رادیو NRF24L01 پیشرفته با اصلاح آنتن دوقطبی DIY .: 5 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

وضعیت به این صورت بود که من تنها با استفاده از ماژول های استاندارد nRF24L01+ قادر به انتقال و دریافت از طریق 2 یا 3 دیوار با فاصله حدود 50 فوت بودم. این برای استفاده مورد نظر من کافی نبود.

من قبلا سعی کرده بودم خازن های توصیه شده را اضافه کنم ، اما برای من و سخت افزار من بسیار کمی بهبود یافتم. بنابراین ، لطفاً آنها را در عکس ها نادیده بگیرید.

برای سنسورهای راه دور من نمی خواهم قسمت عمده ای از واحد مانند nRF24L01+PA+LNA با SMA Mount و آنتن خارجی داشته باشم. بنابراین من این ماژول اصلاح شده را ایجاد کردم.

با استفاده از این ماژول RF24 اصلاح شده می توانم از چهار دیوار با فاصله حدود 100 فوت عبور کنم.

این ماژول همچنین هنگام استفاده از برنامه های کاربردی خط دید ، باید تقریباً دو برابر ماژول استاندارد nRF24 دو برابر شود. مانند هواپیماهای RF ، چهار مسی ، ماشین و قایق (100 متر). من هیچ خط آزمایش واضحی از دیدگاه ارائه نکرده ام. در آزمایشات من وسایل آشپزخانه و کابینت و کمدهای پر از وسایل بین فرستنده و گیرنده وجود داشت.

در اینجا اطلاعات مفصلی در مورد آنتن دوقطبی وجود دارد https://fa.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna برای مطالعه بیشتر آنتن ها: https://www.arrl.org یا

من برخی از طراحی های آنتن را مطالعه کرده ام ، اما اطلاعات و نظریه های طراحی خاصی در مورد تعداد زیادی و رو به رشد طرح های آنتن (به ویژه برای آنتن های جمع و جور با فرکانس بالا) وجود دارد ، به طوری که به راحتی می توان کمی در جنگل گم شد. بنابراین آزمایش نقش کلیدی را ایفا می کند.

اکنون که همه اینها را پشت سر گذاشته ام ، در اینجا پیاده سازی تغییر طراحی حاصله را به شما می دهم.

مرحله 1: اقلام مورد نیاز

برای ساختن NRF24L01+ پیشرفته خود با آنتن بهبود یافته (دیپل) به موارد زیر نیاز دارید:

• یک ماژول NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 یا www.ebay.com/itm/371215258056
• آهن لحیم کاری و اقلام مربوطه.
• چاقوی دقیق (یا وسایل دیگر برای از بین بردن پوشش های محافظ)
• 24ga سیم جامد (اختیاری تا 30 گیگابایت)

مرحله 2: اصلاح ماژول رادیو

من با طرح های اولیه آنتن دوقطبی شروع کردم و آنها را به صورت تجربی تنظیم کردم.

برخی از طرحهایی که عنصر طول موج call را فرا می گیرند به دلیل مواردی از جمله ظرفیت ، امپدانس ، استقراء و رزونانس نیاز به تنظیمات دقیق دارند. من ابزاری برای اندازه گیری این ویژگی ها در یک مدار فعال 2.4 گیگاهرتز ندارم ، بنابراین من از طریق آزمایش تجربی تعدیل ظاهرا مورد نیاز را انجام دادم.

تصویر چند واحد آزمایشی من است. برخی از آثار از بین رفتند ، زیرا آنتن های احتمالی را لحیم کردم ، لحیم نکردم ، خم کردم و دوباره خم کردم. دو چیز خوب از این کار بیرون آمد. 1) برای اتصال یک پا به زمین ، از طرف بالا به سمت پایین می روم ، که از نظر مکانیکی و عملکرد بهتر بود. 2) دریافتم که ایده خوبی است که سیم را با چسب فوق العاده یا چسب حرارتی برای تسکین فشار وصل کنید (من در تمام آزمایشات به طور اتفاقی آنتن را خم کردم.) ابتدا انجام شد ، این می تواند آنها را برای لحیم کاری نگه دارد.

مراحل انجام اصلاح:

1. دو برش ، به عرض 1-2 میلی متر ، از آثار نزدیک پایه آنتن PCB ایجاد کنید ، همانطور که در تصویر اول مشاهده می کنید. این به طور موثر آنتن موجود را از مدار خارج می کند.
2. در طرف دیگر ، با استفاده از یک چاقوی دقیق ، همانطور که در تصویر دوم بالا نشان داده شده است ، پوشش محافظ را روی لبه سطح زمین بکشید.
3. دو عدد 24 گرم برش دهید سیمها تقریبا 50 میلی متر
4. چند میلی متر عایق را از یک سر هر سیم جدا کنید.
5. قسمت برهنه را با زاویه راست روی سیم خم کنید تا به زمین وصل شود.
6. هر سیم را بچسبانید (توصیه می شود: چسب شام یا چسب داغ) ، به طوری که انتهای برهنه آماده لحیم شدن باشد. یکی درست زیر آثار بریده شده ، دیگری در لبه صفحه زمین در پشت. دو سیم باید موازی و 6 میلی متر از هم فاصله داشته باشند.
7. وقتی چسب محکم شد ، خمیر لحیم کاری را در جایی که می خواهید لحیم کنید قرار دهید و سپس آنها را لحیم کنید. من توصیه می کنم از flux استفاده کنید تا لحیم کاری شما سریع طول بکشد و صفحه را بیش از حد گرم نکنید.
8. خم های واضح و راست را در سیمها ، دور از یکدیگر ، در لبه PCB ، mm 6 میلی متر بالاتر از جایی که سطح زمین به پایان می رسد ، ایجاد کنید. به دو تصویر آخر بالا مراجعه کنید. اگر سیم های خود را چسب نزده اید ، بیشتر مراقب باشید که روی نقاط لحیم کاری فشار زیادی وارد نکنید.
9. هر قطعه سیم را که در امتداد لبه تخته قرار دارد تا 30 میلی متر از خم 90 درجه اندازه بگیرید و آنها را در آنجا قطع کنید. من متوجه شدم که نمی توانم اندازه گیری و برش دقیقی داشته باشم ، بنابراین اندازه گیری کردم و با یک نشانگر نوک دار فیبر خوب محل برش را اندازه گیری و علامت گذاری کردم.
10. با یک متر اهم چک کنید که مطمئن شوید سیم نزدیک قطعات PCB آنتن قدیمی در هر دو برش ایجاد شده در مرحله 1 پیوستگی ندارد.

مرحله 3: محصول نهایی

ماژول NRF24L01+ شما اکنون در پروژه ای که از آن استفاده می کنید بسیار برتر عمل می کند. شما می توانید از قابلیت اطمینان بیشتر با برد بیشتر و یا با تنظیمات توان رادیویی کمتر برخوردار شوید. شما باید این را پیدا کنید ، حتی اگر فقط یک رادیو (فرستنده یا گیرنده) را تغییر دهید. و هنگام استفاده از واحد اصلاح شده در دو طرف ، دو برابر سود ببرید. به یاد داشته باشید که حتماً آنتن ها را موازی یکدیگر قرار دهید. من در حال پیاده سازی پروژه ای با چندین واحد حسگر از راه دور با استفاده از این رادیوهای تغییر یافته (جهت عمودی با پاهای زمینی خود به سمت پایین) هستم ، که همه آنها با یک ایستگاه پایه مرکزی با استفاده از NRF24L01+PA+LNA و آنتن خارجی مکالمه می کنند.

آنتن های فرستنده و گیرنده ، در پروژه شما باید به صورت مشابه افقی یا عمودی و ترجیحاً موازی با یکدیگر جهت گیری کنند. علاوه بر این ، شاید در جهت تکمیلی اگر می دانید که آنها ترجیح جهت دارند (این به طور کلی در اینجا نشان داده نشده است). اگر آنتن های شما لزوماً از نظر فیزیکی متفاوت نیستند ، مانند اینکه از یک آنتن خارجی با سود بالا در یک طرف استفاده نمی کنید ، بهتر است آنتن ها یکسان و جهت گیری دقیقاً یکسانی داشته باشند. این به منظور دستیابی به حداکثر قابلیت اطمینان و برد است و با توجه به اینکه آنتن ها به صورت ثابت نصب شده اند.

در نهایت تعیین میزان بهبود کمی سخت است. اما در برنامه من ، آن را از 50 تا 100 over نسبت به نسخه های اصلاح نشده قرار می دهم. من فکر می کنم حداقل به اندازه یک واحد با آنتن خارجی 2.5db خوب است. اما به اندازه یک واحد NRF24L01+PA+LNA مثر نیست.

هدف اصلی این دستورالعمل صرفاً آموزش نحوه طراحی NRF24L01+ با آنتن دوقطبی برتر است تا بتواند به انتقال و دریافت بیشتر و قابلیت استفاده بهتر در پروژه ها دست یابد.

این احتمالاً تنها چیزی است که اکثر مردم به آن علاقه مند خواهند بود. با این ایده: "چه کار کنم تا محدوده قابل استفاده بیشتر از این واحدها خارج شود؟"

بنابراین در این مرحله … در آن داشته باشید ؛ و از موفقیت های شما در پروژه های خود با استفاده از رادیوهای سفارشی خود مطلع کنید.

اگر می خواهید رادیو (های) اصلاح شده خود را از قبل آزمایش کنید ، نرم افزاری را که برای آزمایش خود ایجاد کرده ام ، در مرحله بعد قرار داده ام.

مرحله 4: چگونه این طرح را بهینه کردم

اکنون برای کسانی که علاقه مند هستند ، در مورد نحوه آزمایش و پیشرفتهای احتمالی واجد شرایط کمی توضیح خواهم داد. با این حال ، لطفاً توجه داشته باشید ، نحوه پیاده سازی آزمایش ، تمرکز این دستورالعمل نیست.

برای آزمایش هرگونه آردوینو یا بردهای قابل مقایسه ، به همراه ماژول های NRF24L01+ ، می توانید استفاده کنید. نسخه های 01+ با نرم افزار تست ، همانطور که نوشته شده است ، مورد نیاز است ، زیرا از سرعت انتقال 250KHz استفاده می کند. مطمئن شوید که رادیوها را فقط با ولتاژ 1.9-3.6v تغذیه می کنید.

برای آزمایش قابلیت اطمینان محدوده ، از یک آردوینو pro-mini و یک NRF24L01+ اصلاح نشده به عنوان ریموت استفاده کردم. که به سادگی یک بسته داده را دریافت می کند و آن را به عنوان تأیید باز می گرداند. اینها با 3.3 ولت تنظیم شده اجرا می شوند.

من این مجموعه را در یک جعبه کوچک چسبانده بودم که می توانم به راحتی و مکرراً در مکان های مختلف آزمایش قرار دهم.

من از MCU Nano3.0 با NRF24L01 اصلاح شده به عنوان فرستنده اصلی استفاده کردم. این پایان ثابت بود و نتایج آزمایش (از طریق صفحه LCD 16x02 یا مانیتور سریال) را ارائه می داد. اوایل متوجه شدم که بهبود آنتن منجر به انتقال و دریافت بهتر می شود. علاوه بر این ، نتایج مشابه آزمایش را با یک رادیوی اصلاح شده معین در هر دو طرف دریافت می کنم. توجه داشته باشید که در آزمایش هر طرف هم انتقال می دهد و هم دریافت می کند ، به این دلیل است که پس از ارسال یک تصدیق وجود دارد که باید دریافت شود تا بتوان آن را به عنوان یک ارتباط موفق در نظر گرفت.

توجه داشته باشید که موارد زیادی وجود دارد که می تواند نتایج آزمایش را تحت تأثیر قرار دهد:

• لمس کردن ، یا تقریباً ، ماژول RF24 یا سیمهای آن.
• بدن یک نفر خط خط انتقال است.
• دو مورد فوق تأثیر مثبت دارند.
• ویژگی های ولتاژ منبع تغذیه
• بیشتر از همه ، جهت آنتن های فرستنده و گیرنده.
• سایر ترافیک WiFi در منطقه. اینها می توانند تفاوت هایی را ایجاد کنند که می تواند مانند "شرایط آب و هوایی خوب" تا "شرایط طوفانی" باشد. بنابراین سعی کردم عمدتا در شرایط مساعد آزمایش کنم. من برای به دست آوردن بهترین نتایج برای یک واحد معین تحت آزمایش ، آزمایش را تکرار می کردم و بعداً آن نتایج را با نتایج قابل مقایسه در سایر واحدهای آزمایشی مقایسه می کردم.

بدست آوردن نتایج آزمایش های داخلی در مقایسه با خارج از منزل با خط دید دشوارتر است. من می توانم با حرکت دادن موقعیت یکی از واحدها به اندازه چند اینچ اختلاف فاحشی در نتایج بدست آورم. این به دلیل تراکم و تشکیل موانع و مسیرهای سیگنال بازتابی است. یکی دیگر از عوامل می تواند الگوهای قدرت سیگنال آنتن باشد ، اما من شک ندارم که می تواند باعث تفاوت شدید در حرکت چند اینچی از طرفی به طرف دیگر شود.

من نرم افزاری را ابداع کردم تا برخی از آمار عملکرد مورد نیاز را در اختیارم قرار دهد.

به علاوه تا آنجا که ممکن است شرایط آزمایش را برطرف کردم. مانند ضربه زدن روی یک مکان مشخص ، آنتن ها (Tx & Rx) با جهت یکسان برای هر باتری آزمایشات عملکردی قرار می گیرند. نتایج آزمون زیر میانگین ترکیبی از چندین آزمایش از مکان های مختلف است. در شرایط آزمایش مورد استفاده ، رادیوی اصلاح نشده قادر به دریافت هیچ پیام موفقی نبود.

من با 24ga بهترین نتایج را گرفتم. بالای 30 گرم سیم نتایج فقط کمی بهتر بود. بگو 10 درصد مسلماً من فقط دو نمونه سیم کشی مشابه را امتحان کردم ، و ممکن است تفاوت کلی 1 میلی متری در توپولوژی آنتن (مجموع تفاوت ها در بخش ها) وجود داشته باشد. علاوه بر این ، من اولین تکرار را با استفاده از 30ga تغییر دادم. چندین تنظیم 1 میلی متری سپس طول سیم ها را با 24ga کپی کنید. بدون آزمایشات قابل مقایسه بیشتر در طول با ga 24. سیم

[نتایج جدول 1 را در تصویر بالا ببینید]

همانطور که می خواستم واحدهای من در یک کیس کوچک مناسب من قرار بگیرند ، از فاصله 10 میلی متری سیم های آنتن و طول 10 میلی متر به تنها 6 و 6 میلی متر تغییر دادم ، سپس برای طول مطلوب آنتن تنظیم شده برای آن پیکربندی مورد آزمایش قرار گرفتم. در اینجا خلاصه ای از نتایج آزمایشات مختلف من آمده است:

[نتایج جدول 2 را در تصویر بالا ببینید]

آزمایش های بیشتر ، با تجهیزات اندازه گیری بهتر آزمایشگاهی ، بدون شک می تواند طول قطعات بهبود یافته (اندازه سیم و احتمالاً نقاط اتصال یا جهت) را برای عملکرد مطلوب واقعی این اصلاح آنتن دوقطبی برای رادیوهای nRF24 ابداع و تأیید کند.

در صورت بهبود قابل اطمینان (با پیکربندی 24ga. 6X6mm x 30mm) به ما اطلاع دهید. بسیاری از ما دوست داریم از این رادیوها بیشترین بهره را ببریم (بدون افزودن آنتن حجیم).

آنتن های فرستنده و گیرنده ، در پروژه شما باید به صورت مشابه افقی یا عمودی و ترجیحا موازی با یکدیگر جهت گیری کنند. علاوه بر این ، شاید در جهت تکمیلی اگر می دانید که آنها ترجیح جهت دارند (این به طور کلی در اینجا نشان داده نشده است). اگر آنتن های شما لزوماً از نظر فیزیکی متفاوت نیستند ، مانند اینکه از یک آنتن خارجی با سود بالا در یک طرف استفاده نمی کنید ، بهتر است آنتن ها یکسان و جهت گیری دقیقاً یکسانی داشته باشند. این به منظور دستیابی به حداکثر قابلیت اطمینان و برد است و با توجه به اینکه آنتن ها به طور ثابت نصب شده اند.

مرحله 5: سخت افزار و نرم افزاری که در آزمایش خود استفاده کردم

سخت افزاری که برای آزمایش 2 سازگار با MCU Arduino استفاده کردم

2 NRF24L01+

بعضی مواقع از صفحه نمایش LCD 16x02 (برای مشاهده راحت زمان واقعی. کنسول سریال همچنین می تواند برای بدست آوردن نتایج آزمایش استفاده شود) از یک دکمه (به منظور شروع مجموعه ای جدید از آزمایشات ، در غیر اینصورت باید از طریق راه اندازی مجدد)

پیوندهای سخت افزاری که توصیه می کنم و استفاده می کنم:

MCU ها: Nano V3.0 Atmega328P در eBay یا Pro-Mini:

ماژول های NRF24L01+ https://ebay.com/itm/191351948163 و

ماژول نمایش 16x02 LCD IC2

فایل های کد پستی را از اینجا بارگیری کنید: