Izboljšan radio NRF24L01 s spremembo dipolne antene DIY .: 5 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Situacija je bila taka, da sem lahko s standardnimi moduli nRF24L01+ prenašal in sprejemal le skozi 2 ali 3 stene na razdalji približno 50 čevljev. To ni zadoščalo za mojo predvideno uporabo.

Prej sem poskušal dodati priporočene kondenzatorje, vendar se je zame in moja strojna oprema zelo malo izboljšalo. Zato jih na fotografijah prezrite.

Za svoje daljinske senzorje nisem želel večine enote, kot je nRF24L01+PA+LNA z nosilcem SMA in zunanjo anteno. Tako sem ustvaril ta spremenjeni modul.

S tem spremenjenim modulom RF24 bi lahko šel skozi štiri stene z razdaljo približno 100 čevljev.

Ta modul naj bi tudi skoraj podvojil razdaljo nad standardnim modulom nRF24, če se uporablja z vidnimi aplikacijami; kot so RF letala, štirikolesniki, avtomobili in čolni (100 metrov). Nisem naredil jasnih pregledov vida. V mojih testih so bili med oddajniki oddajniki kuhinjski aparati in omare ter omare, polne stvari.

Tukaj je nekaj poglobljenih informacij o dipolni anteni https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna za nadaljnjo študijo anten: https://www.arrl.org ali

Nekaj sem preučeval zasnove anten, vendar obstaja toliko specifičnih konstrukcijskih podatkov in teorij o velikem in naraščajočem številu zasnov anten (zlasti za visokofrekvenčne kompaktne antene), da se je v gozdu zlahka počutiti nekoliko izgubljeno. Eksperimentiranje ima torej ključno vlogo.

Zdaj, ko sem vse to prešel, vam tukaj predstavljam izvedbo moje nastale spremembe zasnove.

Korak: Predmeti, ki jih boste potrebovali

Za izdelavo lastnega izboljšanega NRF24L01+ z izboljšano (dipolno) anteno boste potrebovali:

• modul NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 ali www.ebay.com/itm/371215258056
• Spajkalnik in sorodni predmeti.
• Natančen nož (ali drug način za strganje zaščitnih premazov)
• 24ga. Trdna žica (po izbiri do 30 g.)

2. korak: Sprememba radijskega modula

Začel sem z osnovnimi modeli dipolnih anten in jih eksperimentalno uglasil.

Nekateri modeli, ki zahtevajo element ¼ valovne dolžine, potrebujejo natančne prilagoditve zaradi primerov kapacitivnosti, impedance, induktivnosti in resonanc. Nimam sredstev za merjenje teh značilnosti v aktivnem vezju 2,4 GHz, zato sem očitno potrebno prilagoditev izvedel z empiričnim testiranjem.

Na sliki je nekaj mojih testnih enot. Nekatere sledi so se odtrgale, ko sem spajkal, ne spajkal, upognil in ponovno upognil morebitne antene. Iz tega sta nastali dve dobri stvari. 1) Preklopim z zgornje na spodnjo stran, da pritrdim eno nogo na tla, kar se je izkazalo za boljše mehansko in zmogljivo. 2) Ugotovil sem, da je dobro, da žico pritrdimo s super-lepilom ali vročim lepilom za razbremenitev napetosti (med vsemi preskusi sem po nesreči upogibal anteno.) Najprej, to jih lahko drži za spajkanje.

Koraki za spremembo:

1. Naredite dva reza, široka 1-2 mm, od sledi blizu dna antene za tiskano vezje, kot je prikazano na sliki prve slike zgoraj. To učinkovito odstrani obstoječo anteno iz vezja.
2. Na drugi strani z nožem natančno o ostrgajte zaščitni premaz po robu ravnine tal, kot je prikazano na drugi sliki zgoraj
3. Prerežite dva 24ga. Žice do pribl. 50 mm
4. Odstranite nekaj milimetrov izolacije z enega konca vsake žice.
5. Upognite goli del pod pravim kotom na žici, ki jo želite pritrditi na tla.
6. Vsako žico prilepite navzdol (priporočamo: lepilo za večerjo ali vroče lepilo), tako da bo goli konec pripravljen za spajkanje; ena tik pod odrezanimi sledmi, druga na robu ravnine tal na hrbtu. Obe žici morata ležati vzporedno in 6 mm narazen.
7. Ko je lepilo nastavljeno, ga postavite na mesto spajkanja in jih nato spajkajte. Priporočam uporabo fluxa, da bo vaše spajkanje hitro trajalo in plošče ne boste pregreli.
8. Ostro zavijte pravokotno v žicah, ločeno drug od drugega, ob robu tiskanega vezja, ~ 6 mm navzgor od kraja ozemljitvene ravnine. Glejte zadnji dve sliki zgoraj. Če žic niste prilepili, bodite še posebej previdni, da ne boste preveč obremenjevali spajkalnih mest.
9. Izmerite vsak segment žice, ki poteka vzdolž roba plošče, do 30 mm od njegovega 90 -stopinjskega ovinka in jih odrežite. Ugotovil sem, da ne morem natančno izmeriti in razrezati, zato sem izmeril in označil z označevalcem s finimi vlakni, kje naj režem.
10. Z merilnikom ohma preverite, ali žica v bližini sledi antenskega tiskanega vezja antene nima kontinuitete na nobenem od rezov, narejenih v 1. koraku.

3. korak: Končni izdelek

Vaš modul NRF24L01+ bo zdaj veliko boljši v vseh projektih, v katerih jih uporabljate. Uživate lahko v večji zanesljivosti z večjim dosegom ali z nižjimi nastavitvami radijske moči. To se vam zdi tako, tudi če spremenite samo en radio (oddajnik ali sprejemnik); in ob uporabi spremenjene enote na obeh koncih izkoristite dvakrat več koristi. Ne pozabite usmeriti anten vzporedno med seboj. Izvajam projekt z več daljinskimi senzorskimi enotami, ki uporabljajo te spremenjene radijske postaje (navpično usmerjene s spodnjimi nogami navzdol), ki se bodo pogovarjale s centralno bazno postajo z uporabo NRF24L01+PA+LNA in zunanjo anteno.

Oddajniška in sprejemna antena morata biti v vašem projektu usmerjena enako vodoravno ali navpično in zelo po možnosti vzporedno. Poleg tega morda v komplementarni usmeritvi, če veste, da imajo usmerjenost (to tukaj na splošno ni navedeno). Če vaše antene niso nujno fizično različne, na primer, da na enem koncu ne uporabljate zunanje antene z visokim ojačanjem, je najbolje, da so antene enake in usmerjene popolnoma enako. To je zato, da se doseže največja zanesljivost in doseg, glede na to, da so antene nameščene nepremično.

Na koncu je količino izboljšanja nekoliko težko količinsko opredeliti; v moji prijavi pa sem to ocenil na 50 do 100% glede na nespremenjene različice. Mislim, da je vsaj tako dobra kot enota z 2,5 db zunanjo anteno; vendar ni tako učinkovit kot enota NRF24L01+PA+LNA.

Glavni namen tega navodila je preprosto poučiti, kako oblikovati spremenjen NRF24L01+ z vrhunsko dipolno anteno, tako da bo dosegel večjo oddajno in sprejemno zmogljivost ter boljšo uporabnost pri projektih.

To bo verjetno vse, kar bo zanimalo večino ljudi. Z idejo: "Kaj naj naredim, da iz teh enot dobim večji uporabni doseg?"

Torej na tej točki … imejte na tem; in mi sporočite svoje uspehe pri projektih z uporabo lastnih radijskih postaj.

Če želite predhodno preizkusiti spremenjene radijske sprejemnike, sem v poznejši korak vključil programsko opremo, ki sem jo ustvaril za testiranje.

4. korak: Kako sem optimiziral to zasnovo

Zdaj pa za tiste, ki jih zanima, bom delil nekaj o tem, kako sem preizkusil in kvalificiral morebitne izboljšave. Upoštevajte pa, da ta pouk ni v središču pozornosti pri izvajanju testiranja.

Za preskušanje vseh Arduino ali primerljivih plošč skupaj z moduli NRF24L01+ je mogoče uporabiti. Različice 01+ so potrebne s testno programsko opremo, kot je napisano, ker uporablja 250KHz prenosno hitrost. Napajajte samo radijske postaje z napetostjo 1,9-3,6 V.

Za testiranje zanesljivosti dosega sem kot daljinski upravljalnik uporabil pro-mini Arduino in nespremenjen NRF24L01+. Ki preprosto prejme podatkovni paket in ga odmeva nazaj kot potrditev. Ti so bili brez 3.3 -voltnega reguliranja.

Ta sklop sem imel zalepljen v majhno škatlo, ki sem jo zlahka in večkrat postavil na različna testna mesta.

Kot glavni oddajnik sem uporabil Nano3.0 MCU s spremenjenim NRF24L01+. Ta konec je bil nepremičen in je zagotovil rezultate preskusov (preko LCD zaslona 16x02 ali serijskega monitorja). Že zgodaj sem ugotovil, da bi izboljšana antena izboljšala sprejem in prenos. Poleg tega bi z enakim spremenjenim radijskim sprejemnikom na obeh koncih dobil enake rezultate testa. Upoštevajte, da v preskusu vsaka stran hkrati oddaja in sprejema, ker je po prenosu potrditev, ki jo je treba sprejeti, da se lahko šteje za uspešno komunikacijo.

Upoštevajte, da na rezultate testiranja lahko vpliva veliko stvari:

• Dotaknite se modula RF24 ali njegovih žic ali skoraj tako.
• Telo enega je povezano z daljnovodom.
• Zgornja dva učinkujeta pozitivno.
• Značilnosti napajalne napetosti
• Predvsem orientacija oddajnih in sprejemnih anten.
• Drugi promet WiFi na tem območju. To bi lahko povzročilo razlike, ki se lahko počutijo kot tiste v "lepem vremenu" do "nevihtnih razmer". Zato sem poskušal predvsem testirati v ugodnih razmerah. Ponovil bi preizkus, da bi dosegel najboljše rezultate za določeno enoto, ki se preskuša, in te rezultate kasneje primerjal s primerljivimi rezultati, pridobljenimi na drugih testnih enotah.

V zaprtih prostorih je težje dobiti zanesljive rezultate testov v primerjavi z zunanjimi s vidnim poljem. Močne razlike v rezultatih bi lahko dosegel s premikom položaja ene od enot za le nekaj centimetrov. To je posledica gostote in sestave ovir in odsevnih poti signalov. Drug dejavnik bi lahko bili vzorci jakosti antenskega signala, vendar dvomim, da bi to lahko povzročilo drastične razlike pri premikanju nekaj centimetrov od ene do druge strani.

Razvil sem nekaj programske opreme, ki mi je zagotovila nekaj potrebnih statističnih podatkov o uspešnosti.

Poleg tega sem nastavil, kolikor je to mogoče, testne pogoje. Tako kot lepljenje na označeno mesto, antene (Tx & Rx), nameščene z enako orientacijo za vsako baterijo preskusov zmogljivosti. Spodnji rezultati preskusov so združeno povprečje več testov z več lokacij. V uporabljenih testnih pogojih nespremenjeni radio ni mogel prejeti nobenih uspešnih sporočil.

Najboljše rezultate sem dosegel s 24ga. več kot 30 g. žica. Rezultati so bili le nekoliko boljši; recimo 10 odstotkov. Res je, poskusil sem le dva podobna ožičena primerka in morda je prišlo do 1 mm razlike v skupni topologiji antene (vsota razlik med segmenti). Nadalje sem prvo iteracijo prilagodil z uporabo 30ga.; naredite nekaj nastavitev za 1 mm. Nato smo te dolžine žice podvojili s 24ga. brez nadaljnjih primerljivih poskusov po dolžini s 24 ga. Žica.

[Glejte rezultate tabele 1 na zgornji sliki]

Ker sem hotel, da se moje enote prilegajo majhnemu ohišju, ki sem ga imel, sem preusmeril, da so oddajni vodi antene 10 mm narazen in 10 mm dolgi, na samo 6 mm in 6 mm, nato pa preizkusili optimalno nastavljene dolžine anten za to konfiguracijo. Tu je povzetek rezultatov mojih različnih testov:

[Glejte rezultate tabele 2 na zgornji sliki]

Nadaljnje testiranje z boljšo laboratorijsko merilno opremo bi nedvomno lahko oblikovalo in potrdilo izboljšane dolžine segmentov (velikost žice in po možnosti pritrdilne točke ali orientacijo) za resnično optimalno delovanje te modifikacije dipolne antene za radijske postaje nRF24.

Sporočite nam, če dobite preverljivo izboljšavo (nad konfiguracijo 24ga. 6X6mm x 30mm). Mnogi od nas bi radi izkoristili te radijske aparate (brez dodajanja obsežne antene).

Oddajniška in sprejemna antena morata biti v vašem projektu usmerjena enako vodoravno ali navpično in zelo po možnosti vzporedno. Poleg tega morda v komplementarni usmeritvi, če veste, da imajo usmerjenost (to tukaj na splošno ni navedeno). Če vaše antene niso nujno fizično različne, na primer, da na enem koncu ne uporabljate zunanje antene z visokim ojačanjem, je najbolje, da so antene enake in usmerjene popolnoma enako. To je zato, da se doseže največja zanesljivost in doseg, glede na to, da so antene nameščene nepremično.

5. korak: Strojna in programska oprema, ki sem jo uporabil pri testiranju

Strojna oprema, ki sem jo uporabil za testiranje 2 kompatibilnih računalnikov Arduino MCU

2 NRF24L01+

Včasih sem uporabil tudi LCD zaslon a16x02 (za priročen ogled v realnem času. Serijsko konzolo lahko uporabim tudi za pridobivanje rezultatov preskusov) s pritiskom na gumb (za začetek novega niza testov, sicer morate iti skozi ponovni zagon)

Priporočam in uporabljam povezave do strojne opreme:

MCU-ji: Nano V3.0 Atmega328P na eBayu ali Pro-Mini:

NRF24L01+ moduli https://ebay.com/itm/191351948163 in

16x02 LCD IC2 prikazovalni modul

Datoteke z zadrženo kodo prenesite tukaj: