Rádio NRF24L01 aprimorado com modificação da antena dipolo faça você mesmo: 5 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

A situação era que eu só conseguia transmitir e receber através de 2 ou 3 paredes com uma distância de cerca de 50 pés, usando módulos padrão nRF24L01 +. Isso foi insuficiente para o uso pretendido.

Eu já havia tentado adicionar capacitores recomendados, mas para mim e meu hardware tiveram muito pouca ou nenhuma melhoria. Então, por favor, ignore-os nas fotos.

Para meus sensores remotos, eu não queria a maior parte de uma unidade como um nRF24L01 + PA + LNA com uma montagem SMA e antena externa. Então criei este módulo modificado.

Com este módulo RF24 modificado, pude atravessar quatro paredes a uma distância de cerca de 30 metros.

Este módulo também deve quase dobrar a distância em relação a um módulo nRF24 padrão quando usado com aplicativos de linha de visão; como aviões RF, quad-coppers, carros e barcos (centenas de metros). Não fiz nenhum teste de linha clara de visão. Em meus testes, havia eletrodomésticos e armários e armários cheios de coisas entre os transceptores.

Aqui estão algumas informações detalhadas sobre uma antena dipolo https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna para mais estudos de antenas: https://www.arrl.org ou

Eu estudei alguns projetos de antenas, mas há tantos dados de projeto específicos e teoria em torno de um vasto e crescente número de projetos de antenas (particularmente para antenas compactas de alta frequência), que é fácil sentir-se um pouco perdido na floresta. Portanto, a experimentação tende a desempenhar um papel fundamental.

Tendo passado por tudo isso, apresento aqui a implementação de minha modificação de design resultante.

Etapa 1: Os itens de que você precisa

Para fabricar seu próprio NRF24L01 + aprimorado com uma antena (dipolo) aprimorada, você precisará de:

• um módulo NRF24L01 + https://www.ebay.com/itm/191351948163 ou www.ebay.com/itm/371215258056
• Ferro de soldar e itens relacionados.
• Exact-o-knife (ou outro meio de raspar as camadas de proteção)
• 24ga. Fio sólido (opcionalmente até 30ga).

Etapa 2: Modificando o Módulo de Rádio

Comecei com projetos básicos de antena dipolo e os ajustei experimentalmente.

Alguns projetos que exigem um elemento de comprimento de onda de ¼ precisam de ajustes finos devido a instâncias de capacitância, impedância, indutância e ressonâncias. Não tenho meios de medir essas características em um circuito ativo de 2,4 GHz, então fiz o ajuste aparentemente necessário por meio de testes empíricos.

Na foto estão algumas das minhas unidades de teste. Alguns dos vestígios foram retirados, conforme eu soldava, desamassei, dobrei e dobrei novamente as possíveis antenas. Duas coisas boas resultaram disso. 1) Eu mudo do lado superior para o lado inferior para prender uma perna ao solo, o que acabou sendo melhor mecanicamente e em termos de desempenho. 2) Achei uma boa ideia prender o fio com super cola ou cola quente para alívio de tensão (fiquei dobrando acidentalmente a antena durante todos os testes.) Feito primeiro, isso pode segurá-los para soldagem.

Passos para fazer a modificação:

1. Faça dois cortes, de 1-2 mm de largura, dos traços próximos à base da antena PCB, como pode ser visto na imagem da primeira imagem acima. Isso efetivamente tira a antena existente do circuito.
2. Do outro lado, usando uma faca exata, raspe a camada protetora sobre a borda do plano do solo, como indicado na segunda imagem acima
3. Corte dois 24ga. Fios para aprox. 50mm
4. Retire alguns milímetros de isolamento de uma extremidade de cada fio.
5. Dobre a parte desencapada em um ângulo reto no fio a ser conectado ao aterramento.
6. Cole cada fio (recomendar: cola supper ou cola quente), de forma que a ponta desencapada esteja pronta para ser soldada; um logo abaixo dos traços de corte, o outro na borda do plano do solo na parte traseira. Os dois fios devem ficar paralelos e separados por 6 mm.
7. Assim que a cola estiver firme, coloque pasta de fluxo de solda onde você vai soldar e, em seguida, solde-os. Eu recomendo usar fluxo para que sua solda seja rápida e você não aqueça demais a placa.
8. Faça curvas nítidas em ângulos retos nos fios, afastados uns dos outros, pela borda do PCB, ~ 6 mm acima de onde termina o plano de aterramento. Consulte as duas últimas imagens acima. Se você não colou seus fios, tome cuidado extra para não colocar muita tensão nos pontos de solda.
9. Meça cada segmento de fio ao longo da borda da placa a 30 mm de sua dobra de 90 graus e corte-os ali. Descobri que não podia medir e cortar com precisão, então medi e marquei com um marcador de ponta de fibra fina onde cortar.
10. Com um ohmímetro, verifique se o fio próximo aos traços de PCB da antena antiga não tem continuidade em nenhum dos cortes feitos na etapa 1.

Etapa 3: O produto acabado

Seu módulo NRF24L01 + agora terá um desempenho muito superior em qualquer projeto em que você os use. Você pode desfrutar de maior confiabilidade com maior alcance ou com configurações de potência de rádio mais baixas. Você deve achar que sim, mesmo com a modificação de apenas um rádio (o transmissor ou receptor); e colha o dobro do benefício ao usar uma unidade modificada em ambas as extremidades. Lembre-se de orientar as antenas paralelas entre si. Estou implementando um projeto com várias unidades de sensores remotos utilizando esses rádios modificados (orientados verticalmente com suas pernas de solo apontando para baixo), que irão conversar com uma estação base central usando um NRF24L01 + PA + LNA e uma antena externa.

As antenas do transmissor e do receptor, em seu projeto, devem ser orientadas de forma semelhante tanto horizontal quanto vertical e, de preferência, paralelas entre si. Além disso, talvez em uma orientação complementar, se você souber que eles têm uma preferência direcional (isso geralmente não é indicado aqui). Se suas antenas não forem necessariamente diferentes fisicamente, como se você não estivesse usando uma antena externa de alto ganho em uma extremidade, é melhor que as antenas sejam idênticas e orientadas exatamente da mesma forma. Isso é para atingir o máximo de confiabilidade e alcance, e as antenas são montadas estacionárias.

No final, a quantidade de melhoria é um pouco difícil de quantificar; mas em meu aplicativo, coloquei de 50 a 100% sobre as versões não modificadas. Acho que é pelo menos tão bom quanto uma unidade com antena externa de 2,5db; mas não tão eficaz quanto uma unidade NRF24L01 + PA + LNA.

A principal intenção deste Instrutível é simplesmente instruir sobre como desenvolver um NRF24L01 + modificado com uma antena dipolo superior para que alcance maior capacidade de transmissão e recepção e melhor usabilidade em projetos.

Provavelmente, isso é tudo no que a maioria das pessoas vai se interessar. Com a ideia: “O que eu faço para obter maior alcance utilizável dessas unidades?”

Então, neste ponto … faça isso; e deixe-me saber de seus sucessos com seus projetos usando seus próprios rádios personalizados.

Se você quiser pré-testar seu (s) rádio (s) modificado (s), incluí o software que criei para meu teste, em uma etapa posterior.

Etapa 4: como eu otimizei este design

Agora, para aqueles que estão interessados, irei compartilhar um pouco sobre como testei e qualifiquei possíveis melhorias. No entanto, observe que como implementar o teste não é o foco deste manual.

Para testar qualquer Arduino ou placas comparáveis, juntamente com módulos NRF24L01 +, podem ser usados. As versões 01+ são necessárias com o software de teste, conforme escrito, porque ele usa a taxa de transmissão de 250KHz. Certifique-se de alimentar os rádios apenas com tensões de 1,9-3,6v.

Para meus testes de confiabilidade de alcance, usei um Pro-mini Arduino e um NRF24L01 + não modificado como controle remoto. Que simplesmente recebe um pacote de dados e o ecoa de volta como uma confirmação. Estes foram executados fora de 3.3V regulado.

Eu tinha esse conjunto preso com fita adesiva em uma pequena caixa que eu poderia facilmente, e repetidamente, posicionar em vários locais de teste.

Eu usei um Nano3.0 MCU com o NRF24L01 + modificado como o transceptor principal. Essa extremidade era estacionária e fornecia resultados de teste (por meio de uma tela LCD 16x02 ou do monitor serial). Logo no início, estabeleci que uma antena aprimorada resultaria em uma melhor capacidade de transmissão e recepção. Além disso, eu obteria os mesmos resultados de teste com um determinado rádio modificado usado em cada extremidade. Observe que no teste cada lado transmite e recebe, isso porque após uma transmissão há uma confirmação que precisa ser recebida para que seja contada como uma comunicação bem-sucedida.

Observe que há muitas coisas que podem afetar os resultados do teste:

• Tocando, ou quase isso, o módulo RF24 ou os fios a ele.
• O corpo da pessoa alinhado com a linha de transmissão.
• Os dois acima têm um efeito positivo.
• As características da tensão de alimentação
• Acima de tudo, a orientação das antenas transmissoras e receptoras.
• Outro tráfego de Wi-Fi na área. Isso pode causar diferenças que podem ser sentidas como 'bom tempo' e 'condições tempestuosas'. Então tentei testar principalmente durante as condições favoráveis. Eu repetiria o teste para obter os melhores resultados para uma determinada unidade em teste e, posteriormente, compararia esses resultados com resultados comparáveis obtidos em outras unidades de teste.

Em ambientes internos é mais difícil obter resultados de teste confiáveis em comparação com ambientes externos com linha de visão. Eu poderia obter diferenças drásticas nos resultados movendo a posição de uma das unidades apenas alguns centímetros. Isso se deve às densidades e à composição de barreiras e caminhos de sinal reflexivo. Outro fator pode ser os padrões de intensidade do sinal da antena, mas duvido que isso possa causar diferenças drásticas no movimento de alguns centímetros de lado a lado.

Eu desenvolvi um software para me fornecer algumas estatísticas de desempenho necessárias.

Além disso, eu configurei, tanto quanto possível, as condições de teste. É como colar em um local marcado as antenas (Tx e Rx) colocadas com a mesma orientação para cada bateria de testes de desempenho. Os resultados do teste abaixo são uma média combinada de vários testes de vários locais. Sob as condições de teste usadas, um rádio não modificado não conseguiu transmitir nenhuma mensagem com sucesso.

Obtive melhores resultados com 24ga. mais de 30ga. arame. Os resultados foram apenas um pouco melhores; digamos 10 por cento. Admito que tentei apenas duas instâncias conectadas da mesma forma e pode ter havido uma diferença de 1 mm na topologia total da antena (soma das diferenças entre os segmentos). Além disso, ajustei a primeira iteração usando o 30ga.; fazendo vários ajustes de 1 mm. Em seguida, dupliquei esses comprimentos de fio com 24ga. sem mais experimentos comparáveis em comprimentos com o 24 ga. Arame.

[Ver resultados da Tabela 1 na imagem acima]

Como eu queria que minhas unidades coubessem em uma pequena caixa que eu tinha, mudei de ter os cabos de transmissão da antena com 10 mm de distância e 10 mm de comprimento para apenas 6 mm e 6 mm, então testei os comprimentos de antena otimizados para aquela configuração. Aqui está um resumo resumido dos resultados de meus vários testes:

[Ver resultados da Tabela 2 na imagem acima]

Testes adicionais, com melhores equipamentos de medição de laboratório, poderiam sem dúvida conceber e validar comprimentos de segmento aprimorados (tamanho do fio e possivelmente pontos de fixação ou orientação) para o desempenho ideal real desta modificação de antena dipolo para rádios nRF24.

Informe-nos se obtiver uma melhoria verificável (acima de uma configuração de 24ga. 6X6mm x 30mm). Muitos de nós gostariam de obter o máximo desses rádios (sem adicionar uma antena volumosa).

As antenas transmissoras e receptoras, em seu projeto, devem ser orientadas de forma semelhante tanto horizontal quanto vertical e, de preferência, paralelas entre si. Além disso, talvez em uma orientação complementar, se você souber que eles têm uma preferência direcional (isso geralmente não é indicado aqui). Se suas antenas não forem necessariamente diferentes fisicamente, como se você não estivesse usando uma antena externa de alto ganho em uma extremidade, é melhor que as antenas sejam idênticas e orientadas exatamente da mesma forma. Isso é para atingir o máximo de confiabilidade e alcance, e as antenas são montadas estacionárias.

Etapa 5: Hardware e software que usei em meus testes

Hardware que usei para testar 2 MCUs compatíveis com Arduino

2 NRF24L01 +

Às vezes eu também usei um display LCD 16x02 (para visualização conveniente em tempo real. O console serial também pode ser usado para obter resultados de teste) um botão de pressão (a fim de iniciar um novo conjunto de testes, caso contrário, você precisaria passar por um reiniciar)

Links para hardware que eu recomendaria e usaria:

MCUs: Nano V3.0 Atmega328P no eBay ou Pro-Mini:

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

Módulo de exibição 16x02 LCD IC2

Baixe os arquivos de código compactado aqui: