z jednotiek len o niekoľko palcov. Je to spôsobené hustotou a zložením bariér a reflexných signálnych dráh. Ďalším faktorom môžu byť vzorce sily signálu antény, ale pochybujem, že by to mohlo spôsobiť drastické rozdiely v pohybe zo strany na stranu o niekoľko palcov.

Vymyslel som nejaký softvér, ktorý mi poskytne potrebné štatistiky výkonu.

Navyše som čo najviac nastavil pevné testovacie podmienky. Rovnako ako prilepenie na vyznačené miesto, antény (Tx a Rx) sú umiestnené s rovnakou orientáciou pre každú batériu výkonnostných testov. Výsledky testov uvedené nižšie sú kombinovaným priemerom viacerých testov z viacerých miest. Za použitých testovacích podmienok nemodifikované rádio nedokázalo prijať žiadne úspešné správy.

Najlepšie výsledky som dosiahol s 24ga. viac ako 30ga. drôt. Výsledky boli len o málo lepšie; povedzme 10 percent. Je pravda, že som vyskúšal iba dve podobne zapojené inštancie a v celkovej topológii antény (súčet rozdielov medzi segmentmi) mohli existovať rozdiely 1 mm. Ďalej som vyladil prvú iteráciu pomocou 30ga.; vykonať niekoľko úprav 1 mm. Potom tieto dĺžky drôtov zdvojnásobte s 24ga. bez ďalších porovnateľných experimentov v dĺžkach s 24 ga. Drôt.

[Pozri výsledky tabuľky 1 na obrázku vyššie]

Keďže som chcel, aby sa moje jednotky zmestili do malého kufríka, ktorý som mal, prešiel som z toho, aby boli anténne prenosové káble od seba vzdialené 10 mm a dlhé 10 mm, iba na 6 mm a 6 mm, a potom som testoval optimálne vyladené dĺžky antény pre túto konfiguráciu. Tu je skrátený súhrn výsledkov z mojich rôznych testov:

[Pozri tabuľku 2 výsledky na obrázku vyššie]

Ďalšie testovanie s lepším laboratórnym meracím zariadením by nepochybne mohlo navrhnúť a overiť vylepšené dĺžky segmentov (veľkosť drôtu a prípadne body pripojenia alebo orientácie) pre skutočne optimálny výkon tejto modifikácie dipólovej antény pre rádiá nRF24.

Dajte nám vedieť, ak získate overiteľné zlepšenie (pri konfigurácii 24 ga. 6 x 6 mm x 30 mm). Mnoho z nás by chcelo z týchto rádií vyťažiť maximum (bez pridania objemnej antény).

Antény vysielača a prijímača vo vašom projekte musia byť orientované podobne horizontálne alebo vertikálne a prednostne navzájom rovnobežne. Navyše, možno v bezplatnej orientácii, ak viete, že preferujú smer (to tu nie je všeobecne uvedené). Ak vaše antény nie sú nevyhnutne fyzicky odlišné, ako keby ste na jednom konci nepoužívali externú anténu s vysokým ziskom, potom je najlepšie, aby boli antény identické a orientované úplne rovnako. Cieľom je dosiahnuť maximálnu spoľahlivosť a dosah a vzhľadom na to, že antény sú namontované stacionárne.

Krok 5: Hardvér a softvér, ktorý som použil pri testovaní

Hardvér, ktorý som použil na testovanie 2 MCU kompatibilných s Arduino

2 NRF24L01+

Občas som tiež použil LCD displej a16x02 (pre pohodlné sledovanie v reálnom čase. Na získanie výsledkov testov je možné použiť aj sériovú konzolu) tlačidlo (na spustenie novej sady testov, v opačnom prípade budete musieť prejsť reštart)

Odkazy na hardvér, ktoré by som odporučil a použil:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P na eBay alebo Pro-Mini:

Moduly NRF24L01+ https://ebay.com/itm/191351948163 a

Modul displeja 16x02 LCD IC2

Súbory zip kódu si stiahnite tu: