Forbedret NRF24L01 -radio med en DIY -dipolantennemodifikasjon .: 5 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Situasjonen var at jeg bare kunne sende og motta gjennom 2 eller 3 vegger med en avstand på omtrent 50 fot, ved hjelp av standard nRF24L01+ moduler. Dette var utilstrekkelig for min tiltenkte bruk.

Jeg hadde tidligere prøvd å legge til anbefalte kondensatorer, men for meg og maskinvaren min ble det liten eller ingen forbedring. Så, vennligst ignorer dem på bildene.

For mine eksterne sensorer ønsket jeg ikke hoveddelen av en enhet som en nRF24L01+PA+LNA med et SMA -feste og en utvendig antenne. Så jeg opprettet denne modifiserte modulen.

Med denne modifiserte RF24 -modulen kunne jeg gå gjennom fire vegger med en avstand på omtrent 100 fot.

Denne modulen bør også nesten doble avstanden over en standard nRF24 -modul når den brukes med synsfeltapplikasjoner; som RF-fly, firhjulinger, biler og båter (100 meter). Jeg har ikke gjort noen klare synstester. I testene mine var det kjøkkenutstyr og skap og skap fulle av ting mellom mottakerne.

Her er litt grundig informasjon om en dipolantenne https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna for ytterligere undersøkelser av antenner: https://www.arrl.org eller

Jeg har studert antennedesign noen, men det er så mye spesifikke designdata og teori rundt et stort og økende antall antennedesign (spesielt for høyfrekvente kompakte antenner), at det er lett å føle seg litt tapt i skogen. Så eksperimentering har en tendens til å spille en nøkkelrolle.

Etter å ha gått gjennom alt dette, gir jeg deg implementeringen av min resulterende designmodifikasjon.

Trinn 1: Elementene du trenger

For å lage din egen forbedrede NRF24L01+ med en forbedret (Dipole) antenne trenger du:

• en NRF24L01+ modul https://www.ebay.com/itm/191351948163 eller www.ebay.com/itm/371215258056
• Loddejern og relaterte gjenstander.
• Exact-o-kniv (eller andre midler for å skrape av beskyttende belegg)
• 24ga. Solid ledning (eventuelt opptil 30ga.)

Trinn 2: Endre radiomodulen

Jeg begynte med grunnleggende dipolantennedesign og justerte dem eksperimentelt.

Noen design som krever et ¼ bølgelengdeelement trenger finjustering på grunn av forekomster av kapasitans, impedans, induktans og resonanser. Jeg har ikke midler til å måle disse egenskapene i en aktiv 2,4 GHz krets, så jeg gjorde den tilsynelatende nødvendige justeringen gjennom empirisk testing.

På bildet er noen av mine testenheter. Noen av sporene ble trukket av, da jeg loddet, ikke-loddet, bøyd og re-bøyd nye antenner. To gode ting kom ut av dette. 1) Jeg bytter fra oversiden til undersiden for å feste ett ben til bakken, noe som viste seg å være bedre mekanisk og ytelsesmessig. 2) Jeg fant ut at det er en god idé å feste ledningen med superlim eller varmt lim for strekkavlastning (jeg bøyde antennen ved et uhell ved all testing.) Først, kan dette holde dem for lodding.

Trinn for å gjøre endringen:

1. Lag to kutt, 1-2 mm brede, av sporene nær basen på PCB-antennen, som vist på bildet det første bildet ovenfor. Dette tar effektivt den eksisterende antennen ut av kretsen.
2. På den andre siden, med en eksakt-o-kniv, skraper du av beskyttelsesbelegget over kanten på bakken, som angitt i det andre bildet ovenfor
3. Skjær to 24ga. Ledninger til ca. 50 mm
4. Fjern et par millimeter isolasjon fra den ene enden av hver ledning.
5. Bøy den blanke delen i en rett vinkel på ledningen som skal festes til bakken.
6. Lim hver ledning ned (anbefal: kveldsmatlim eller varmt lim), slik at den bare enden er klar til å loddes; det ene like under de avskårne sporene, det andre i kanten av bakken. De to ledningene må ligge parallelt og 6 mm fra hverandre.
7. Når limet er satt, legger du loddeflukspasta der du skal lodde, og lodder dem deretter. Jeg anbefaler å bruke fluss slik at loddetiden din tar raskt og du ikke vil varme opp brettet.
8. Gjør skarpe, rette vinkelbøyninger i ledningene, vekk fra hverandre, ved kanten av kretskortet, ~ 6 mm opp fra der grunnplanet ender. Se de to siste bildene ovenfor. Hvis du ikke har limt ledningene ned, vær ekstra forsiktig så du ikke legger for mye stress på loddepunktene.
9. Mål ut hvert trådsegment som løper langs kanten av brettet til 30 mm fra det er 90 graders bøy og klipp dem av der. Jeg oppdaget at jeg ikke kunne måle og kutte nøyaktig, så jeg målte og merket med en fin fiberspissmarkør hvor jeg skulle kutte.
10. Med en ohm -måler kontrolleres det at ledningen nær de gamle antennens PCB -spor ikke har kontinuitet på tvers av noen av kuttene som ble utført i trinn #1.

Trinn 3: Det ferdige produktet

NRF24L01+ -modulen din vil nå fungere langt overlegen i ethvert prosjekt du bruker dem i. Du kan enten nyte forbedret pålitelighet med større rekkevidde eller med lavere innstillinger for radiostrøm. Du bør finne dette slik, selv om du bare endrer én radio (senderen eller mottakeren); og høste to ganger fordelen når du bruker en modifisert enhet i begge ender. Husk å sørge for å orientere antennene parallelt med hverandre. Jeg implementerer et prosjekt med flere eksterne sensorenheter som bruker disse modifiserte radioene (vertikalt orientert med bakken på bena ned), som alle vil snakke med en sentral basestasjon ved hjelp av en NRF24L01+PA+LNA og en ekstern antenne.

Sender- og mottakerantennene i prosjektet ditt må være orientert på samme måte både horisontalt eller vertikalt og aller helst parallelt med hverandre. I tillegg kanskje i en gratis retning hvis du vet at de har en retningsbestemt preferanse (dette er vanligvis ikke angitt her). Hvis antennene dine ikke nødvendigvis er fysisk forskjellige, som om du ikke bruker en ekstern antenne med høy forsterkning i den ene enden, er det best at antennene er identiske og orientert nøyaktig det samme. Dette er for å oppnå maksimal pålitelighet og rekkevidde, og gitt antennene montert stasjonære.

Til slutt er mengden forbedring litt vanskelig å tallfeste; men i søknaden min la jeg den fra 50 til 100% over de umodifiserte versjonene. Jeg tror den er minst like god som en enhet med en 2.5db ekstern antenne; men ikke like effektiv som en NRF24L01+PA+LNA -enhet.

Hovedhensikten med denne instruksjonsboken er ganske enkelt å instruere om hvordan man skal utforme en modifisert NRF24L01+ med en overlegen dipolantenne, slik at den vil oppnå større sende- og mottaksevne og bedre brukervennlighet i prosjekter.

Det er sannsynligvis alt de fleste vil være interessert i. Med ideen: "Hva gjør jeg for å få større brukbart område fra disse enhetene?"

Så på dette punktet … har det; og gi meg beskjed om suksessene dine med prosjektene dine ved hjelp av dine egne tilpassede radioer.

Hvis du vil forhåndsteste de modifiserte radioene dine, har jeg inkludert programvaren jeg opprettet for testingen, i et senere trinn.

Trinn 4: Hvordan jeg optimaliserte dette designet

Nå for de som er interessert, vil jeg fortsette å dele litt om hvordan jeg testet og kvalifiserte fremtidige forbedringer. Vær imidlertid oppmerksom på at hvordan du implementerer testing ikke er fokus for denne instruksen.

For å teste alle Arduino eller sammenlignbare brett, sammen med NRF24L01+ moduler, kan brukes. 01+ -versjonene er nødvendige med testprogramvaren, som skrevet, fordi den bruker 250KHz overføringshastighet. Sørg for å bare drive radioene med spenninger på 1,9-3,6v.

For min pålitelighetstesting av rekkevidde brukte jeg en pro-mini Arduino og en umodifisert NRF24L01+ som fjernkontrollen. Som ganske enkelt mottar en datapakke og gjentar den som en bekreftelse. Disse ble kjørt av 3.3V regulert.

Jeg hadde denne enheten tapet i en liten eske som jeg enkelt og gjentatte ganger kunne plassere på forskjellige teststeder.

Jeg brukte en Nano3.0 MCU med den modifiserte NRF24L01+ som hovedsenderen. Denne enden var stasjonær og ga testresultater (enten via en 16x02 LCD -skjerm eller den serielle skjermen). Jeg fant tidlig ut at en forbedret antenne ville resultere i både bedre sende- og mottaksevne. Videre ville jeg få de samme testresultatene med en gitt modifisert radio som ble brukt i hver ende. Vær oppmerksom på at i testen hver side både sender og mottar, er det fordi det etter en overføring er en bekreftelse som må mottas for at den skal regnes som en vellykket kommunikasjon.

Vær oppmerksom på at det er mange ting som kan påvirke testresultater:

• Berører, eller nesten det, RF24 -modulen eller ledningene til den.
• Ens kropp er på linje med overføringslinjen.
• De to ovennevnte har en positiv effekt.
• Forsyningsspenningens egenskaper
• Mest av alt orienteringen til sender- og mottakerantennene.
• Annen WiFi -trafikk i området. Disse kan forårsake forskjeller som kan føles som "godt vær" til "stormfulle forhold". Så jeg prøvde hovedsakelig å teste under de gunstige forholdene. Jeg vil gjenta testen for å få de beste resultatene for en gitt enhet under test og senere sammenligne disse resultatene med sammenlignbare resultater oppnådd på andre testenheter.

Innendørs er vanskeligere å få pålitelige testresultater sammenlignet med utendørs med siktlinje. Jeg kan få drastiske forskjeller i resultater ved å flytte posisjonen til en av enhetene med bare noen få centimeter. Dette skyldes tettheter og består av barrierer og reflekterende signalveier. En annen faktor kan være antennesignalstyrkmønstre, men jeg tviler på at det kan forårsake drastiske forskjeller i noen centimeters bevegelse side til side.

Jeg utviklet noe programvare for å gi meg nødvendig ytelsesstatistikk.

Pluss at jeg konfigurerte faste, så mye som mulig, testforhold. Som å tappe ned til et merket sted antennene (Tx & Rx) plassert med samme retning for hvert batteri av ytelsestester. Testresultatene nedenfor er et kombinert gjennomsnitt av flere tester fra flere steder. Under de brukte testforholdene kunne en umodifisert radio ikke få noen vellykkede meldinger.

Jeg fikk de beste resultatene med 24ga. over 30ga. metalltråd. Resultatene var bare litt bedre; si 10 prosent. Riktignok prøvde jeg bare to lignende kabelforekomster, og det kan ha vært 1 mm forskjeller i total antennetopologi (sum av forskjeller på tvers av segmenter). Videre justerte jeg den første iterasjonen ved hjelp av 30ga.; gjør flere 1 mm justeringer. Deretter dupliserte du trådlengdene med 24ga. uten ytterligere sammenlignbare eksperimenter i lengder med 24 ga. Metalltråd.

[Se tabell 1 -resultater i bildet ovenfor]

Ettersom jeg ønsket at enhetene mine skulle passe inn i et lite etui jeg hadde, byttet jeg fra at antennens overføringsledninger var 10 mm fra hverandre og 10 mm lange til bare å være 6 mm og 6 mm, og deretter testet for optimale innstilte antennelengder for den konfigurasjonen. Her er en sammendrag av resultatene fra mine forskjellige tester:

[Se tabell 2 -resultater i bildet ovenfor]

Videre testing, med bedre laboratoriemåleutstyr, kunne uten tvil utarbeide og validere forbedrede segmentlengder (trådstørrelse og muligens festepunkter eller orientering) for å oppnå optimal ytelse av denne dipolantennemodifikasjonen for nRF24 -radioer.

Gi oss beskjed hvis du oppnår en verifiserbar forbedring (over en 24ga. 6X6mm x 30mm -konfigurasjon). Mange av oss vil gjerne få mest mulig ut av disse radioene (uten å legge til en omfangsrik antenne).

Sender- og mottakerantennene i prosjektet ditt må være orientert på samme måte både horisontalt eller vertikalt og aller helst parallelt med hverandre. I tillegg kanskje i en gratis retning hvis du vet at de har en retningsbestemt preferanse (dette er vanligvis ikke angitt her). Hvis antennene dine ikke nødvendigvis er fysisk forskjellige, som om du ikke bruker en ekstern antenne med høy forsterkning i den ene enden, er det best at antennene er identiske og orientert nøyaktig det samme. Dette er for å oppnå maksimal pålitelighet og rekkevidde, og gitt antennene montert stasjonære.

Trinn 5: Maskinvare og programvare jeg brukte i testingen min

Maskinvare jeg brukte for å teste 2 MCU -er Arduino -kompatible

2 NRF24L01+

Noen ganger brukte jeg også en16x02 LCD-skjerm (for praktisk sanntidsvisning. Seriekonsollen kan også brukes til å få testresultater) en trykknapp (for å starte et nytt sett med tester, ellers må du gå gjennom en omstart)

Lenker til maskinvare jeg vil anbefale og bruke:

MCUer: Nano V3.0 Atmega328P på eBay eller Pro-Mini:

NRF24L01+ moduler https://ebay.com/itm/191351948163 og

16x02 LCD IC2 -skjermmodul

Last ned postnummerfilene her: