Βελτιωμένο ραδιόφωνο NRF24L01 με τροποποίηση κεραίας διπλής δίπολης: 5 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Η κατάσταση ήταν ότι ήμουν σε θέση να μεταδώσω και να λάβω μόνο μέσω 2 ή 3 τοίχων με απόσταση περίπου 50 ποδιών, χρησιμοποιώντας τυπικές μονάδες nRF24L01+. Αυτό ήταν ανεπαρκές για την επιδιωκόμενη χρήση μου.

Είχα προσπαθήσει νωρίτερα να προσθέσω προτεινόμενους πυκνωτές, αλλά για μένα και το υλικό μου δεν βελτιώθηκαν πολύ. Επομένως, παρακαλούμε να τα αγνοήσετε στις φωτογραφίες.

Για τους απομακρυσμένους αισθητήρες μου δεν ήθελα το μεγαλύτερο μέρος μιας μονάδας όπως ένα nRF24L01+PA+LNA με βάση SMA και εξωτερική κεραία. Έτσι δημιούργησα αυτήν την τροποποιημένη ενότητα.

Με αυτήν την τροποποιημένη μονάδα RF24 θα μπορούσα να περάσω από τέσσερις τοίχους με απόσταση περίπου 100 ποδιών.

Αυτή η μονάδα θα πρέπει επίσης να διπλασιάσει σχεδόν την απόσταση σε σχέση με μια τυπική μονάδα nRF24 όταν χρησιμοποιείται με εφαρμογές οπτικής επαφής. όπως αεροσκάφη RF, τετράχαλβα, αυτοκίνητα και σκάφη (100 μέτρα). Δεν έχω κάνει καμία σαφή οπτική εξέταση. Στις δοκιμές μου υπήρχαν συσκευές κουζίνας και ντουλάπια και ντουλάπια γεμάτα πράγματα μεταξύ των πομποδεκτών.

Ακολουθούν μερικές εμπεριστατωμένες πληροφορίες για μια δίπολη κεραία

Έχω μελετήσει το σχεδιασμό κεραιών, αλλά υπάρχουν τόσα πολλά συγκεκριμένα δεδομένα σχεδιασμού και θεωρία γύρω από έναν τεράστιο και αυξανόμενο αριθμό σχεδίων κεραιών (ιδιαίτερα για συμπαγείς κεραίες υψηλής συχνότητας), που είναι εύκολο να αισθανθείς λίγο χαμένος στο δάσος. Έτσι ο πειραματισμός τείνει να παίζει βασικό ρόλο.

Τώρα έχοντας περάσει από όλα αυτά, σας δίνω εδώ την εφαρμογή της τροποποίησης του σχεδιασμού που προέκυψε.

Βήμα 1: Τα στοιχεία που θα χρειαστείτε

Για να κατασκευάσετε το δικό σας ενισχυμένο NRF24L01+ με βελτιωμένη κεραία (Dipole) θα χρειαστείτε:

• μια ενότητα NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 ή www.ebay.com/itm/371215258056
• Συγκολλητικό σίδερο και συναφή είδη.
• Μαχαίρι ακριβείας (ή άλλο μέσο για την απόξεση προστατευτικών επιχρισμάτων)
• 24ga. Στερεό σύρμα (προαιρετικά έως 30ga.)

Βήμα 2: Τροποποίηση της μονάδας ραδιοφώνου

Ξεκίνησα με βασικά σχέδια κεραίας δίπολων και τα συντονίστηκα πειραματικά.

Ορισμένα σχέδια που απαιτούν ένα στοιχείο μήκους κύματος need χρειάζονται καλές προσαρμογές λόγω περιπτώσεων χωρητικότητας, σύνθετης αντίστασης, επαγωγής και συντονισμών. Δεν έχω μέσα για να μετρήσω αυτά τα χαρακτηριστικά σε ένα ενεργό κύκλωμα 2,4 GHz, οπότε έκανα την προφανώς αναγκαία προσαρμογή μέσω εμπειρικού ελέγχου.

Στην εικόνα είναι μερικές από τις μονάδες δοκιμής μου. Μερικά από τα ίχνη απομακρύνθηκαν, καθώς συγκολλούσα, χωρίς συγκόλληση, λυγισμένες και λυγισμένες επίδοξες κεραίες. Δύο καλά πράγματα προέκυψαν από αυτό. 1) Αλλάζω από την επάνω πλευρά στην κάτω πλευρά για να στερεώσω το ένα πόδι στο έδαφος, το οποίο αποδείχθηκε καλύτερο μηχανικά και απόδοσης. 2) Διαπίστωσα ότι είναι καλή ιδέα να συνδέσετε το σύρμα με υπερ-κόλλα ή θερμή κόλλα για ανακούφιση από την καταπόνηση (έκανα κατά λάθος κάμψη της κεραίας κατά τη διάρκεια όλων των δοκιμών.) Έγινε πρώτα, αυτό μπορεί να τα συγκρατήσει για συγκόλληση.

Βήματα για την τροποποίηση:

1. Κάντε δύο περικοπές, πλάτους 1-2 mm, των ιχνών κοντά στη βάση της κεραίας PCB, όπως φαίνεται στην εικόνα της πρώτης παραπάνω εικόνας. Αυτό αφαιρεί αποτελεσματικά την υπάρχουσα κεραία από το κύκλωμα.
2. Από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιώντας ένα ακριβές μαχαίρι, ξύστε την προστατευτική επίστρωση στην άκρη του επιπέδου γείωσης, όπως υποδεικνύεται στη δεύτερη παραπάνω εικόνα
3. Κόψτε δύο 24ga. Καλώδια έως περίπου 50mm
4. Αφαιρέστε μερικά χιλιοστά μόνωσης από το ένα άκρο κάθε σύρματος.
5. Λυγίστε το γυμνό τμήμα σε ορθή γωνία στο σύρμα που θα στερεωθεί στη γείωση.
6. Κολλήστε κάθε σύρμα προς τα κάτω (προτείνετε: δείπνο-κόλλα ή ζεστή κόλλα), έτσι ώστε το γυμνό άκρο να είναι έτοιμο για συγκόλληση. το ένα ακριβώς κάτω από τα ίχνη κοπής, το άλλο στην άκρη του επιπέδου εδάφους στο πίσω μέρος. Τα δύο σύρματα πρέπει να βρίσκονται παράλληλα και 6 mm μεταξύ τους.
7. Μόλις στερεωθεί η κόλλα, βάλτε την πάστα ροής συγκόλλησης εκεί που πρόκειται να κολλήσετε και, στη συνέχεια, συγκολλήστε τα. Σας συνιστώ να χρησιμοποιείτε τη ροή, έτσι ώστε η συγκόλλησή σας να παίρνει γρήγορα και να μην ζεσταίνετε υπερβολικά τον πίνακα.
8. Κάντε ευκρινείς κάμψεις ορθής γωνίας στα καλώδια, μακριά το ένα από το άλλο, από την άκρη του PCB, ~ 6 mm πάνω από το σημείο όπου τελειώνει το επίπεδο γείωσης. Ανατρέξτε στις δύο τελευταίες παραπάνω εικόνες. Εάν δεν έχετε κολλήσει τα καλώδια σας, να είστε ιδιαίτερα προσεκτικοί για να μην ασκήσετε υπερβολική πίεση στα σημεία συγκόλλησης.
9. Μετρήστε κάθε τμήμα σύρματος που τρέχει κατά μήκος της άκρης της σανίδας σε 30 mm από την κάμψη 90 μοιρών και κόψτε τα εκεί. Ανακάλυψα ότι δεν μπορούσα να μετρήσω και να κόψω με ακρίβεια, οπότε μέτρησα και σημείωσα με έναν λεπτό δείκτη με άκρες από ίνες πού να κόψω.
10. Ελέγξτε με ένα ωμόμετρο για να βεβαιωθείτε ότι το καλώδιο κοντά στα παλιά ίχνη PCB κεραίας δεν έχει συνέχεια σε καμία από τις κοπές που έγιναν στο βήμα #1.

Βήμα 3: Το τελικό προϊόν

Η μονάδα σας NRF24L01+ θα αποδίδει τώρα πολύ καλύτερα σε ό, τι έργο χρησιμοποιείτε. Μπορείτε είτε να απολαύσετε βελτιωμένη αξιοπιστία με μεγαλύτερη εμβέλεια είτε με χαμηλότερες ρυθμίσεις ισχύος ραδιοφώνου. Θα πρέπει να το βρείτε έτσι, ακόμη και με την τροποποίηση μόνο ενός ραδιοφώνου (του πομπού ή του δέκτη). και αποκομίζετε το διπλάσιο όφελος όταν χρησιμοποιείτε τροποποιημένη μονάδα και στα δύο άκρα. Θυμηθείτε να είστε σίγουροι ότι θα προσανατολίζετε τις κεραίες παράλληλα μεταξύ τους. Υλοποιώ ένα έργο με πολλαπλές απομακρυσμένες μονάδες αισθητήρων που χρησιμοποιούν αυτά τα τροποποιημένα ραδιόφωνα (κάθετα προσανατολισμένα με τα πόδια του εδάφους στραμμένα προς τα κάτω), το οποίο θα συνομιλεί με έναν κεντρικό σταθμό βάσης χρησιμοποιώντας ένα NRF24L01+PA+LNA και μια εξωτερική κεραία.

Οι κεραίες πομπού και δέκτη, στο έργο σας πρέπει να προσανατολίζονται ομοιόμορφα οριζόντια ή κάθετα και κατά προτίμηση παράλληλες μεταξύ τους. Επιπλέον, ίσως σε έναν δωρεάν προσανατολισμό, εάν γνωρίζετε ότι προτιμούν την κατεύθυνση (αυτό δεν αναφέρεται γενικά εδώ). Εάν οι κεραίες σας δεν είναι απαραίτητα φυσικά διαφορετικές, όπως δεν χρησιμοποιείτε εξωτερική κεραία υψηλής απόδοσης στο ένα άκρο, τότε είναι καλύτερο οι κεραίες να είναι πανομοιότυπες και να προσανατολίζονται ακριβώς το ίδιο. Αυτό γίνεται για να επιτευχθεί η μέγιστη αξιοπιστία και εμβέλεια, και δεδομένου ότι οι κεραίες είναι τοποθετημένες ακίνητες.

Στο τέλος, το ποσό της βελτίωσης είναι λίγο δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί. αλλά στην αίτησή μου, το έβαλα από 50 έως 100% σε σχέση με τις μη τροποποιημένες εκδόσεις. Νομίζω ότι είναι τουλάχιστον τόσο καλή όσο μια μονάδα με εξωτερική κεραία 2,5db. αλλά όχι τόσο αποτελεσματική όσο μια μονάδα NRF24L01+PA+LNA.

Η κύρια πρόθεση αυτού του Instructable είναι απλώς να δώσει οδηγίες σχετικά με τον τρόπο επινόησης ενός τροποποιημένου NRF24L01+ με ανώτερη διπολική κεραία, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ικανότητα μετάδοσης και λήψης και καλύτερη χρηστικότητα σε έργα.

Αυτό είναι ίσως το μόνο που θα ενδιαφέρει τους περισσότερους ανθρώπους. Με την ιδέα: "Τι κάνω για να βγάλω μεγαλύτερο εύρος χρήσης από αυτές τις μονάδες;"

Σε αυτό λοιπόν το σημείο… να το έχετε. και ενημερώστε με για τις επιτυχίες σας με τα έργα σας χρησιμοποιώντας τα δικά σας προσαρμοσμένα ραδιόφωνα.

Εάν θέλετε να δοκιμάσετε εκ των προτέρων το τροποποιημένο ραδιόφωνο (τα) σας, έχω συμπεριλάβει το λογισμικό που δημιούργησα για τη δοκιμή μου, σε μεταγενέστερο βήμα.

Βήμα 4: Πώς βελτιστοποίησα αυτό το σχέδιο

Τώρα για όσους ενδιαφέρονται, θα συνεχίσω να μοιράζομαι λίγο για το πώς δοκίμασα και έκρινα πιθανές βελτιώσεις. Ωστόσο, σημειώστε ότι το πώς να εφαρμόσετε τις δοκιμές δεν είναι το επίκεντρο αυτού του διδακτέου.

Για τον έλεγχο τυχόν Arduino ή συγκρίσιμων πινάκων, μαζί με μονάδες NRF24L01+, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε. Οι εκδόσεις 01+ χρειάζονται με το λογισμικό δοκιμής, όπως γράφτηκε, επειδή χρησιμοποιεί το ρυθμό μετάδοσης 250KHz. Φροντίστε να τροφοδοτείτε μόνο τα ραδιόφωνα με τάσεις 1,9-3,6v.

Για τον έλεγχο αξιοπιστίας της γκάμας μου, χρησιμοποίησα ένα pro-mini Arduino και ένα μη τροποποιημένο NRF24L01+ ως τηλεχειριστήριο. Το οποίο λαμβάνει απλά ένα πακέτο δεδομένων και το επαναλαμβάνει ως επιβεβαίωση. Αυτοί εξαντλήθηκαν από ρυθμιζόμενο 3.3V.

Είχα κολλήσει αυτό το συγκρότημα σε ένα μικρό κουτί το οποίο μπορούσα εύκολα και επανειλημμένα να τοποθετήσω σε διάφορες θέσεις δοκιμών.

Χρησιμοποίησα ένα Nano3.0 MCU με τον τροποποιημένο NRF24L01+ ως κύριο πομποδέκτη. Αυτό το τέλος ήταν στάσιμο και παρείχε αποτελέσματα δοκιμών (είτε μέσω οθόνης LCD 16x02 είτε μέσω σειριακής οθόνης). Από νωρίς διαπίστωσα ότι μια βελτιωμένη κεραία θα είχε ως αποτέλεσμα τόσο καλύτερη ικανότητα μετάδοσης όσο και λήψης. Επιπλέον, θα έπαιρνα τα ίδια αποτελέσματα δοκιμών με ένα δεδομένο τροποποιημένο ραδιόφωνο που χρησιμοποιείται σε κάθε άκρο. Σημειώστε ότι στη δοκιμή κάθε πλευρά μεταδίδει και λαμβάνει, αυτό συμβαίνει επειδή μετά από μια μετάδοση υπάρχει μια αναγνώριση που πρέπει να ληφθεί για να καταμετρηθεί ως μια επιτυχημένη επικοινωνία.

Σημειώστε ότι υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορούν να επηρεάσουν τα αποτελέσματα των δοκιμών:

• Αγγίζοντας, ή σχεδόν έτσι, τη μονάδα RF24 ή τα καλώδια σε αυτήν.
• Το σώμα κάποιου είναι ευθυγραμμισμένο με τη γραμμή μεταφοράς.
• Τα δύο παραπάνω έχουν θετική επίδραση.
• Χαρακτηριστικά τάσης τροφοδοσίας
• Κυρίως, ο προσανατολισμός των κεραιών πομπού και δέκτη.
• Άλλη κίνηση WiFi στην περιοχή. Αυτά θα μπορούσαν να προκαλέσουν διαφορές που μπορεί να μοιάζουν με αυτές του «καλού καιρού» έως τις «θυελλώδεις συνθήκες». Έτσι προσπάθησα να δοκιμάσω κυρίως κατά τις ευνοϊκές συνθήκες. Θα επαναλάμβανα τη δοκιμή για να πάρω τα καλύτερα αποτελέσματα για μια δεδομένη μονάδα υπό δοκιμή και αργότερα θα τα συγκρίνω με συγκρίσιμα αποτελέσματα που έχουν ληφθεί σε άλλες μονάδες δοκιμής.

Σε εσωτερικούς χώρους είναι πιο δύσκολο να λάβετε αξιόπιστα αποτελέσματα δοκιμών σε σύγκριση με εξωτερικούς χώρους με οπτική επαφή. Θα μπορούσα να έχω δραστικές διαφορές στα αποτελέσματα μετακινώντας τη θέση μιας από τις μονάδες μόνο λίγα εκατοστά. Αυτό οφείλεται σε πυκνότητες και αποτελείται από εμπόδια και διαδρομές ανακλαστικών σημάτων. Ένας άλλος παράγοντας θα μπορούσε να είναι τα μοτίβα ισχύος σήματος κεραίας, αλλά αμφιβάλλω ότι θα μπορούσε να προκαλέσει δραστικές διαφορές στην κίνηση μερικών ίντσες από πλευρά σε πλευρά.

Επινόησα κάποιο λογισμικό για να μου παρέχει ορισμένα στατιστικά στοιχεία απόδοσης.

Επιπλέον, εγκατέστησα, όσο το δυνατόν περισσότερο, τις συνθήκες δοκιμής. Όπως το να πατάτε σε ένα σημειωμένο σημείο, οι κεραίες (Tx & Rx) τοποθετούνται με τον ίδιο προσανατολισμό για κάθε μπαταρία δοκιμών απόδοσης. Τα αποτελέσματα των δοκιμών παρακάτω είναι ένας συνδυασμένος μέσος όρος πολλαπλών δοκιμών από πολλές τοποθεσίες. Κάτω από τις συνθήκες δοκιμής που χρησιμοποιήθηκαν, ένα μη τροποποιημένο ραδιόφωνο δεν μπόρεσε να περάσει επιτυχημένα μηνύματα.

Πήρα τα καλύτερα αποτελέσματα με 24ga. πάνω από 30 g. σύρμα. Τα αποτελέσματα ήταν λίγο καλύτερα. ας πούμε 10 τοις εκατό. Ομολογουμένως δοκίμασα μόνο δύο παρόμοιες ενσύρματες περιπτώσεις και μπορεί να υπήρχαν διαφορές 1 mm στη συνολική τοπολογία κεραίας (άθροισμα διαφορών μεταξύ των τμημάτων). Επιπλέον, τροποποίησα την πρώτη επανάληψη χρησιμοποιώντας το 30ga. κάνοντας αρκετές ρυθμίσεις 1mm. Στη συνέχεια, αντιγράψατε αυτά τα μήκη καλωδίων με 24ga. χωρίς περαιτέρω συγκρίσιμα πειράματα σε μήκη με τα 24 ga. Σύρμα.

[Δείτε τα αποτελέσματα του Πίνακα 1 στην παραπάνω εικόνα]

Καθώς ήθελα οι μονάδες μου να ταιριάζουν σε μια μικρή θήκη που είχα, άλλαξα από τα καλώδια μετάδοσης κεραίας που απέχουν 10mm και μήκος 10mm σε μόνο 6mm και 6mm, και στη συνέχεια δοκιμάστηκα για βέλτιστα συντονισμένα μήκη κεραίας για αυτήν τη διαμόρφωση. Ακολουθεί μια σύντομη περίληψη των αποτελεσμάτων από τις διάφορες δοκιμές μου:

[Δείτε τα αποτελέσματα του Πίνακα 2 στην παραπάνω εικόνα]

Περαιτέρω δοκιμές, με καλύτερο εργαστηριακό εξοπλισμό μέτρησης, θα μπορούσαν αναμφίβολα να επινοήσουν και να επικυρώσουν βελτιωμένα μήκη τμήματος (μέγεθος σύρματος και πιθανώς σημεία προσάρτησης ή προσανατολισμού) για πραγματική βέλτιστη απόδοση αυτής της διπολικής τροποποίησης κεραίας για ραδιόφωνα nRF24.

Ενημερώστε μας εάν λάβετε μια επαληθεύσιμη βελτίωση (σε διαμόρφωση 24ga. 6X6mm x 30mm). Πολλοί από εμάς θα θέλαμε να αξιοποιήσουμε στο έπακρο αυτά τα ραδιόφωνα (χωρίς να προσθέσουμε μια ογκώδη κεραία).

Οι κεραίες πομπού και δέκτη, στο έργο σας πρέπει να προσανατολίζονται ομοιόμορφα οριζόντια ή κάθετα και κατά προτίμηση παράλληλες μεταξύ τους. Επιπλέον, ίσως σε έναν δωρεάν προσανατολισμό, εάν γνωρίζετε ότι προτιμούν την κατεύθυνση (αυτό δεν αναφέρεται γενικά εδώ). Εάν οι κεραίες σας δεν είναι απαραίτητα φυσικά διαφορετικές, όπως δεν χρησιμοποιείτε εξωτερική κεραία υψηλής απόδοσης στο ένα άκρο, τότε είναι καλύτερο οι κεραίες να είναι πανομοιότυπες και να προσανατολίζονται ακριβώς το ίδιο. Αυτό γίνεται για να επιτευχθεί η μέγιστη αξιοπιστία και εμβέλεια, και δεδομένου ότι οι κεραίες είναι τοποθετημένες ακίνητες.

Βήμα 5: Υλικό και λογισμικό που χρησιμοποίησα στη δοκιμή μου

Υλικό που χρησιμοποίησα για τη δοκιμή 2 συμβατών συμβατών MCU Arduino

2 NRF24L01+

Κατά καιρούς χρησιμοποιούσα επίσης μια οθόνη LCD 16x02 (για βολική προβολή σε πραγματικό χρόνο. Η σειριακή κονσόλα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να λάβετε αποτελέσματα δοκιμών) ένα κουμπί (για να ξεκινήσετε μια νέα σειρά δοκιμών, διαφορετικά θα χρειαστεί να περάσετε από ένα επανεκκίνηση)

Σύνδεσμοι για υλικό που θα συνιστούσα και θα χρησιμοποιούσα:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P στο eBay ή Pro-Mini:

NRF24L01+ ενότητες https://ebay.com/itm/191351948163 και

16x02 LCD IC2 ενότητα οθόνης

Κατεβάστε τα αρχεία του ταχυδρομικού κώδικα εδώ: