Modello di radiazione ESP8266: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

L'ESP8266 è un popolare modulo microcontrollore perché può essere connesso a Internet tramite il WiFi integrato. Questo apre molte opportunità per l'hobbista di realizzare gadget e dispositivi IoT telecomandati con il minimo di hardware aggiuntivo. Convenientemente, la maggior parte dei moduli incorpora un'antenna, un circuito stampato di tipo F invertito o un chip ceramico. Alcune schede consentono persino di collegare un'antenna esterna per una portata extra. La maggior parte di noi ha familiarità con le stranezze delle antenne radio, TV o persino dei telefoni cellulari. Dopo aver regolato con cura la posizione dell'antenna o del set, il segnale diventa rumoroso non appena ti allontani e ti siedi! Sfortunatamente, ESP8266 essendo un dispositivo wireless, può mostrare un comportamento antisociale simile. Un metodo per misurare il diagramma di radiazione dell'ESP8266 è spiegato in questo Instructable utilizzando la potenza del segnale RSSI riportata dal modulo. Vengono testati diversi tipi di antenna e il punto debole evidenziato per ogni versione. Un piccolo motore passo-passo viene utilizzato per ruotare il modulo ESP8266 di 360 gradi per un periodo di 30 minuti e una lettura RSSI media misurata ogni 20 secondi. I dati vengono inviati a ThingSpeak, un servizio di analisi IoT gratuito che traccia i risultati come un grafico polare da cui è possibile risolvere la direzione del segnale massimo. Questo processo è stato ripetuto per diversi orientamenti del modulo ESP8266.

Forniture

I componenti per questo progetto si trovano facilmente su Internet da fornitori come eBay, Amazon ecc., se non già nella tua casella di posta indesiderata.

28BYJ48 Motore passo-passo 5V Scheda driver ULN2003 Arduino UNO o moduli ESP8266 simili per test Antenna esterna Alimentatore USB Arduino IDE e account ThingSpeak Articoli vari - tubo di plastica, filo, Blu tak

Passaggio 1: panoramica del sistema

Un Arduino Uno viene utilizzato per guidare il motore passo-passo attraverso una rotazione completa per un periodo di 30 minuti. Poiché il motore richiede più corrente di quella disponibile da Uno, la scheda driver ULN2003 viene utilizzata per fornire la corrente extra del motore. Il motore è avvitato su un pezzo di legno per fornire una piattaforma stabile e un pezzo di tubo di plastica spinto sul mandrino del motore che verrà utilizzato per montare il modulo in prova. Quando Uno è acceso, il mandrino del motore compie una rotazione completa ogni 30 minuti. Un modulo ESP8266 programmato per misurare la potenza del segnale WiFi, RSSI, è attaccato al tubo di plastica in modo che il modulo esegua una rotazione completa. Ogni 20 secondi, ESP8266 invia la lettura dell'intensità del segnale a ThingSpeak dove il segnale viene tracciato in coordinate polari. La lettura RSSI può variare tra i produttori di chip, ma generalmente è compresa tra 0 e -100 con ciascuna unità corrispondente a 1 dBm di segnale. Poiché odio avere a che fare con numeri negativi, è stata aggiunta una costante 100 alla lettura RSSI nel grafico polare in modo che le letture siano positive e valori più alti indichino una migliore potenza del segnale.

Passaggio 2: motore passo-passo

Il motore passo-passo 28BYJ48 è leggermente avvitato a un pezzo di legno per fornire stabilità. Circa 8 pollici di tubo di plastica da 1/4 di pollice è incollato sul mandrino del motore passo-passo per il montaggio del modulo in prova. Lo Uno, la scheda driver e il motore sono cablati come è stato descritto molte volte su Internet. Un breve schizzo nel file viene visualizzato nell'Uno in modo che il tubo ruoti di un cerchio completo ogni 30 minuti quando viene acceso.

Lo schizzo utilizzato per ruotare il motore è elencato nel file di testo, niente di rivoluzionario qui.

Passaggio 3: test ESP8266

I moduli per il test sono stati prima flashati con uno schizzo che invia la lettura RSSI a ThingSpeak ogni 20 secondi per un giro completo del motore passo-passo. Sono stati tracciati tre orientamenti per ciascun modulo indicato dai test A, B e C. Nella posizione A, il modulo è montato sul lato del tubo con l'antenna in alto. Di fronte all'antenna, la parte destra dell'antenna punta al router all'inizio del test. Sfortunatamente, sono stato nuovamente incantato dai numeri negativi, il motore gira in senso orario ma il diagramma polare è scalato in senso antiorario. Ciò significa che il lato non oscurato dell'antenna è rivolto verso il router a circa 270 gradi. Nella posizione B, il modulo è montato orizzontalmente sulla parte superiore del tubo. L'antenna punta al router come nel test A all'inizio del test. Infine, il modulo viene posizionato come nel test A e quindi il modulo viene ruotato in senso orario di 90 gradi e montato per dare la posizione di test C.

Il file di testo fornisce il codice necessario per inviare i dati RSSI a ThingSpeak. Devi aggiungere i tuoi dettagli WiFi e la chiave API se usi ThingSpeak.

Passaggio 4: risultati del circuito stampato a F invertito

Il primo modulo testato aveva un'antenna a circuito stampato a meandri che è il tipo più comune perché è il più economico da produrre. Il grafico polare mostra come cambia la potenza del segnale quando il modulo viene ruotato. Ricorda che l'RSSI è basato su una scala logaritmica e quindi un cambiamento di 10 unità RSSI è un cambiamento di 10 volte nella potenza del segnale. Il test A con l'antenna nella parte superiore del modulo fornisce il segnale più alto. Inoltre, la posizione migliore è quando la pista PCB è rivolta verso il router. I risultati peggiori si verificano nel test B dove c'è molta schermatura dagli altri componenti sulla scheda. Anche il test C soffre di schermatura dei componenti, ma ci sono alcune posizioni in cui la pista PCB ha un percorso libero verso il router. Il modo migliore per montare il modulo è con l'antenna in alto con la pista PCB rivolta verso il router. In questo caso, possiamo aspettarci una potenza del segnale di circa 35 unità. Posizioni non ottimali possono facilmente ridurre la potenza del segnale di un fattore dieci. Normalmente, il modulo sarebbe montato in una scatola per la protezione sia fisica che ambientale, potremmo aspettarci che questo riduca ancora di più il segnale… Un test per il futuro.

ThingSpeak ha bisogno di un po' di codice per organizzare i dati e creare i grafici polari. Questo può essere trovato nel file di testo incorporato.

Passaggio 5: risultati del chip ceramico

Alcuni moduli ESP8266 utilizzano un chip ceramico per l'antenna invece della pista del circuito stampato. Non ho idea di come funzionino, tranne che l'elevata costante dielettrica della ceramica probabilmente consente un restringimento delle dimensioni fisiche. Il vantaggio del chip Antenna è un ingombro ridotto a scapito del costo. I test della potenza del segnale sono stati ripetuti su un modulo con un'antenna a chip in ceramica dando i risultati nell'immagine. L'antenna a chip fatica a raggiungere una potenza del segnale maggiore di 30 rispetto ai 35 con il design del PCB. Forse le dimensioni contano dopo tutto? Montando il modulo con il chip in alto si ottiene la migliore trasmissione. Tuttavia, nel test B con la scheda montata orizzontalmente, c'è molta schermatura dagli altri componenti sulla scheda in determinate posizioni. Infine nel Test C ci sono posizioni in cui il chip ha un percorso libero verso il router e altre volte in cui c'è ostruzione dagli altri componenti della scheda.

Passaggio 6: risultati dell'antenna omnidirezionale

Il modulo chip ceramico aveva la possibilità di collegare un'antenna esterna tramite un connettore IPX. Prima di poter utilizzare il connettore, è necessario spostare un collegamento per scambiare il percorso del segnale dal chip al socket IPX. Questo si è rivelato abbastanza facile tenendo il collegamento con una pinzetta e quindi riscaldando il collegamento con un saldatore. Una volta che la saldatura si scioglie, il collegamento può essere sollevato e posizionato nella nuova posizione. Un altro tocco con il saldatore salderà il collegamento nella nuova posizione. Il test dell'antenna omnidirezionale è stato leggermente diverso. Per prima cosa l'antenna è stata testata ruotandola orizzontalmente. Successivamente l'antenna è stata inserita in una posizione di 45 gradi e testata. Alla fine è stato realizzato un grafico con l'antenna verticale. Piuttosto sorprendentemente, la posizione peggiore era una posizione verticale per l'antenna, soprattutto perché le antenne del router erano verticali e su un piano simile. Le posizioni migliori erano con l'antenna tra orizzontale e 45 gradi con un angolo di rotazione di circa 120 gradi. In queste condizioni, la potenza del segnale ha raggiunto 40, un miglioramento significativo rispetto all'antenna chip originale. I grafici mostrano solo la minima somiglianza con quei diagrammi a ciambella meravigliosamente simmetrici mostrati nei libri di testo per le antenne. In realtà, molti altri fattori, noti e sconosciuti, influenzano la potenza del segnale rendendo la misura sperimentale il modo migliore per testare il sistema.

Passaggio 7: l'antenna ottimale

Come test finale, l'antenna omnidirezionale è stata impostata a 45 gradi nella posizione di massima potenza del segnale. Questa volta l'antenna non è stata ruotata ma lasciata in datalog per 30 minuti per dare un'idea della variazione di misura. Il grafico indica che la misurazione è stabile entro +/- 2 unità RSSI. Tutti questi risultati sono stati presi in una famiglia molto occupata dall'elettricità. Non è stato fatto alcun tentativo di spegnere telefoni DECT, forni a microonde o altri dispositivi WiFi e Bluetooth per ridurre il rumore elettrico. Questo è il mondo reale… Questo Instructable mostra come misurare l'efficacia delle antenne utilizzate su ESP8266 e moduli simili. Un'antenna a binario stampata offre una potenza del segnale migliore rispetto a un'antenna a chip. Tuttavia, come previsto, un'antenna esterna dà il miglior risultato.