Radio NRF24L01 migliorata con una modifica dell'antenna a dipolo fai-da-te.: 5 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

La situazione era che ero in grado di trasmettere e ricevere solo attraverso 2 o 3 pareti con una distanza di circa 50 piedi, utilizzando moduli nRF24L01+ standard. Questo era insufficiente per l'uso previsto.

In precedenza avevo provato ad aggiungere condensatori consigliati, ma per me e il mio hardware ho ottenuto miglioramenti minimi o nulli. Quindi, per favore ignorali nelle foto.

Per i miei sensori remoti non volevo il grosso di un'unità come un nRF24L01+PA+LNA con un supporto SMA e un'antenna esterna. Così ho creato questo modulo modificato.

Con questo modulo RF24 modificato ho potuto attraversare quattro pareti con una distanza di circa 100 piedi.

Questo modulo dovrebbe anche quasi raddoppiare la distanza rispetto a un modulo nRF24 standard se utilizzato con applicazioni in linea di vista; come aerei RF, quad-rame, auto e barche (100 metri). Non ho effettuato alcun test della linea di vista chiara. Nei miei test c'erano elettrodomestici da cucina, armadietti e armadi pieni di roba tra i ricetrasmettitori.

Ecco alcune informazioni approfondite su un'antenna a dipolo https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna per ulteriori studi sulle antenne prova: https://www.arrl.org o

Ho studiato un po' di progettazione di antenne, ma ci sono così tanti dati e teorie di progettazione specifici su un numero vasto e crescente di progetti di antenne (in particolare per antenne compatte ad alta frequenza), che è facile sentirsi un po' persi nei boschi. Quindi la sperimentazione tende a giocare un ruolo chiave.

Dopo aver passato tutto questo, ti do qui l'implementazione della mia modifica di progettazione risultante.

Passaggio 1: gli articoli di cui avrai bisogno

Per fabbricare il tuo NRF24L01+ potenziato con un'antenna (dipolo) migliorata avrai bisogno di:

• un modulo NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 o www.ebay.com/itm/371215258056
• Saldatore e articoli correlati.
• Exact-o-knife (o altri mezzi per raschiare i rivestimenti protettivi)
• 24ga. Filo pieno (opzionalmente fino a 30ga.)

Passaggio 2: modifica del modulo radio

Ho iniziato con i progetti di antenne a dipolo di base e li ho sintonizzati sperimentalmente.

Alcuni progetti che richiedono un elemento di lunghezza d'onda necessitano di regolazioni fini a causa di istanze di capacità, impedenza, induttanza e risonanze. Non ho i mezzi per misurare queste caratteristiche in un circuito attivo a 2,4 GHz, quindi ho effettuato la regolazione apparentemente necessaria attraverso test empirici.

Nella foto sono alcune delle mie unità di prova. Alcune delle tracce sono state rimosse, mentre saldavo, dissaldavo, piegavo e piegavo le potenziali antenne. Ne sono uscite due cose buone. 1) Passo dal lato superiore a quello inferiore per attaccare una gamba a terra, che si è rivelata migliore dal punto di vista meccanico e prestazionale. 2) Ho scoperto che è una buona idea attaccare il filo con colla super o colla a caldo per ridurre la trazione (ho continuato a piegare accidentalmente l'antenna durante tutti i test). Fatto prima, questo può tenerli per la saldatura.

Passaggi per effettuare la modifica:

1. Eseguire due tagli, larghi 1-2 mm, delle tracce vicino alla base dell'antenna PCB, come mostrato nell'immagine della prima immagine sopra. Ciò elimina efficacemente l'antenna esistente dal circuito.
2. Dall'altro lato, usando un coltello esatto, raschiare il rivestimento protettivo sul bordo del piano di massa, come indicato nella seconda immagine sopra
3. Taglia due 24ga. Fili a ca. 50mm
4. Rimuovere un paio di millimetri di isolamento da un'estremità di ciascun filo.
5. Piegare la parte nuda ad angolo retto sul filo da fissare a terra.
6. Incollare ciascun filo (consigliato: colla per cena o colla a caldo), in modo che l'estremità nuda sia pronta per essere saldata; uno appena sotto le tracce di taglio, l'altro al bordo del piano terra sul retro. I due fili devono essere paralleli e distanziati di 6 mm.
7. Una volta che la colla è fissata, metti la pasta per saldatura nel punto in cui andrai a saldare, quindi saldali. Consiglio di utilizzare il flusso in modo che la saldatura avvenga rapidamente e non si surriscaldi la scheda.
8. Fai curve nitide ad angolo retto nei fili, lontano l'uno dall'altro, dal bordo del PCB, a circa 6 mm dal punto in cui termina il piano di massa. Fare riferimento alle ultime due immagini sopra. Se non hai incollato i fili, fai molta attenzione a non sollecitare troppo i punti di saldatura.
9. Misura ogni segmento di filo che corre lungo il bordo della tavola a 30 mm dalla sua curvatura di 90 gradi e tagliali lì. Ho scoperto che non potevo misurare e tagliare con precisione, quindi ho misurato e segnato con un pennarello a punta fine dove tagliare.
10. Con un ohmmetro controlla che il filo vicino alle tracce del PCB della vecchia antenna non abbia continuità attraverso nessuno dei tagli effettuati al punto #1.

Passaggio 3: il prodotto finito

Il tuo modulo NRF24L01+ ora offrirà prestazioni di gran lunga superiori in qualsiasi progetto in cui lo utilizzi. Puoi goderti una maggiore affidabilità con una portata maggiore o con impostazioni di potenza radio inferiori. Dovresti trovarlo così, anche con la modifica di una sola radio (il trasmettitore o il ricevitore); e ottieni il doppio dei benefici quando usi un'unità modificata ad entrambe le estremità. Ricordarsi di orientare le antenne parallelamente l'una all'altra. Sto implementando un progetto con più unità di sensori remoti che utilizzano queste radio modificate (orientate verticalmente con le gambe a terra rivolte verso il basso), che converseranno tutte con una stazione base centrale utilizzando un NRF24L01+PA+LNA e un'antenna esterna.

Le antenne del trasmettitore e del ricevitore, nel tuo progetto, devono essere orientate in modo simile sia in orizzontale che in verticale e molto preferibilmente parallele l'una all'altra. Inoltre, magari in un orientamento gratuito se sai che hanno una preferenza direzionale (questo non è generalmente indicato qui). Se le tue antenne non sono necessariamente diverse fisicamente, ad esempio se non stai utilizzando un'antenna esterna ad alto guadagno su un'estremità, allora è meglio che le antenne siano identiche e orientate esattamente allo stesso modo. Questo al fine di ottenere la massima affidabilità e portata, e dato che le antenne sono montate stazionarie.

Alla fine la quantità di miglioramento è un po' difficile da quantificare; ma nella mia applicazione, l'ho messo dal 50 al 100% rispetto alle versioni non modificate. Penso che sia buono almeno quanto un'unità con un'antenna esterna da 2,5 dB; ma non efficace quanto un'unità NRF24L01+PA+LNA.

L'intenzione principale di questo Instructable è semplicemente quella di istruire su come ideare un NRF24L01+ modificato con un'antenna dipolo superiore in modo da ottenere una maggiore capacità di trasmissione e ricezione e una migliore usabilità nei progetti.

Questo è probabilmente tutto ciò a cui la maggior parte delle persone sarà interessata. Con l'idea: "Cosa devo fare per ottenere una maggiore portata utilizzabile da queste unità?"

Quindi, a questo punto … fallo; e fammi sapere dei tuoi successi con i tuoi progetti utilizzando le tue radio personalizzate.

Se vuoi testare prima le tue radio modificate, ho incluso il software che ho creato per i miei test, in un passaggio successivo.

Passaggio 4: come ho ottimizzato questo design

Ora, per coloro che sono interessati, continuerò a condividere un po' di come ho testato e qualificato i potenziali miglioramenti. Tuttavia, tieni presente che come implementare i test non è l'obiettivo di questa istruzione.

Per testare qualsiasi scheda Arduino o comparabile, insieme ai moduli NRF24L01+, è possibile utilizzare. Le versioni 01+ sono necessarie con il software di test, come scritto, perché utilizza la velocità di trasmissione di 250 KHz. Assicurati di alimentare le radio solo con tensioni di 1,9-3,6 V.

Per i miei test di affidabilità della gamma, ho usato un pro-mini Arduino e un NRF24L01+ non modificato come telecomando. Che riceve semplicemente un pacchetto di dati e lo restituisce come riconoscimento. Questi erano gestiti da 3.3V regolati.

Avevo questo assemblaggio registrato in una piccola scatola che potevo facilmente, e ripetutamente, posizionare in varie posizioni di prova.

Ho usato un MCU Nano3.0 con il NRF24L01+ modificato come ricetrasmettitore principale. Questa estremità era stazionaria e forniva i risultati dei test (tramite un display LCD 16x02 o il monitor seriale). All'inizio ho stabilito che un'antenna migliorata avrebbe portato a una migliore capacità di trasmissione e ricezione. Inoltre, otterrei gli stessi risultati del test con una data radio modificata utilizzata alle due estremità. Si noti che nel test ogni lato trasmette e riceve, questo perché dopo una trasmissione c'è un riconoscimento che deve essere ricevuto affinché possa essere considerato come una comunicazione riuscita.

Nota che ci sono molte cose che possono influenzare i risultati dei test:

• Toccando, o quasi, il modulo RF24 oi cavi ad esso.
• Il proprio corpo in linea con la linea di trasmissione.
• I due precedenti hanno un effetto positivo.
• Le caratteristiche della tensione di alimentazione
• Soprattutto, l'orientamento delle antenne del trasmettitore e del ricevitore.
• Altro traffico WiFi in zona. Questi potrebbero causare differenze che possono sembrare quelle di "bel tempo" e "condizioni di tempesta". Quindi ho cercato di testare principalmente durante le condizioni favorevoli. Ripeterei il test per ottenere i migliori risultati per una determinata unità in prova e successivamente confrontare tali risultati con risultati comparabili ottenuti su altre unità di prova.

All'interno è più difficile ottenere risultati di test affidabili rispetto all'esterno con una linea di vista. Potrei ottenere differenze drastiche nei risultati spostando la posizione di una delle unità di pochi pollici. Ciò è dovuto alle densità e alla composizione di barriere e percorsi del segnale riflettente. Un altro fattore potrebbe essere l'intensità del segnale dell'antenna, ma dubito che possa causare differenze drastiche nel movimento di pochi centimetri da un lato all'altro.

Ho ideato un software per fornirmi alcune statistiche sulle prestazioni necessarie.

Inoltre ho fissato, per quanto possibile, le condizioni di prova. Come fissare in un punto segnato le antenne (Tx e Rx) posizionate con lo stesso orientamento per ogni batteria di test delle prestazioni. I risultati del test di seguito sono una media combinata di più test da più posizioni. Nelle condizioni di test utilizzate, una radio non modificata non è stata in grado di trasmettere messaggi di successo.

Ho ottenuto i migliori risultati con 24ga. oltre 30ga. filo. I risultati sono stati solo leggermente migliori; diciamo il 10 per cento. Devo ammettere che ho provato solo due istanze analogamente cablate e potrebbe esserci stata una differenza di 1 mm nella topologia totale dell'antenna (somma delle differenze tra i segmenti). Inoltre, ho ottimizzato la prima iterazione usando il 30ga.; effettuando diverse regolazioni di 1 mm. Quindi duplicato quelle lunghezze di filo con 24ga. senza ulteriori esperimenti comparabili in lunghezze con il 24 ga. Filo.

[Vedi i risultati della tabella 1 nell'immagine sopra]

Poiché volevo che le mie unità si adattassero a un piccolo case che avevo, sono passato dall'avere i cavi di trasmissione dell'antenna a 10 mm di distanza e 10 mm di lunghezza a soli 6 mm e 6 mm, quindi testato per lunghezze dell'antenna sintonizzate ottimali per quella configurazione. Ecco un riassunto riassuntivo dei risultati dei miei vari test:

[Vedi i risultati della tabella 2 nell'immagine sopra]

Ulteriori test, con migliori apparecchiature di misurazione di laboratorio, potrebbero senza dubbio ideare e convalidare lunghezze di segmento migliorate (dimensioni del cavo e possibilmente punti di attacco o orientamento) per prestazioni davvero ottimali di questa modifica dell'antenna a dipolo per radio nRF24.

Fateci sapere se ottenete un miglioramento verificabile (su una configurazione 24ga. 6X6mm x 30mm). Molti di noi vorrebbero ottenere il massimo da queste radio (senza aggiungere un'antenna ingombrante).

Le antenne del trasmettitore e del ricevitore, nel tuo progetto, devono essere orientate in modo simile sia in orizzontale che in verticale e molto preferibilmente parallele l'una all'altra. Inoltre, magari in un orientamento gratuito se sai che hanno una preferenza direzionale (questo non è generalmente indicato qui). Se le tue antenne non sono necessariamente diverse fisicamente, ad esempio se non stai utilizzando un'antenna esterna ad alto guadagno su un'estremità, allora è meglio che le antenne siano identiche e orientate esattamente allo stesso modo. Questo al fine di ottenere la massima affidabilità e portata, e dato che le antenne sono montate stazionarie.

Passaggio 5: hardware e software che ho utilizzato nei miei test

Hardware che ho usato per testare 2 MCU compatibili con Arduino

2 NRF24L01+

A volte ho utilizzato anche un display LCD 16x02 (per una comoda visualizzazione in tempo reale. La console seriale può essere utilizzata anche per ottenere i risultati dei test) un pulsante (per avviare una nuova serie di test, altrimenti avresti bisogno di passare attraverso un ricomincia)

Collegamenti all'hardware che consiglierei e utilizzerei:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P su eBay o Pro-Mini:

Moduli NRF24L01+ https://ebay.com/itm/191351948163 e

Modulo display LCD IC2 16x02

Scarica i file zippati qui: