Ràdio NRF24L01 millorada amb modificació de l’antena dipol de bricolatge: 5 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

La situació era que només podia transmetre i rebre a través de 2 o 3 parets amb una distància d’uns 50 peus, mitjançant mòduls nRF24L01 + estàndard. Això no va ser suficient per al meu ús previst.

Anteriorment havia intentat afegir condensadors recomanats, però per a mi i per al meu maquinari vam millorar molt poc o gens. Per tant, si us plau, ignoreu-los a les fotos.

Per als meus sensors remots no volia la major part d'una unitat com un nRF24L01 + PA + LNA amb un muntatge SMA i antena exterior. Així que vaig crear aquest mòdul modificat.

Amb aquest mòdul RF24 modificat podia passar per quatre parets amb una distància d’uns 100 peus.

Aquest mòdul també hauria de gairebé duplicar la distància sobre un mòdul nRF24 estàndard quan s’utilitzi amb aplicacions de línia de visió; com ara avions RF, quad-couper, cotxes i vaixells (100 metres). No he fet cap prova clara de la línia de visió. A les meves proves, hi havia electrodomèstics de cuina, armaris i armaris plens de coses entre els transceptors.

Aquí teniu informació detallada sobre una antena dipolar https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna per provar l'estudi de les antenes: https://www.arrl.org o

He estudiat alguns dissenys d'antenes, però hi ha tantes dades específiques de disseny i teoria al voltant d'un nombre creixent de dissenys d'antenes (sobretot per a antenes compactes d'alta freqüència), que és fàcil sentir-se una mica perdut al bosc. Per tant, l’experimentació sol tenir un paper fonamental.

Després d’haver passat tot això, us dono aquí la implementació de la meva modificació de disseny resultant.

Pas 1: els elements que necessiteu

Per fabricar el vostre propi NRF24L01 + millorat amb una antena (dipol) millorada, necessitareu:

• un mòdul NRF24L01 + https://www.ebay.com/itm/191351948163 o www.ebay.com/itm/371215258056
• Soldador i articles relacionats.
• Exact-o-knife (o altres mitjans per rascar els revestiments protectors)
• 24ga. Cable ple (opcionalment fins a 30ga.)

Pas 2: Modificació del mòdul de ràdio

Vaig començar amb dissenys bàsics d'antenes dipol i els vaig sintonitzar experimentalment.

Alguns dissenys que requereixen un element de longitud d’ona need necessiten ajustaments fins a causa de casos de capacitat, impedància, inductància i ressonàncies. No tinc mitjans per mesurar aquestes característiques en un circuit actiu de 2,4 GHz, de manera que vaig fer l'ajust aparentment necessari mitjançant proves empíriques.

A la imatge es mostren algunes de les meves unitats de prova. Algunes de les traces es van retirar, ja que anava soldant, sense soldar, doblegar i tornar a doblar les possibles antenes. D’això van sortir dues coses bones. 1) Passo de la part superior a la inferior per fixar una cama a terra, que va resultar ser millor mecànicament i amb més rendiment. 2) He trobat que és una bona idea connectar el cable amb una super-cola o cola calenta per alleujar la tensió (vaig continuar doblegant accidentalment l’antena durant totes les proves.) Fet primer, això els pot contenir per soldar.

Passos per fer la modificació:

1. Feu dos talls, de 1-2 mm d’amplada, de les traces properes a la base de l’antena del PCB, tal com es veu a la imatge de la primera imatge superior. Això treu efectivament l’antena existent del circuit.
2. A l’altre costat, amb un ganivet exact-o, rasqueu el revestiment protector sobre la vora del pla de terra, tal com s’indica a la segona imatge superior
3. Talla dos 24ga. Cables a aprox. 50 mm
4. Retireu un parell de mil·límetres d’aïllament d’un extrem de cada filferro.
5. Doblegueu la porció nua en angle recte sobre el filferro per fixar-la a terra.
6. Enganxeu cada filferro (recomanable: cola per sopar o cola calenta), de manera que l'extrem nu estigui a punt per soldar-se; una just a sota de les traces de tall, l'altra a la vora del pla de terra a la part posterior. Els dos cables han de quedar paral·lels i separats a 6 mm.
7. Un cop fixada la cola, col·loqueu la pasta de flux de soldadura allà on aneu a soldar i, a continuació, soldeu-les. Us recomano utilitzar flux perquè la vostra soldadura es faci ràpidament i no escalfeu la placa.
8. Feu plegats d’angle recte nítids als cables, allunyats l’un de l’altre, per la vora del PCB, a uns 6 mm d’on acaba el pla de terra. Consulteu les dues darreres imatges anteriors. Si no heu enganxat els cables, tingueu molta precaució de no pressionar massa els punts de soldadura.
9. Mesureu cada segment de filferro que corre al llarg de la vora del tauler a 30 mm des del revolt de 90 graus i talleu-los allà. Vaig descobrir que no podia mesurar i tallar amb precisió, així que vaig mesurar i marcar amb un retolador de punta fina de fibra on tallar.
10. Amb un mesurador d’ohm, assegureu-vos que el cable a prop de les antigues traces de PCB de l’antena no tingui continuïtat en cap dels talls realitzats al pas # 1.

Pas 3: el producte acabat

El mòdul NRF24L01 + tindrà un rendiment molt superior en el projecte que utilitzeu. Podeu gaudir d'una fiabilitat millorada amb un abast més gran o amb una configuració de potència de ràdio inferior. Ho hauríeu de trobar així, fins i tot amb només modificar una ràdio (l'emissor o receptor); i obtingueu el doble de benefici quan feu servir una unitat modificada als dos extrems. Recordeu que heu d’orientar les antenes paral·leles entre si. Estic implementant un projecte amb diverses unitats de sensors remots que utilitzen aquestes ràdios modificades (orientades verticalment amb les potes de terra apuntades cap avall), que conversaran totes amb una estació base central mitjançant un NRF24L01 + PA + LNA i una antena externa.

Les antenes transmissores i receptores del vostre projecte han d’estar orientades de manera similar horitzontal o vertical i, preferiblement, paral·leles entre si. A més, potser en una orientació complementària si sabeu que tenen una preferència direccional (generalment no s’indica aquí). Si les vostres antenes no són necessàriament diferents físicament, com si no feu servir una antena externa d’alt guany en un extrem, és millor que les antenes siguin idèntiques i estiguin orientades exactament igual. Això és per tal d’assolir la màxima fiabilitat i abast, ja que les antenes estan muntades estacionàries.

Al final, la quantitat de millora és una mica difícil de quantificar; però a la meva aplicació, el vaig situar entre el 50 i el 100% respecte a les versions sense modificar. Crec que és almenys tan bo com una unitat amb una antena externa de 2,5 db; però no tan eficaç com una unitat NRF24L01 + PA + LNA.

La intenció principal d’aquest Instructable és simplement donar instruccions sobre com idear un NRF24L01 + modificat amb una antena dipol superior de manera que aconsegueixi una capacitat de transmissió i recepció més gran i una millor usabilitat en els projectes.

Probablement, això és tot el que interessarà a la majoria de la gent. Amb la idea: "Què faig per obtenir un abast útil més gran d'aquestes unitats?"

Així que en aquest moment … tingueu-hi; i feu-me saber els vostres èxits amb els vostres projectes mitjançant la vostra pròpia ràdio personalitzada.

Si voleu provar prèviament les ràdios modificades, he inclòs el programari que he creat per a la meva prova en un pas posterior.

Pas 4: Com he optimitzat aquest disseny

Ara, per a aquells que hi estiguin interessats, continuaré explicant una mica sobre com he provat i qualificat les possibles millores. Tanmateix, tingueu en compte que la manera d’implementar les proves no és el focus d’aquest instructiu.

Per provar qualsevol placa Arduino o similars, juntament amb mòduls NRF24L01 +, es poden utilitzar. Les versions 01+ són necessàries amb el programari de prova, tal com està escrit, perquè utilitza la velocitat de transmissió de 250 KHz. Assegureu-vos que només alimenteu els aparells de ràdio amb tensions d’1,9-3,6v.

Per a les proves de fiabilitat de la meva gamma, he utilitzat un Arduino pro-mini i un NRF24L01 + sense modificar com a comandament a distància. Que simplement rep un paquet de dades i el torna a fer ressò com a reconeixement. Aquests es reduïen a 3,3 V regulats.

Tenia aquest conjunt gravat en una petita caixa que podia col·locar fàcilment i repetidament en diversos llocs de prova.

He utilitzat una MCU Nano3.0 amb el NRF24L01 + modificat com a transceptor principal. Aquest extrem estava estacionari i proporcionava resultats de proves (mitjançant una pantalla LCD de 16x02 o el monitor sèrie). Al principi vaig establir que una antena millorada donaria lloc a una millor capacitat de transmissió i recepció. A més, obtindria els mateixos resultats de la prova amb una ràdio modificada donada que s’utilitzava a qualsevol extrem. Tingueu en compte que a la prova cada banda transmet i rep, és a dir, que després d’una transmissió hi ha un reconeixement que cal rebre perquè es pugui comptar com una comunicació reeixida.

Tingueu en compte que hi ha moltes coses que poden afectar els resultats de les proves:

• Tocant, o gairebé així, el mòdul RF24 o els cables.
• El cos en línia amb la línia de transmissió.
• Els dos anteriors tenen un efecte positiu.
• Les característiques de la tensió d’alimentació
• Sobretot, l’orientació de les antenes del transmissor i del receptor.
• Altres tràfics WiFi a la zona. Aquests podrien causar diferències que poden semblar les del "bon temps" a les "condicions de tempesta". Així que vaig intentar provar principalment durant les condicions favorables. Repetiria la prova per obtenir els millors resultats per a una unitat determinada en prova i després compararia aquests resultats amb resultats comparables obtinguts en altres unitats de prova.

A l'interior és més difícil obtenir resultats fiables en comparació amb l'exterior amb una línia de visió. Podria obtenir diferències dràstiques en els resultats movent la posició d'una de les unitats només uns centímetres. Això es deu a les densitats i es compon de barreres i camins de senyal reflectants. Un altre factor podrien ser els patrons de força del senyal de l’antena, però dubto que pogués causar diferències dràstiques en el moviment d’uns quants centímetres d’un costat a l’altre.

Vaig idear un programari per proporcionar-me algunes estadístiques de rendiment necessàries.

A més, he configurat les condicions de prova en la mesura del possible. Com gravar fins a un lloc marcat les antenes (Tx i Rx) col·locades amb la mateixa orientació per a cada bateria de proves de rendiment. Els resultats de les proves següents són una mitjana combinada de diverses proves de diverses ubicacions. En les condicions de prova utilitzades, una ràdio sense modificacions no va poder rebre cap missatge amb èxit.

Vaig obtenir els millors resultats amb 24ga. més de 30ga. filferro. Els resultats només van ser una mica millors; diguem un 10 per cent. És cert que només he provat dues instàncies connectades de la mateixa manera i és possible que hi hagi hagut diferències d’1 mm en la topologia total de l’antena (suma de diferències entre segments). A més, vaig ajustar la primera iteració amb el 30ga.; fent diversos ajustos d'1 mm. A continuació, va duplicar aquestes longituds de filferro amb 24ga. sense més experiments comparables en longituds amb les 24 ga. Filferro.

[Vegeu els resultats de la taula 1 a la imatge superior]

Com que volia que les meves unitats s’adaptessin a una petita caixa que tenia, vaig passar de tenir els cables de transmissió de l’antena separats de 10 mm i de 10 mm de llarg a només 6 mm i 6 mm, i després vaig provar la longitud òptima de l’antena afinada per a aquesta configuració. Aquí teniu un resum resumit dels resultats de les meves diferents proves:

[Vegeu els resultats de la taula 2 a la imatge superior]

Les proves posteriors, amb un millor equip de mesura de laboratori, sens dubte podrien idear i validar longituds de segments millorades (mida del cable i possiblement punts de fixació o orientació) per obtenir un rendiment òptim real d’aquesta modificació de l’antena dipol per a ràdios nRF24.

Feu-nos-ho saber si obteniu una millora verificable (sobre una configuració de 24ga. 6X6mm x 30mm). A molts de nosaltres ens agradaria treure el màxim partit a aquestes ràdios (sense afegir una antena voluminosa).

Les antenes transmissores i receptores del vostre projecte han d’estar orientades de manera similar tant horitzontals com verticals i, preferiblement, paral·leles entre si. A més, potser en una orientació complementària si sabeu que tenen una preferència direccional (generalment no s’indica aquí). Si les vostres antenes no són necessàriament diferents físicament, com si no feu servir una antena externa d’alt guany en un extrem, és millor que les antenes siguin idèntiques i estiguin orientades exactament igual. Això és per tal d’assolir la màxima fiabilitat i abast, ja que les antenes estan muntades estacionàries.

Pas 5: maquinari i programari que he utilitzat a les meves proves

Maquinari que he utilitzat per provar 2 MCU compatibles Arduino

2 NRF24L01 +

De vegades també feia servir una pantalla LCD a16x02 (per a una visualització còmoda en temps real. La consola sèrie també es pot utilitzar per obtenir resultats de proves) un polsador (per iniciar un nou conjunt de proves, en cas contrari hauríeu de passar per un reinicia)

Enllaços a maquinari que recomanaria i faria servir:

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

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

Mòdul de visualització LCD IC2 de 16x02

Descarregueu aquí els fitxers de codi comprimit: