Ulepszone radio NRF24L01 z modyfikacją anteny dipolowej DIY.: 5 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Sytuacja była taka, że mogłem nadawać i odbierać tylko przez 2 lub 3 ściany z odległości około 50 stóp, używając standardowych modułów nRF24L01+. To było niewystarczające do mojego zamierzonego zastosowania.

Wcześniej próbowałem dodać zalecane kondensatory, ale dla mnie i mojego sprzętu uzyskano bardzo niewielką lub żadną poprawę. Więc proszę zignoruj je na zdjęciach.

W przypadku moich zdalnych czujników nie chciałem dużej części jednostki, takiej jak nRF24L01+PA+LNA z mocowaniem SMA i anteną zewnętrzną. Stworzyłem więc ten zmodyfikowany moduł.

Z tym zmodyfikowanym modułem RF24 mogłem przejść przez cztery ściany na odległość około 100 stóp.

Ten moduł powinien również prawie podwoić odległość w porównaniu ze standardowym modułem nRF24, gdy jest używany z aplikacjami w zasięgu wzroku; jak samoloty RF, quady, samochody i łodzie (100 metrów). Nie przeprowadziłem żadnych wyraźnych testów wzroku. W moich testach między radiotelefonami były sprzęty kuchenne i szafki oraz szafy pełne rzeczy.

Oto szczegółowe informacje na temat anteny dipolowej https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna do dalszych badań anten spróbuj: https://www.arrl.org lub

Trochę studiowałem projektowanie anten, ale jest tak wiele szczegółowych danych projektowych i teorii dotyczących ogromnej i rosnącej liczby konstrukcji anten (szczególnie dla kompaktowych anten o wysokiej częstotliwości), że łatwo jest poczuć się trochę zagubionym w lesie. Tak więc eksperymentowanie odgrywa kluczową rolę.

Teraz, po przejściu tego wszystkiego, przedstawiam tutaj implementację mojej powstałej modyfikacji projektu.

Krok 1: Przedmioty, których będziesz potrzebować

Aby wyprodukować własną ulepszoną antenę NRF24L01+ z ulepszoną anteną (dipolową), będziesz potrzebować:

• moduł NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 lub www.ebay.com/itm/371215258056
• Lutownica i przedmioty pokrewne.
• Exact-o-nóż (lub inny środek do zeskrobywania powłok ochronnych)
• 24ga. Drut lity (opcjonalnie do 30ga.)

Krok 2: Modyfikacja modułu radiowego

Zacząłem od podstawowych konstrukcji anten dipolowych i dostroiłem je eksperymentalnie.

Niektóre projekty, które wymagają elementu o ¼ długości fali, wymagają precyzyjnej regulacji ze względu na przypadki pojemności, impedancji, indukcyjności i rezonansów. Nie mam środków, aby zmierzyć te charakterystyki w aktywnym obwodzie 2,4 GHz, więc dokonałem pozornie potrzebnej korekty poprzez testy empiryczne.

Na zdjęciu kilka moich egzemplarzy testowych. Niektóre ślady zostały ściągnięte, gdy lutowałem, odlutowywałem, wyginałem i ponownie wyginałem niedoszłe anteny. Wyszły z tego dwie dobre rzeczy. 1) Zmieniam górną stronę na dolną, aby przymocować jedną nogę do podłoża, co okazało się lepsze pod względem mechanicznym i wydajnościowym. 2) Odkryłem, że dobrym pomysłem jest przymocowanie drutu za pomocą super-kleju lub gorącego kleju w celu odciążenia (przypadkowo zginałem antenę podczas wszystkich testów). Zrobione najpierw, może to zatrzymać je do lutowania.

Kroki, aby dokonać modyfikacji:

1. Wykonaj dwa nacięcia o szerokości 1-2 mm śladów w pobliżu podstawy anteny PCB, jak widać na obrazku na pierwszym obrazku powyżej. To skutecznie usuwa istniejącą antenę z obwodu.
2. Z drugiej strony, używając dokładnego noża, zeskrob powłokę ochronną z krawędzi płaszczyzny uziemienia, jak pokazano na drugim obrazku powyżej
3. Wytnij dwa 24ga. Przewody do ok. 50mm
4. Zdjąć kilka milimetrów izolacji z jednego końca każdego przewodu.
5. Zegnij odsłoniętą część pod kątem prostym na przewodzie, który ma być przymocowany do ziemi.
6. Przyklej każdy drut (polecamy: klej kolczasty lub klej na gorąco), tak aby goły koniec był gotowy do lutowania; jeden tuż pod wyciętymi śladami, drugi na krawędzi płaszczyzny podłoża z tyłu. Dwa przewody muszą leżeć równolegle i w odległości 6 mm.
7. Po ustawieniu kleju umieść pastę lutowniczą w miejscu, w którym zamierzasz lutować, a następnie przylutuj je. Polecam używać topnika, aby lutowanie przebiegło szybko i nie przegrzałeś płytki.
8. Wykonaj ostre zagięcia pod kątem prostym na przewodach, z dala od siebie, przy krawędzi płytki drukowanej, ~6 mm w górę od miejsca, w którym kończy się płaszczyzna uziemienia. Odnieś się do dwóch ostatnich zdjęć powyżej. Jeśli nie przykleiłeś przewodów, zachowaj szczególną ostrożność, aby nie obciążać zbytnio punktów lutowniczych.
9. Odmierz każdy odcinek drutu biegnący wzdłuż krawędzi deski do 30 mm od jego zagięcia 90 stopni i tam je odetnij. Odkryłem, że nie mogę dokładnie mierzyć i ciąć, więc zmierzyłem i oznaczyłem markerem z drobnym włóknem, gdzie przeciąć.
10. Za pomocą omomierza sprawdź, czy przewód w pobliżu śladów starej płytki PCB anteny nie ma ciągłości w żadnym z nacięć wykonanych w kroku 1.

Krok 3: gotowy produkt

Twój moduł NRF24L01+ będzie teraz działał znacznie lepiej w każdym projekcie, w którym go użyjesz. Możesz cieszyć się zwiększoną niezawodnością z większym zasięgiem lub niższymi ustawieniami mocy radiowej. Tak powinno być, nawet przy modyfikacji tylko jednego radia (nadajnika lub odbiornika); i czerpać podwójne korzyści, używając zmodyfikowanej jednostki na obu końcach. Pamiętaj, aby ustawić anteny równolegle do siebie. Realizuję projekt z wieloma zdalnymi czujnikami wykorzystującymi te zmodyfikowane radiotelefony (zorientowane pionowo z nogami skierowanymi w dół), które będą komunikować się z centralną stacją bazową za pomocą NRF24L01+PA+LNA i anteny zewnętrznej.

Anteny nadajnika i odbiornika w Twoim projekcie muszą być zorientowane podobnie, zarówno poziomo, jak i pionowo, a najlepiej równolegle do siebie. Dodatkowo, być może w orientacji komplementarnej, jeśli wiesz, że mają preferencje kierunkowe (nie jest to ogólnie wskazane tutaj). Jeśli twoje anteny niekoniecznie są fizycznie różne, na przykład nie używasz zewnętrznej anteny o wysokim zysku na jednym końcu, najlepiej, aby anteny były identyczne i zorientowane dokładnie tak samo. Ma to na celu osiągnięcie maksymalnej niezawodności i zasięgu, a biorąc pod uwagę, że anteny są montowane stacjonarnie.

W końcu ilość poprawy jest trochę trudna do oszacowania; ale w mojej aplikacji postawiłem go na od 50 do 100% w stosunku do niezmodyfikowanych wersji. Myślę, że jest co najmniej tak dobry, jak jednostka z zewnętrzną anteną 2,5 dB; ale nie tak skuteczny jak jednostka NRF24L01+PA+LNA.

Głównym celem tej instrukcji jest po prostu pouczenie, jak opracować zmodyfikowaną antenę NRF24L01+ z lepszą anteną dipolową, aby osiągnąć większą zdolność nadawania i odbioru oraz lepszą użyteczność w projektach.

To chyba wszystko, co zainteresuje większość ludzi. Z myślą: „Co mam zrobić, aby uzyskać większy zasięg użytkowy z tych jednostek?”

Więc w tym momencie… miej to; i daj mi znać o swoich sukcesach w projektach przy użyciu własnych, spersonalizowanych radiotelefonów.

Jeśli chcesz wstępnie przetestować swoje zmodyfikowane radio (radia), dołączyłem oprogramowanie, które stworzyłem do moich testów, w późniejszym kroku.

Krok 4: Jak zoptymalizowałem ten projekt

Teraz dla tych, którzy są zainteresowani, podzielę się trochę o tym, jak przetestowałem i zakwalifikowałem potencjalne ulepszenia. Należy jednak pamiętać, że to, jak zaimplementować testowanie, nie jest przedmiotem tej instrukcji.

Do testowania można użyć dowolnych płyt Arduino lub porównywalnych, wraz z modułami NRF24L01+. Wersje 01+ są potrzebne z oprogramowaniem testowym, jak napisano, ponieważ wykorzystuje ono szybkość transmisji 250 KHz. Upewnij się, że zasilasz radia tylko napięciem 1,9-3,6V.

Do testowania niezawodności zasięgu użyłem Arduino pro-mini i niezmodyfikowanego NRF24L01+ jako pilota. Który po prostu odbiera pakiet danych i wysyła go z powrotem jako potwierdzenie. Były one zasilane regulowanym napięciem 3.3V.

Miałem ten zespół przyklejony taśmą do małego pudełka, które mogłem łatwo i wielokrotnie umieszczać w różnych lokalizacjach testowych.

Jako głównego transceivera użyłem MCU Nano3.0 ze zmodyfikowanym NRF24L01+. Ten koniec był nieruchomy i zapewniał wyniki testu (za pomocą wyświetlacza LCD 16x02 lub monitora szeregowego). Na początku ustaliłem, że ulepszona antena zapewni zarówno lepsze możliwości nadawania, jak i odbioru. Co więcej, uzyskałbym te same wyniki testu z danym zmodyfikowanym radiem używanym na obu końcach. Należy zauważyć, że w teście każda strona zarówno nadaje, jak i odbiera, ponieważ po transmisji następuje potwierdzenie, które musi zostać odebrane, aby zostało uznane za udaną komunikację.

Zauważ, że jest wiele rzeczy, które mogą wpłynąć na wyniki testów:

• Dotykanie lub prawie dotykanie modułu RF24 lub przewodów do niego.
• Ciało w linii transmisyjnej.
• Powyższe dwa mają pozytywny wpływ.
• Charakterystyka napięcia zasilania
• Przede wszystkim orientacja anten nadajnika i odbiornika.
• Inny ruch WiFi w okolicy. Mogą one powodować różnice, które mogą przypominać „dobrą pogodę” lub „warunki burzowe”. Próbowałem więc głównie testować w sprzyjających warunkach. Powtórzyłbym test, aby uzyskać najlepsze wyniki dla danej testowanej jednostki, a później porównać te wyniki z porównywalnymi wynikami uzyskanymi na innych testowanych jednostkach.

W pomieszczeniu trudniej jest uzyskać wiarygodne wyniki testu w porównaniu z plenerem, gdy jest się w zasięgu wzroku. Mogłem uzyskać drastyczne różnice w wynikach, przesuwając pozycję jednej z jednostek o zaledwie kilka cali. Wynika to z zagęszczenia i zbudowania barier oraz odblaskowych ścieżek sygnałowych. Innym czynnikiem mogą być wzorce siły sygnału anteny, ale wątpię, czy może to spowodować drastyczne różnice w kilku centymetrowych ruchach na boki.

Opracowałem oprogramowanie, które zapewnia mi potrzebne statystyki wydajności.

Dodatkowo ustawiłem stałe, na ile to możliwe, warunki testowe. Podobnie jak przyklejanie taśmą do zaznaczonego miejsca, anteny (Tx i Rx) umieszczone w tej samej orientacji dla każdej baterii testów wydajności. Poniższe wyniki testów są łączną średnią z wielu testów z wielu lokalizacji. W stosowanych warunkach testowych niezmodyfikowane radio nie mogło przekazywać żadnych pomyślnych wiadomości.

Najlepsze wyniki uzyskałem z 24ga. ponad 30ga. drut. Wyniki były tylko trochę lepsze; powiedzmy 10 proc. Trzeba przyznać, że próbowałem tylko dwóch podobnie połączonych instancji i mogły wystąpić 1 mm różnice w całkowitej topologii anteny (suma różnic między segmentami). Ponadto poprawiłem pierwszą iterację za pomocą 30ga.; wykonanie kilku korekt 1 mm. Następnie zduplikowano te długości przewodów za pomocą 24ga. bez dalszych porównywalnych eksperymentów na długościach z 24 ga. Drut.

[Zobacz wyniki w tabeli 1 na powyższym obrazku]

Ponieważ chciałem, aby moje urządzenia zmieściły się w małej obudowie, którą miałem, zmieniłem przewody transmisyjne anteny oddalone od siebie o 10 mm i 10 mm na tylko 6 mm i 6 mm, a następnie przetestowałem pod kątem optymalnej długości anteny dla tej konfiguracji. Oto skrócone podsumowanie wyników moich różnych testów:

[Zobacz wyniki w tabeli 2 na powyższym obrazku]

Dalsze testy, z lepszym laboratoryjnym sprzętem pomiarowym, mogą bez wątpienia opracować i zweryfikować ulepszone długości segmentów (rozmiar przewodów i ewentualnie punkty przyłączenia lub orientacji) dla prawdziwej optymalnej wydajności tej modyfikacji anteny dipolowej dla radiotelefonów nRF24.

Daj nam znać, jeśli uzyskasz możliwą do zweryfikowania poprawę (w porównaniu z konfiguracją 24ga. 6X6mm x 30mm). Wielu z nas chciałoby jak najlepiej wykorzystać te radia (bez dodawania nieporęcznej anteny).

Anteny nadajnika i odbiornika w Twoim projekcie muszą być zorientowane podobnie, zarówno poziomo, jak i pionowo, a najlepiej równolegle do siebie. Dodatkowo, być może w orientacji komplementarnej, jeśli wiesz, że mają preferencje kierunkowe (nie jest to ogólnie wskazane tutaj). Jeśli twoje anteny niekoniecznie są fizycznie różne, na przykład nie używasz zewnętrznej anteny o wysokim zysku na jednym końcu, najlepiej, aby anteny były identyczne i zorientowane dokładnie tak samo. Ma to na celu osiągnięcie maksymalnej niezawodności i zasięgu, a biorąc pod uwagę, że anteny są montowane stacjonarnie.

Krok 5: Sprzęt i oprogramowanie, których użyłem podczas testów

Sprzęt, którego użyłem do testowania 2 MCU, kompatybilne z Arduino

2 NRF24L01+

Czasami używałem również wyświetlacza LCD 16x02 (dla wygodnego podglądu w czasie rzeczywistym. Konsola szeregowa może być również używana do uzyskiwania wyników testów) przycisku (w celu zainicjowania nowego zestawu testów, w przeciwnym razie musiałbyś przejść przez restart)

Linki do sprzętu polecam i używam:

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

Moduły NRF24L01+ https://ebay.com/itm/191351948163 i

Moduł wyświetlacza LCD IC2 16x02

Pobierz spakowane pliki kodu tutaj: