Verbessertes NRF24L01-Radio mit einer DIY-Dipolantennen-Modifikation - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Die Situation war, dass ich mit Standard-nRF24L01+-Modulen nur durch 2 oder 3 Wände mit einer Entfernung von etwa 15 Metern senden und empfangen konnte. Dies war für meinen Verwendungszweck nicht ausreichend.

Ich hatte zuvor versucht, empfohlene Kondensatoren hinzuzufügen, aber für mich und meine Hardware wurden nur sehr geringe bis keine Verbesserungen erzielt. Also ignorieren Sie sie bitte auf den Fotos.

Für meine Fernsensoren wollte ich nicht den Großteil einer Einheit wie ein nRF24L01+PA+LNA mit SMA-Halterung und Außenantenne. Also habe ich dieses modifizierte Modul erstellt.

Mit diesem modifizierten RF24-Modul konnte ich durch vier Wände mit einer Entfernung von etwa 30 Metern gehen.

Dieses Modul sollte auch die Distanz gegenüber einem Standard-nRF24-Modul fast verdoppeln, wenn es mit Sichtlinienanwendungen verwendet wird; wie RF-Flugzeuge, Quad-Kupfer, Autos und Boote (100 Meter). Ich habe keine klaren Sichtlinientests gemacht. In meinen Tests gab es zwischen den Transceivern Küchengeräte und Schränke und Schränke voller Sachen.

Hier sind einige ausführliche Informationen zu einer Dipolantenne https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna für weitere Antennenstudien: https://www.arrl.org oder

Ich habe einiges über Antennendesign studiert, aber es gibt so viele spezifische Designdaten und Theorien zu einer riesigen und wachsenden Anzahl von Antennendesigns (insbesondere für Hochfrequenz-Kompaktantennen), dass man sich leicht im Wald verloren fühlt. Daher spielt das Experimentieren tendenziell eine Schlüsselrolle.

Nachdem ich all dies durchgegangen bin, gebe ich Ihnen hier die Implementierung meiner resultierenden Designänderung.

Schritt 1: Die Artikel, die Sie benötigen

Um Ihren eigenen verbesserten NRF24L01+ mit einer verbesserten (Dipol-)Antenne herzustellen, benötigen Sie:

• ein NRF24L01+ Modul https://www.ebay.com/itm/191351948163 oder www.ebay.com/itm/371215258056
• Lötkolben und verwandte Artikel.
• Exaktes Messer (oder andere Mittel zum Abkratzen von Schutzbeschichtungen)
• 24ga. Massivdraht (optional bis 30ga.)

Schritt 2: Modifizieren des Funkmoduls

Ich habe mit grundlegenden Dipolantennendesigns begonnen und sie experimentell abgestimmt.

Einige Designs, die ein ¼-Wellenlängen-Element erfordern, erfordern aufgrund von Kapazitäts-, Impedanz-, Induktivitäts- und Resonanzfällen Feineinstellungen. Ich habe keine Möglichkeit, diese Eigenschaften in einer aktiven 2,4-GHz-Schaltung zu messen, daher habe ich die anscheinend erforderliche Anpassung durch empirische Tests vorgenommen.

Abgebildet sind einige meiner Testgeräte. Einige der Leiterbahnen wurden abgezogen, als ich Möchtegern-Antennen lötete, entlötete, gebogene und wieder gebogene. Dabei kamen zwei gute Dinge heraus. 1) Ich wechsle von der Oberseite zur Unterseite, um ein Bein am Boden zu befestigen, was sich als mechanisch und leistungsmäßig besser herausstellte. 2) Ich fand es eine gute Idee, den Draht mit Sekundenkleber oder Heißkleber zur Zugentlastung zu befestigen (ich habe die Antenne während des gesamten Tests versehentlich gebogen.) Zuerst gemacht, kann dies zum Löten gehalten werden.

Schritte, um die Änderung vorzunehmen:

1. Machen Sie zwei 1-2 mm breite Schnitte der Leiterbahnen in der Nähe der Basis der PCB-Antenne, wie im Bild des ersten Bildes oben zu sehen. Dadurch wird die vorhandene Antenne effektiv aus dem Stromkreis herausgenommen.
2. Auf der anderen Seite mit einem exakten Messer die Schutzschicht über den Rand der Grundplatte abkratzen, wie im zweiten Bild oben gezeigt
3. Schneiden Sie zwei 24ga. Drähte bis ca. 50 mm
4. Entfernen Sie ein paar Millimeter der Isolierung von einem Ende jedes Drahtes.
5. Biegen Sie den blanken Teil rechtwinklig auf das zu erdende Kabel.
6. Kleben Sie jeden Draht nach unten (empfohlen: Suppenkleber oder Heißkleber), so dass das blanke Ende zum Löten bereit ist; eine knapp unter den Schnittspuren, die andere am Rand der Grundplatte auf der Rückseite. Die beiden Drähte müssen parallel und 6 mm auseinander liegen.
7. Sobald der Kleber fest ist, legen Sie die Lötflusspaste an die Stelle, an der Sie löten möchten, und löten Sie sie dann. Ich empfehle die Verwendung von Flussmittel, damit das Löten schnell dauert und Sie die Platine nicht überhitzen.
8. Machen Sie scharfe rechtwinklige Biegungen in den Drähten, voneinander weg, an der Kante der Leiterplatte, ~ 6 mm von der Stelle, an der die Masseplatte endet. Siehe die letzten beiden Bilder oben. Wenn Sie Ihre Drähte nicht verklebt haben, achten Sie besonders darauf, die Lötstellen nicht zu stark zu belasten.
9. Messen Sie jedes Drahtsegment, das entlang der Kante der Platine verläuft, auf 30 mm von seiner 90-Grad-Biegung und schneiden Sie sie dort ab. Ich entdeckte, dass ich nicht genau messen und schneiden konnte, also maß ich und markierte mit einem feinen Fasermarker, wo ich schneiden sollte.
10. Überprüfen Sie mit einem Ohmmeter, ob der Draht in der Nähe der alten Antennenleiterbahnspuren keine Kontinuität über einen der in Schritt 1 vorgenommenen Schnitte aufweist.

Schritt 3: Das fertige Produkt

Ihr NRF24L01+-Modul wird jetzt in jedem Projekt, in dem Sie es verwenden, eine weitaus bessere Leistung erbringen. Sie können entweder eine verbesserte Zuverlässigkeit mit größerer Reichweite oder mit niedrigeren Funkleistungseinstellungen genießen. Sie sollten dies auch dann finden, wenn Sie nur ein Radio (den Sender oder Empfänger) modifizieren; und ernten Sie den doppelten Vorteil, wenn Sie an beiden Enden eine modifizierte Einheit verwenden. Denken Sie daran, die Antennen parallel zueinander auszurichten. Ich setze ein Projekt mit mehreren entfernten Sensoreinheiten um, die diese modifizierten Funkgeräte verwenden (senkrecht ausgerichtet mit den Bodenbeinen nach unten), die alle mit einer zentralen Basisstation unter Verwendung eines NRF24L01 + PA + LNA und einer externen Antenne kommunizieren.

Die Sende- und Empfangsantennen in Ihrem Projekt müssen gleichermaßen horizontal oder vertikal ausgerichtet sein und möglichst parallel zueinander. Darüber hinaus vielleicht in einer ergänzenden Orientierung, wenn Sie wissen, dass sie eine Richtungspräferenz haben (dies wird hier nicht allgemein angegeben). Wenn Ihre Antennen nicht unbedingt physikalisch unterschiedlich sind, zum Beispiel, wenn Sie an einem Ende keine externe Antenne mit hohem Gewinn verwenden, ist es am besten, dass die Antennen identisch und genau gleich ausgerichtet sind. Dies, um maximale Zuverlässigkeit und Reichweite zu erreichen, und da die Antennen stationär montiert sind.

Am Ende ist das Ausmaß der Verbesserung etwas schwer zu quantifizieren; aber in meiner Anwendung habe ich es auf 50 bis 100 % gegenüber den unveränderten Versionen gesetzt. Ich denke, es ist mindestens so gut wie ein Gerät mit einer 2,5-dB-Außenantenne; aber nicht so effektiv wie ein NRF24L01+PA+LNA-Gerät.

Die Hauptabsicht dieses Instructable besteht darin, einfach anzuweisen, wie ein modifizierter NRF24L01 + mit einer überlegenen Dipolantenne entwickelt wird, damit er eine größere Sende- und Empfangsfähigkeit und eine bessere Benutzerfreundlichkeit in Projekten erreicht.

Das dürfte wohl die meisten interessieren. Mit der Idee: „Was tue ich, um aus diesen Geräten mehr nutzbare Reichweite herauszuholen?“

Also an dieser Stelle … haben Sie es geschafft; und teilen Sie mir Ihre Erfolge mit Ihren Projekten mit Ihren eigenen, maßgeschneiderten Radios mit.

Wenn Sie Ihre modifizierten Radios vorab testen möchten, habe ich die Software, die ich für meine Tests erstellt habe, in einem späteren Schritt hinzugefügt.

Schritt 4: Wie ich dieses Design optimiert habe

Nun, für diejenigen, die es interessiert, werde ich ein wenig darüber erzählen, wie ich mögliche Verbesserungen getestet und qualifiziert habe. Beachten Sie jedoch, dass die Implementierung von Tests nicht im Mittelpunkt dieses instructable steht.

Zum Testen können beliebige Arduino- oder vergleichbare Boards sowie NRF24L01+-Module verwendet werden. Die 01+ Versionen werden wie beschrieben mit der Testsoftware benötigt, da diese die 250KHz Übertragungsrate verwendet. Stellen Sie sicher, dass die Funkgeräte nur mit Spannungen von 1,9-3,6 V betrieben werden.

Für meine Reichweitenzuverlässigkeitstests habe ich einen Pro-Mini-Arduino und einen unmodifizierten NRF24L01+ als Fernbedienung verwendet. Die einfach ein Datenpaket empfängt und als Bestätigung zurücksendet. Diese wurden von 3.3V geregelt abgeführt.

Ich hatte diese Baugruppe in eine kleine Schachtel geklebt, die ich leicht und wiederholt an verschiedenen Testorten positionieren konnte.

Als Haupttransceiver habe ich eine Nano3.0 MCU mit dem modifizierten NRF24L01+ verwendet. Dieses Ende war stationär und lieferte Testergebnisse (entweder über ein 16x02-LCD-Display oder den seriellen Monitor). Schon früh stellte ich fest, dass eine verbesserte Antenne zu einer besseren Sende- und Empfangsfähigkeit führen würde. Außerdem würde ich die gleichen Testergebnisse mit einem bestimmten modifizierten Radio erhalten, das an beiden Enden verwendet wird. Beachten Sie, dass im Test jede Seite sowohl sendet als auch empfängt, das heißt, nach einer Übertragung muss eine Bestätigung empfangen werden, damit sie als erfolgreiche Kommunikation gewertet wird.

Beachten Sie, dass es viele Dinge gibt, die die Testergebnisse beeinflussen können:

• Berühren oder beinahe das RF24-Modul oder die Drähte dazu.
• Der eigene Körper in einer Linie mit der Übertragungsleitung.
• Die beiden oben genannten haben einen positiven Effekt.
• Die Eigenschaften der Versorgungsspannung
• Vor allem die Ausrichtung der Sender- und Empfängerantennen.
• Anderer WiFi-Verkehr in der Umgebung. Dies kann zu Unterschieden führen, die sich wie „gutes Wetter“bis hin zu „stürmischen Bedingungen“anfühlen können. Also habe ich versucht, hauptsächlich während der günstigen Bedingungen zu testen. Ich würde den Test wiederholen, um die besten Ergebnisse für eine bestimmte getestete Einheit zu erzielen, und diese Ergebnisse später mit vergleichbaren Ergebnissen anderer Testeinheiten vergleichen.

In Innenräumen ist es schwieriger, zuverlässige Testergebnisse zu erhalten als im Freien mit Sichtverbindung. Ich konnte drastische Unterschiede in den Ergebnissen erzielen, indem ich die Position einer der Einheiten um nur wenige Zentimeter verschiebe. Dies liegt an den Dichten und der Zusammensetzung von Barrieren und reflektierenden Signalpfaden. Ein weiterer Faktor könnten die Muster der Antennensignalstärke sein, aber ich bezweifle, dass dies zu drastischen Unterschieden in einigen Zentimetern Bewegung von Seite zu Seite führen könnte.

Ich habe eine Software entwickelt, die mir einige benötigte Leistungsstatistiken liefert.

Außerdem habe ich so weit wie möglich feste Testbedingungen eingerichtet. Wie beim Abkleben an einer markierten Stelle werden die Antennen (Tx & Rx) für jede Batterie von Leistungstests mit der gleichen Ausrichtung platziert. Die folgenden Testergebnisse sind ein kombinierter Durchschnitt mehrerer Tests von mehreren Standorten. Unter den verwendeten Testbedingungen konnte ein unverändertes Funkgerät keine erfolgreichen Meldungen durchsetzen.

Die besten Ergebnisse habe ich mit 24ga erzielt. über 30ga. Kabel. Die Ergebnisse waren nur wenig besser; sagen 10 Prozent. Zugegeben, ich habe nur zwei ebenfalls verkabelte Instanzen ausprobiert, und möglicherweise gab es 1 mm Unterschiede in der gesamten Antennentopologie (Summe der Unterschiede zwischen den Segmenten). Außerdem habe ich die erste Iteration mit dem 30ga optimiert.; mehrere 1-mm-Einstellungen vornehmen. Dann duplizierte diese Drahtlängen mit 24ga. ohne weitere vergleichbare Längenversuche mit dem 24 ga. Kabel.

[Siehe Tabelle 1 Ergebnisse im Bild oben]

Da ich wollte, dass meine Einheiten in ein kleines Gehäuse passen, das ich hatte, habe ich die Antennenübertragungskabel von 10 mm Abstand und 10 mm Länge auf nur 6 mm und 6 mm umgestellt und dann auf optimale abgestimmte Antennenlängen für diese Konfiguration getestet. Hier ist eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse meiner verschiedenen Tests:

[Siehe Tabelle 2 Ergebnisse im Bild oben]

Weitere Tests mit besserer Labormessausrüstung könnten zweifellos verbesserte Segmentlängen (Drahtgröße und möglicherweise Befestigungs- oder Ausrichtungspunkte) für eine wirklich optimale Leistung dieser Dipolantennenmodifikation für nRF24-Funkgeräte entwickeln und validieren.

Lassen Sie es uns wissen, wenn Sie eine nachweisbare Verbesserung erzielen (im Vergleich zu einer Konfiguration von 24 ga, 6 x 6 mm x 30 mm). Viele von uns möchten das Beste aus diesen Funkgeräten herausholen (ohne eine sperrige Antenne hinzuzufügen).

Die Sende- und Empfangsantennen in Ihrem Projekt müssen gleichermaßen horizontal oder vertikal ausgerichtet sein und möglichst parallel zueinander. Darüber hinaus vielleicht in einer ergänzenden Orientierung, wenn Sie wissen, dass sie eine Richtungspräferenz haben (dies wird hier nicht allgemein angegeben). Wenn Ihre Antennen nicht unbedingt physikalisch unterschiedlich sind, zum Beispiel, wenn Sie an einem Ende keine externe Antenne mit hohem Gewinn verwenden, ist es am besten, dass die Antennen identisch und genau gleich ausgerichtet sind. Dies ist, um maximale Zuverlässigkeit und Reichweite zu erreichen, und da die Antennen stationär montiert sind.

Schritt 5: Hardware und Software, die ich in meinen Tests verwendet habe

Hardware, die ich zum Testen von 2 MCUs Arduino-kompatiblen verwendet habe

2 NRF24L01+

Manchmal habe ich auch ein 16x02-LCD-Display verwendet (für eine bequeme Echtzeitanzeige. Die serielle Konsole kann auch verwendet werden, um Testergebnisse zu erhalten) eine Drucktaste (um eine neue Reihe von Tests zu starten, sonst müssten Sie durch a neu starten)

Links zu Hardware, die ich empfehlen und verwenden würde:

MCUs: Nano V3.0 Atmega328P bei eBay oder Pro-Mini:

NRF24L01+ Module https://ebay.com/itm/191351948163 und

16x02 LCD IC2 Anzeigemodul

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