Đài NRF24L01 nâng cao với sửa đổi ăng-ten lưỡng cực tự làm.: 5 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Tình hình là tôi chỉ có thể truyền và nhận thông qua 2 hoặc 3 bức tường với khoảng cách khoảng 50 feet, sử dụng mô-đun nRF24L01 + tiêu chuẩn. Điều này không đủ cho mục đích sử dụng của tôi.

Trước đó, tôi đã thử thêm các tụ điện được đề xuất, nhưng đối với tôi và phần cứng của tôi không cải thiện được rất nhiều. Vì vậy, xin vui lòng bỏ qua chúng trong các bức ảnh.

Đối với các cảm biến từ xa của mình, tôi không muốn có phần lớn thiết bị như nRF24L01 + PA + LNA có Giá treo SMA và ăng-ten bên ngoài. Vì vậy, tôi đã tạo mô-đun sửa đổi này.

Với mô-đun RF24 được sửa đổi này, tôi có thể đi xuyên qua bốn bức tường với khoảng cách khoảng 100 feet.

Mô-đun này cũng phải tăng gần gấp đôi khoảng cách so với mô-đun nRF24 tiêu chuẩn khi được sử dụng với các ứng dụng đường ngắm; như máy bay RF, máy bay 4 người, ô tô và tàu thuyền (100 mét). Tôi đã không thực hiện bất kỳ kiểm tra đường nhìn rõ ràng nào. Trong các bài kiểm tra của tôi, có các thiết bị nhà bếp và tủ và tủ quần áo chứa đầy những thứ nằm giữa các bộ thu phát.

Dưới đây là một số thông tin chuyên sâu về anten lưỡng cực https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna để nghiên cứu thêm về anten, hãy thử: https://www.arrl.org hoặc

Tôi đã nghiên cứu một số thiết kế ăng-ten, nhưng có quá nhiều dữ liệu và lý thuyết thiết kế cụ thể xoay quanh một số lượng lớn và ngày càng tăng các thiết kế ăng-ten (đặc biệt là đối với ăng-ten nhỏ gọn tần số cao), đến nỗi tôi dễ cảm thấy hơi lạc lõng trong rừng. Vì vậy, thử nghiệm có xu hướng đóng một vai trò quan trọng.

Bây giờ đã trải qua tất cả những điều này, tôi cung cấp cho bạn ở đây việc thực hiện sửa đổi thiết kế kết quả của tôi.

Bước 1: Các mặt hàng bạn sẽ cần

Để chế tạo NRF24L01 + nâng cao của riêng bạn với một ăng-ten (Lưỡng cực) cải tiến, bạn sẽ cần:

• mô-đun NRF24L01 + https://www.ebay.com/itm/191351948163 hoặc www.ebay.com/itm/371215258056
• Sắt hàn và các vật dụng liên quan.
• Dao chính xác (hoặc các phương tiện khác để cạo lớp phủ bảo vệ)
• 24ga. Dây rắn (tùy chọn lên đến 30ga.)

Bước 2: Sửa đổi mô-đun Radio

Tôi bắt đầu với các thiết kế ăng ten lưỡng cực cơ bản và điều chỉnh chúng bằng thực nghiệm.

Một số thiết kế yêu cầu phần tử bước sóng ¼ cần điều chỉnh tốt do các trường hợp của điện dung, trở kháng, điện cảm và cộng hưởng. Tôi không có phương tiện để đo các đặc điểm này trong mạch 2,4 GHz đang hoạt động, vì vậy tôi đã thực hiện điều chỉnh cần thiết thông qua thử nghiệm thực nghiệm.

Trong ảnh là một vài đơn vị thử nghiệm của tôi. Một số dấu vết đã bị loại bỏ, khi tôi hàn, chưa hàn, uốn cong và uốn cong lại sẽ là ăng-ten. Hai điều tốt đến từ điều này. 1) Tôi chuyển từ mặt trên sang mặt dưới để gắn một chân xuống đất, điều này hóa ra tốt hơn về mặt cơ học và hiệu suất. 2) Tôi thấy bạn nên gắn dây bằng keo siêu dính hoặc keo nóng để giảm căng (tôi đã vô tình làm cong ăng-ten trong suốt quá trình thử nghiệm.) Thực hiện trước, điều này có thể giữ chúng để hàn.

Các bước để thực hiện sửa đổi:

1. Thực hiện hai vết cắt, rộng 1-2 mm, của các dấu vết gần chân ăng-ten PCB, như trong hình ảnh đầu tiên ở trên. Điều này có hiệu quả đưa ăng-ten hiện có ra khỏi mạch.
2. Ở phía bên kia, sử dụng một con dao chính xác, cạo lớp phủ bảo vệ trên cạnh của mặt phẳng đất, như được chỉ ra trong hình ảnh thứ hai ở trên
3. Cắt hai con 24ga. Dây khoảng. 50mm
4. Tách vài milimét cách điện từ một đầu của mỗi dây.
5. Uốn phần trần theo một góc vuông trên dây được gắn vào đất.
6. Dán từng dây xuống (khuyên dùng: keo dẻo hoặc keo nóng), để đầu trần sẵn sàng được hàn; một cái ngay dưới vết cắt, cái kia ở mép của mặt phẳng mặt đất ở mặt sau. Hai dây phải đặt song song và cách nhau 6mm.
7. Khi keo đã được định hình, hãy dán keo hàn vào nơi bạn định hàn, sau đó hàn chúng lại. Tôi khuyên bạn nên sử dụng chất trợ dung để quá trình hàn của bạn diễn ra nhanh chóng và bạn sẽ không làm bo mạch bị nóng quá mức.
8. Làm cho các dây uốn cong góc phải rõ ràng, cách xa nhau, bởi cạnh của PCB, lên ~ 6mm so với nơi kết thúc mặt phẳng mặt đất. Tham khảo hai hình ảnh cuối cùng ở trên. Nếu bạn chưa dán dây xuống, hãy đặc biệt cẩn thận để không đặt quá nhiều lực lên các điểm hàn.
9. Đo từng đoạn dây chạy dọc theo cạnh của bảng đến 30mm tính từ khúc uốn 90 độ của nó và cắt chúng ở đó. Tôi phát hiện ra rằng tôi không thể đo và cắt chính xác, vì vậy tôi đã đo và đánh dấu bằng bút đánh dấu có đầu sợi mảnh nơi cần cắt.
10. Với việc kiểm tra đồng hồ ohm để đảm bảo rằng dây dẫn gần các dấu vết PCB của ăng-ten cũ không có sự liên tục trên một trong các vết cắt được thực hiện ở bước # 1.

Bước 3: Thành phẩm

Mô-đun NRF24L01 + của bạn giờ đây sẽ hoạt động vượt trội hơn nhiều trong những dự án mà bạn sử dụng chúng. Bạn có thể tận hưởng độ tin cậy nâng cao với phạm vi lớn hơn hoặc với cài đặt công suất vô tuyến thấp hơn. Bạn sẽ thấy điều này như vậy, ngay cả khi chỉ sửa đổi một radio (máy phát hoặc máy thu); và thu được gấp đôi lợi ích khi sử dụng một đơn vị được sửa đổi ở cả hai đầu. Hãy nhớ đảm bảo định hướng các ăng-ten song song với nhau. Tôi đang thực hiện một dự án với nhiều đơn vị cảm biến từ xa sử dụng các bộ đàm đã sửa đổi này (được định hướng theo chiều dọc với chân mặt đất hướng xuống), tất cả sẽ giao tiếp với một trạm gốc trung tâm bằng cách sử dụng NRF24L01 + PA + LNA và một ăng-ten bên ngoài.

Ăng ten máy phát và máy thu, trong dự án của bạn phải được định hướng giống nhau theo cả chiều ngang hoặc chiều dọc và tốt nhất là song song với nhau. Ngoài ra, có thể theo hướng miễn phí nếu bạn biết họ có sở thích về hướng (điều này thường không được chỉ ra ở đây). Nếu các ăng-ten của bạn không nhất thiết phải khác nhau về mặt vật lý, chẳng hạn như bạn không sử dụng ăng-ten bên ngoài có độ lợi cao ở một đầu, thì tốt nhất là các ăng-ten phải giống hệt nhau và được định hướng giống hệt nhau. Điều này là để đạt được độ tin cậy và phạm vi tối đa, và các ăng ten được gắn cố định.

Cuối cùng thì số lượng cải tiến là một chút khó định lượng; nhưng trong ứng dụng của tôi, tôi đặt nó ở mức từ 50 đến 100% so với các phiên bản không sửa đổi. Tôi nghĩ rằng nó ít nhất cũng tốt như một thiết bị có ăng-ten bên ngoài 2,5db; nhưng không hiệu quả bằng đơn vị NRF24L01 + PA + LNA.

Mục đích chính của Tài liệu hướng dẫn này chỉ đơn giản là hướng dẫn cách tạo ra một NRF24L01 + được sửa đổi với một ăng ten lưỡng cực ưu việt để nó đạt được khả năng truyền và nhận lớn hơn và khả năng sử dụng tốt hơn trong các dự án.

Đó có lẽ là tất cả những gì mà hầu hết mọi người sẽ quan tâm. Với ý tưởng: "Tôi phải làm gì để có được phạm vi sử dụng lớn hơn từ những đơn vị này?"

Vì vậy, tại thời điểm này … có tại nó; và cho tôi biết về những thành công của bạn với các dự án của bạn bằng cách sử dụng bộ đàm tùy chỉnh của riêng bạn.

Nếu bạn muốn kiểm tra trước (các) đài đã sửa đổi của mình, tôi đã đưa vào phần mềm mà tôi đã tạo để kiểm tra ở bước sau.

Bước 4: Cách tôi tối ưu hóa thiết kế này

Bây giờ đối với những người quan tâm, tôi sẽ tiếp tục chia sẻ một chút về cách tôi đã thử nghiệm và các cải tiến đủ điều kiện. Tuy nhiên, xin lưu ý, cách triển khai thử nghiệm không phải là trọng tâm của phần hướng dẫn này.

Để kiểm tra bất kỳ Arduino nào hoặc các bo mạch tương đương, cùng với các mô-đun NRF24L01 +, có thể được sử dụng. Phiên bản 01+ là cần thiết với phần mềm kiểm tra, như đã viết, vì nó sử dụng tốc độ truyền 250KHz. Đảm bảo chỉ cấp nguồn cho bộ đàm có điện áp 1,9-3,6v.

Để kiểm tra độ tin cậy phạm vi của mình, tôi đã sử dụng Arduino chuyên nghiệp mini và NRF24L01 + chưa sửa đổi làm điều khiển từ xa. Nó chỉ đơn giản là nhận một gói dữ liệu và gửi lại nó như một sự xác nhận. Chúng được chạy khỏi 3.3V được quy định.

Tôi đã dán cụm lắp ráp này trong một chiếc hộp nhỏ mà tôi có thể dễ dàng đặt và lặp đi lặp lại ở các vị trí thử nghiệm khác nhau.

Tôi đã sử dụng MCU Nano3.0 với NRF24L01 + đã được sửa đổi làm bộ thu phát chính. Đầu này cố định và cung cấp kết quả thử nghiệm (thông qua màn hình LCD 16x02 hoặc màn hình nối tiếp). Ngay từ đầu, tôi đã xác định rằng một ăng-ten được cải tiến sẽ mang lại cả khả năng truyền và nhận tốt hơn. Hơn nữa, tôi sẽ nhận được kết quả thử nghiệm tương tự với một chiếc radio đã sửa đổi được sử dụng ở hai đầu. Lưu ý rằng trong thử nghiệm, mỗi bên đều truyền và nhận, đó là vì sau khi truyền có một xác nhận cần được nhận để nó được tính là một giao tiếp thành công.

Lưu ý rằng có nhiều điều có thể ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm:

• Chạm vào, hoặc gần như vậy, mô-đun RF24 hoặc dây vào nó.
• Một cơ thể thẳng hàng với đường truyền.
• Hai điều trên có tác dụng tích cực.
• Các đặc tính điện áp cung cấp
• Hơn hết là định hướng của anten phát và anten thu.
• Lưu lượng WiFi khác trong khu vực. Những điều này có thể gây ra sự khác biệt có thể cảm thấy giống như 'thời tiết tốt' với 'điều kiện mưa bão'. Vì vậy, tôi cố gắng chủ yếu thử nghiệm trong điều kiện thuận lợi. Tôi sẽ lặp lại thử nghiệm để có được kết quả tốt nhất cho một đơn vị đã cho đang thử nghiệm và sau đó so sánh những kết quả đó với kết quả tương đương thu được trên các đơn vị thử nghiệm khác.

Trong nhà khó có kết quả kiểm tra đáng tin cậy hơn so với ngoài trời với một đường ngắm. Tôi có thể nhận được sự khác biệt lớn về kết quả bằng cách di chuyển vị trí của một trong các đơn vị chỉ vài inch. Điều này là do mật độ và tạo thành các rào cản và đường dẫn tín hiệu phản xạ. Một yếu tố khác có thể là mô hình cường độ tín hiệu ăng-ten, nhưng tôi nghi ngờ nó có thể gây ra sự khác biệt lớn trong chuyển động vài inch từ bên này sang bên kia.

Tôi đã nghĩ ra một số phần mềm để cung cấp cho tôi một số thống kê hiệu suất cần thiết.

Thêm vào đó, tôi đã thiết lập các điều kiện thử nghiệm cố định, càng nhiều càng tốt. Giống như chạm xuống một vị trí được đánh dấu, các ăng-ten (Tx & Rx) được đặt với cùng một hướng cho mỗi pin kiểm tra hiệu suất. Kết quả kiểm tra dưới đây là điểm trung bình tổng hợp của nhiều bài kiểm tra từ nhiều địa điểm. Trong các điều kiện thử nghiệm đã sử dụng, một bộ đàm không sửa đổi không thể nhận được bất kỳ tin nhắn thành công nào.

Tôi nhận được kết quả tốt nhất với 24ga. trên 30ga. dây điện. Kết quả chỉ tốt hơn một chút; nói 10 phần trăm. Phải thừa nhận rằng tôi chỉ thử hai trường hợp có dây tương tự và có thể đã có sự khác biệt 1 mm trong cấu trúc liên kết ăng-ten tổng số (tổng sự khác biệt giữa các phân đoạn). Hơn nữa, tôi đã chỉnh sửa lần lặp đầu tiên bằng 30ga; thực hiện một số điều chỉnh 1mm. Sau đó nhân đôi các độ dài dây đó với 24ga. mà không có các thử nghiệm có thể so sánh khác về độ dài với 24 ga. Dây điện.

[Xem kết quả Bảng 1 trong hình trên]

Vì tôi muốn các đơn vị của mình vừa vặn trong một chiếc hộp nhỏ mà tôi có, tôi đã chuyển từ việc đặt các dây dẫn truyền ăng ten cách nhau 10mm và dài 10mm thành chỉ 6mm và 6mm, sau đó thử nghiệm để có độ dài ăng ten được điều chỉnh tối ưu cho cấu hình đó. Dưới đây là bản tóm tắt tổng hợp các kết quả từ các bài kiểm tra khác nhau của tôi:

[Xem kết quả Bảng 2 trong hình trên]

Thử nghiệm thêm, với thiết bị đo lường phòng thí nghiệm tốt hơn, chắc chắn sẽ phát minh ra và xác nhận độ dài đoạn được cải thiện (kích thước dây và có thể là các điểm gắn hoặc hướng) để có hiệu suất tối ưu thực sự của việc sửa đổi ăng ten lưỡng cực này cho đài nRF24.

Hãy cho chúng tôi biết nếu bạn nhận được một cải tiến có thể kiểm chứng (trên cấu hình 24ga. 6X6mm x 30mm). Nhiều người trong chúng ta muốn tận dụng tối đa những chiếc radio này (mà không cần thêm một ăng-ten cồng kềnh).

Ăng ten máy phát và máy thu, trong dự án của bạn phải được định hướng giống nhau cả theo chiều ngang hoặc chiều dọc và tốt nhất là song song với nhau. Ngoài ra, có thể theo hướng miễn phí nếu bạn biết họ có sở thích về hướng (điều này thường không được chỉ ra ở đây). Nếu ăng-ten của bạn không nhất thiết phải khác nhau về mặt vật lý, chẳng hạn như bạn không sử dụng ăng-ten bên ngoài có độ lợi cao ở một đầu, thì tốt nhất là các ăng-ten phải giống hệt nhau và được định hướng giống hệt nhau. Điều này là để đạt được độ tin cậy và phạm vi tối đa, và các ăng ten được gắn cố định.

Bước 5: Phần cứng và phần mềm tôi đã sử dụng trong thử nghiệm của mình

Phần cứng tôi đã sử dụng cho thử nghiệm của mình 2 MCU có khả năng tương thích Arduino

2 NRF24L01 +

Đôi khi tôi cũng sử dụng màn hình LCD a16x02 (để xem thời gian thực thuận tiện. Bảng điều khiển nối tiếp cũng có thể được sử dụng để lấy kết quả thử nghiệm) một nút nhấn (để bắt đầu một bộ thử nghiệm mới, nếu không, bạn sẽ cần phải thực hiện khởi động lại)

Các liên kết đến phần cứng tôi muốn giới thiệu và sử dụng:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P trên eBay hoặc Pro-Mini:

NRF24L01 + mô-đun https://ebay.com/itm/191351948163 và

Mô-đun hiển thị 16x02 LCD IC2

Tải xuống các tệp mã nén tại đây: