Verbeterde NRF24L01-radio met een DIY-dipoolantenne-modificatie. - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

De situatie was dat ik alleen kon zenden en ontvangen door 2 of 3 muren met een afstand van ongeveer 50 voet, met behulp van standaard nRF24L01+ modules. Dit was onvoldoende voor mijn beoogde gebruik.

Ik had eerder geprobeerd aanbevolen condensatoren toe te voegen, maar voor mij en mijn hardware kreeg ik weinig tot geen verbetering. Dus negeer ze alsjeblieft op de foto's.

Voor mijn externe sensoren wilde ik niet het grootste deel van een eenheid zoals een nRF24L01+PA+LNA met een SMA-montage en buitenantenne. Dus heb ik deze aangepaste module gemaakt.

Met deze aangepaste RF24-module kon ik door vier muren gaan met een afstand van ongeveer 30 meter.

Deze module zou ook de afstand bijna verdubbelen ten opzichte van een standaard nRF24-module bij gebruik met zichtlijntoepassingen; zoals RF-vliegtuigen, quad-kopers, auto's en boten (100 meter). Ik heb geen duidelijke zichttesten gedaan. In mijn tests waren er keukenapparatuur en kasten en kasten vol spullen tussen de transceivers.

Hier is wat diepgaande informatie over een dipoolantenne https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna voor verdere antennestudie probeer: https://www.arrl.org of

Ik heb wat antenneontwerp bestudeerd, maar er zijn zoveel specifieke ontwerpgegevens en theorie rond een enorm en groeiend aantal antenneontwerpen (met name voor compacte hoogfrequente antennes), dat het gemakkelijk is om je een beetje verloren te voelen in het bos. Experimenteren speelt dus vaak een sleutelrol.

Nu ik dit allemaal heb doorgenomen, geef ik u hier de implementatie van mijn resulterende ontwerpwijziging.

Stap 1: De items die je nodig hebt

Om je eigen verbeterde NRF24L01+ met een verbeterde (dipool) antenne te fabriceren, heb je nodig:

• een NRF24L01+ module https://www.ebay.com/itm/191351948163 of www.ebay.com/itm/371215258056
• Soldeerbout en aanverwante artikelen.
• Exact-o-mes (of ander middel om beschermende coatings af te schrapen)
• 24g. Massieve draad (optioneel tot 30ga.)

Stap 2: De radiomodule wijzigen

Ik begon met eenvoudige dipoolantenne-ontwerpen en stelde deze experimenteel af.

Sommige ontwerpen die een ¼-golflengte-element vereisen, hebben fijne aanpassingen nodig vanwege gevallen van capaciteit, impedantie, inductantie en resonanties. Ik heb geen middelen om deze kenmerken te meten in een actief 2,4 GHz-circuit, dus ik heb de schijnbaar noodzakelijke aanpassing gemaakt door middel van empirische tests.

Afgebeeld is een paar van mijn test-eenheden. Sommige sporen werden weggetrokken, terwijl ik antennes soldeerde, niet-soldeerde, boog en opnieuw boog. Hieruit kwamen twee goede dingen naar voren. 1) Ik wissel van de bovenzijde naar de onderzijde voor het bevestigen van één poot aan de grond, wat mechanisch en prestatietechnisch beter bleek te zijn. 2) Ik vond het een goed idee om de draad te bevestigen met superlijm of hete lijm voor trekontlasting (ik bleef de antenne per ongeluk buigen tijdens al het testen.) Eerst gedaan, dit kan ze vasthouden om te solderen.

Stappen om de wijziging aan te brengen:

1. Maak twee sneden, 1-2 mm breed, van de sporen nabij de basis van de PCB-antenne, zoals te zien is in de afbeelding van de eerste afbeelding hierboven. Dit haalt effectief de bestaande antenne uit het circuit.
2. Schraap aan de andere kant met een exact-o-mes de beschermende coating over de rand van het grondvlak, zoals aangegeven in de tweede afbeelding hierboven
3. Snijd twee 24ga. Draden tot ca. 50 mm
4. Strip een paar millimeter isolatie van het ene uiteinde van elke draad.
5. Buig het kale gedeelte in een rechte hoek op de draad die aan de grond moet worden bevestigd.
6. Lijm elke draad vast (aanbevolen: avondmaallijm of hete lijm), zodat het blote uiteinde klaar is om te worden gesoldeerd; een net onder de snijsporen, de andere aan de rand van het grondvlak aan de achterkant. De twee draden moeten parallel en 6 mm uit elkaar liggen.
7. Zodra de lijm is uitgehard, plaatst u soldeervloeipasta op de plaats waar u gaat solderen en soldeert u ze vervolgens. Ik raad aan om flux te gebruiken, zodat het solderen snel gaat en je het bord niet oververhit.
8. Maak scherpe haakse bochten in de draden, van elkaar af, bij de rand van de printplaat, ~6 mm hoger dan waar het grondvlak eindigt. Raadpleeg de laatste twee afbeeldingen hierboven. Als je je draden niet hebt vastgelijmd, wees dan extra voorzichtig om niet te veel spanning op de soldeerpunten te leggen.
9. Meet elk draadsegment dat langs de rand van het bord loopt tot 30 mm van de 90 graden bocht en knip ze daar af. Ik ontdekte dat ik niet nauwkeurig kon meten en snijden, dus ik mat en markeerde met een fijne vezelpuntmarker waar te snijden.
10. Controleer met een ohm-meter of de draad in de buurt van de sporen van de oude antenne-PCB geen continuïteit heeft over een van de sneden die in stap 1 zijn gemaakt.

Stap 3: Het eindproduct

Uw NRF24L01+ module zal nu veel beter presteren in welk project u ze ook gebruikt. U kunt genieten van verbeterde betrouwbaarheid met een groter bereik of met lagere instellingen voor radiovermogen. Je zou dit zo moeten vinden, zelfs met het aanpassen van één radio (de zender of ontvanger); en profiteer van twee keer zoveel voordeel als u aan beide uiteinden een aangepaste eenheid gebruikt. Vergeet niet om de antennes parallel aan elkaar te richten. Ik implementeer een project met meerdere afstandssensoren die gebruik maken van deze gemodificeerde radio's (verticaal georiënteerd met hun grondpoten naar beneden gericht), die allemaal zullen communiceren met een centraal basisstation met behulp van een NRF24L01+PA+LNA en een externe antenne.

De zender- en ontvangerantennes in uw project moeten zowel horizontaal als verticaal op dezelfde manier worden georiënteerd en bij voorkeur parallel aan elkaar. Bovendien, misschien in een aanvullende oriëntatie als je weet dat ze een richtingsvoorkeur hebben (dit wordt hier over het algemeen niet aangegeven). Als uw antennes niet per se fysiek verschillend zijn, alsof u aan het ene uiteinde geen externe antenne met hoge versterking gebruikt, is het het beste dat de antennes identiek zijn en exact hetzelfde zijn georiënteerd. Dit om maximale betrouwbaarheid en bereik te bereiken, en gezien de antennes stationair zijn gemonteerd.

Uiteindelijk is de mate van verbetering een beetje moeilijk te kwantificeren; maar in mijn aanvraag heb ik het op 50 tot 100% gezet ten opzichte van de ongewijzigde versies. Ik denk dat het minstens zo goed is als een apparaat met een externe 2,5db-antenne; maar niet zo effectief als een NRF24L01+PA+LNA-eenheid.

De belangrijkste bedoeling van deze Instructable is eenvoudigweg om te instrueren hoe een gemodificeerde NRF24L01 + met een superieure dipoolantenne moet worden ontworpen, zodat deze een groter zend- en ontvangstvermogen en een betere bruikbaarheid in projecten zal bereiken.

Dat is waarschijnlijk het enige waar de meeste mensen in geïnteresseerd zullen zijn. Met het idee: "Wat moet ik doen om een groter bruikbaar bereik uit deze units te halen?"

Dus op dit punt … heb het erover; en laat me weten wat uw successen zijn met uw projecten met uw eigen aangepaste radio's.

Als u uw aangepaste radio('s) vooraf wilt testen, heb ik de software die ik voor mijn tests heb gemaakt, in een latere stap toegevoegd.

Stap 4: Hoe ik dit ontwerp heb geoptimaliseerd?

Nu, voor degenen die geïnteresseerd zijn, zal ik wat vertellen over hoe ik potentiële verbeteringen heb getest en gekwalificeerd. Houd er echter rekening mee dat het implementeren van testen niet de focus is van deze instructable.

Voor het testen van Arduino of vergelijkbare boards kunnen, samen met NRF24L01+ modules, worden gebruikt. De 01+ versies zijn nodig met de testsoftware, zoals geschreven, omdat deze de 250KHz zendsnelheid gebruikt. Zorg ervoor dat u de radio's alleen van stroom voorziet met spanningen van 1,9-3,6v.

Voor het testen van mijn bereikbetrouwbaarheid heb ik een pro-mini Arduino en een ongewijzigde NRF24L01+ als afstandsbediening gebruikt. Die eenvoudig een datapakket ontvangt en het terugstuurt als een bevestiging. Deze werden op 3.3V gereguleerd.

Ik had dit samenstel in een kleine doos geplakt die ik gemakkelijk en herhaaldelijk op verschillende testlocaties kon plaatsen.

Ik gebruikte een Nano3.0 MCU met de gemodificeerde NRF24L01+ als hoofdtransceiver. Dit uiteinde was stationair en leverde testresultaten op (via een 16x02 LCD-scherm of de seriële monitor). Al vroeg stelde ik vast dat een verbeterde antenne zou resulteren in zowel betere zend- als ontvangstcapaciteit. Verder zou ik dezelfde testresultaten krijgen met een bepaalde aangepaste radio die aan beide uiteinden werd gebruikt. Merk op dat in de test elke kant zowel zendt als ontvangt, dat wil zeggen dat er na een verzending een bevestiging is die moet worden ontvangen om te worden geteld als een succesvolle communicatie.

Merk op dat er veel dingen zijn die de testresultaten kunnen beïnvloeden:

• Aanraken, of bijna zo, de RF24-module of draden erop.
• Iemands lichaam in lijn met de transmissielijn.
• Bovenstaande twee hebben een positief effect.
• De kenmerken van de voedingsspanning:
• Vooral de oriëntatie van de zender- en ontvangerantennes.
• Overig wifi-verkeer in de buurt. Deze kunnen verschillen veroorzaken die kunnen aanvoelen als die van 'goed weer' tot 'stormachtige omstandigheden'. Dus probeerde ik vooral te testen tijdens de gunstige omstandigheden. Ik zou de test herhalen om de beste resultaten te krijgen voor een bepaalde testeenheid en die resultaten later vergelijken met vergelijkbare resultaten die op andere testeenheden zijn verkregen.

Binnen is het moeilijker om betrouwbare testresultaten te krijgen in vergelijking met buiten met een zichtlijn. Ik kon drastische verschillen in resultaten krijgen door de positie van een van de eenheden slechts enkele centimeters te verplaatsen. Dit komt door dichtheden en samenstelling van barrières en reflecterende signaalpaden. Een andere factor kunnen de signaalsterktepatronen van de antenne zijn, maar ik betwijfel of dit drastische verschillen kan veroorzaken in een beweging van enkele centimeters heen en weer.

Ik heb software bedacht om me te voorzien van de benodigde prestatiestatistieken.

Bovendien heb ik zoveel mogelijk vaste testomstandigheden ingesteld. Zoals het vastplakken van de antennes (Tx & Rx) op een gemarkeerde plaats met dezelfde oriëntatie voor elke reeks prestatietests. De onderstaande testresultaten zijn een gecombineerd gemiddelde van meerdere tests van meerdere locaties. Onder de gebruikte testomstandigheden kon een ongewijzigde radio geen succesvolle berichten doorkrijgen.

Ik kreeg de beste resultaten met 24ga. meer dan 30g. draad. De resultaten waren maar een beetje beter; zeg 10 procent. Toegegeven, ik heb maar twee bekabelde exemplaren geprobeerd, en er kan een verschil van 1 mm zijn geweest in de totale antennetopologie (som van de verschillen tussen de segmenten). Verder heb ik de eerste iteratie aangepast met behulp van de 30ga.; het maken van verschillende aanpassingen van 1 mm. Daarna die draadlengtes gedupliceerd met 24ga. zonder verdere vergelijkbare experimenten in lengtes met de 24 ga. Draad.

[Zie tabel 1 resultaten in afbeelding hierboven]

Omdat ik wilde dat mijn eenheden in een kleine behuizing pasten, schakelde ik over van de antennetransmissiekabels met een onderlinge afstand van 10 mm en een lengte van 10 mm naar slechts 6 mm en 6 mm, en vervolgens getest op optimaal afgestemde antennelengtes voor die configuratie. Hier is een beknopte samenvatting van de resultaten van mijn verschillende tests:

[Zie tabel 2 resultaten in afbeelding hierboven]

Verdere tests, met betere laboratoriummeetapparatuur, zouden ongetwijfeld verbeterde segmentlengtes (draaddikte en mogelijk bevestigingspunten of oriëntatie) kunnen bedenken en valideren voor echte optimale prestaties van deze dipoolantennemodificatie voor nRF24-radio's.

Laat het ons weten als u een verifieerbare verbetering krijgt (over een 24ga. 6X6mm x 30mm configuratie). Velen van ons willen het meeste uit deze radio's halen (zonder een omvangrijke antenne toe te voegen).

De zender- en ontvangerantennes in uw project moeten zowel horizontaal als verticaal op dezelfde manier worden georiënteerd en bij voorkeur parallel aan elkaar. Bovendien, misschien in een complementaire oriëntatie als je weet dat ze een richtingsvoorkeur hebben (dit wordt hier over het algemeen niet aangegeven). Als uw antennes niet per se fysiek verschillend zijn, alsof u aan het ene uiteinde geen externe antenne met hoge versterking gebruikt, is het het beste dat de antennes identiek zijn en exact hetzelfde zijn georiënteerd. Dit om maximale betrouwbaarheid en reikwijdte te bereiken en aangezien de antennes stationair zijn gemonteerd.

Stap 5: Hardware en software die ik bij mijn tests heb gebruikt

Hardware die ik heb gebruikt voor mijn testen van 2 MCU's Arduino-compatables

2 NRF24L01+

Soms gebruikte ik ook een 16x02 LCD-scherm (voor gemakkelijke real-time weergave. De seriële console kan ook worden gebruikt om testresultaten te krijgen), een drukknop (om een nieuwe reeks tests te starten, anders zou u een herstarten)

Links naar hardware die ik zou aanbevelen en gebruiken:

MCU's: Nano V3.0 Atmega328P op eBay of Pro-Mini:

NRF24L01+ modules https://ebay.com/itm/191351948163 en

16x02 LCD IC2 weergavemodule

Download hier de zip-codebestanden: