ESP8266 Strahlungsmuster - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Der ESP8266 ist ein beliebtes Mikrocontroller-Modul, da es über das Onboard-WLAN mit dem Internet verbunden werden kann. Dies eröffnet dem Bastler viele Möglichkeiten, ferngesteuerte Gadgets und IoT-Geräte mit einem Minimum an zusätzlicher Hardware herzustellen. Praktischerweise enthalten die meisten Module eine Antenne, entweder eine gedruckte Schaltung vom invertierten F-Typ oder einen Keramikchip. Einige Boards erlauben sogar den Anschluss einer externen Antenne für zusätzliche Reichweite. Die meisten von uns kennen die Eigenheiten von Radio-, TV- oder sogar Handyantennen. Nachdem Sie die Position der Antenne oder des Sets sorgfältig angepasst haben, wird das Signal verrauscht, sobald Sie sich entfernen und sich hinsetzen! Leider kann der ESP8266 als drahtloses Gerät ein ähnliches asoziales Verhalten zeigen. Eine Methode zum Messen des Strahlungsmusters des ESP8266 wird in diesem Instructable unter Verwendung der vom Modul gemeldeten RSSI-Signalstärke erklärt. Mehrere Antennentypen werden getestet und der Sweet Spot für jede Version hervorgehoben. Ein kleiner Schrittmotor wird verwendet, um das ESP8266-Modul über einen Zeitraum von 30 Minuten um 360 Grad zu drehen und alle 20 Sekunden wird ein durchschnittlicher RSSI-Wert gemessen. Die Daten werden an ThingSpeak gesendet, einen kostenlosen IoT-Analysedienst, der die Ergebnisse als Polardiagramm darstellt, aus dem die Richtung des maximalen Signals aufgelöst werden kann. Dieser Vorgang wurde für mehrere Ausrichtungen des ESP8266-Moduls wiederholt.

Lieferungen

Komponenten für dieses Projekt sind leicht im Internet von Anbietern wie eBay, Amazon usw. zu finden, wenn sie nicht bereits in Ihrer Junk-Box sind.

28BYJ48 5V Schrittmotor ULN2003 Treiberplatine Arduino UNO oder ähnliche ESP8266 Module zum Testen Externe Antenne USB Netzteil Arduino IDE und ThingSpeak Account Diverses - Plastikschlauch, Draht, Blu tak

Schritt 1: Systemübersicht

Ein Arduino Uno wird verwendet, um den Schrittmotor über einen Zeitraum von 30 Minuten durch eine volle Umdrehung zu treiben. Da der Motor mehr Strom aufnimmt, als vom Uno verfügbar ist, wird die ULN2003-Treiberplatine verwendet, um den zusätzlichen Motorstrom zu liefern. Der Motor wird auf ein Stück Holz geschraubt, um eine stabile Plattform zu erhalten und ein Stück Kunststoffrohr auf die Motorspindel geschoben, das zur Montage des zu prüfenden Moduls verwendet wird. Wenn der Uno eingeschaltet wird, dreht die Motorspindel alle 30 Minuten eine volle Umdrehung. Ein ESP8266-Modul, das zur Messung der WiFi-Signalstärke (RSSI) programmiert ist, wird auf das Kunststoffrohr geklebt, so dass das Modul eine volle Umdrehung macht. Alle 20 Sekunden sendet der ESP8266 den Messwert der Signalstärke an ThingSpeak, wo das Signal in Polarkoordinaten aufgetragen wird. Der RSSI-Wert kann zwischen Chipherstellern variieren, liegt aber im Allgemeinen zwischen 0 und -100, wobei jede Einheit 1 dBm Signal entspricht. Da ich es hasse, mit negativen Zahlen umzugehen, wurde dem RSSI-Wert im Polarplot eine Konstante 100 hinzugefügt, damit die Messwerte positiv sind und höhere Werte eine bessere Signalstärke anzeigen.

Schritt 2: Schrittmotor

Der Schrittmotor 28BYJ48 wird zur Stabilität leicht mit einem Stück Holz verschraubt. Etwa 8 Zoll 1/4”-Kunststoffrohr wird auf die Schrittmotorspindel geklebt, um das zu testende Modul zu montieren. Uno, Treiberplatine und Motor sind verkabelt wie im Internet schon mehrfach beschrieben. Eine kurze Skizze in der Datei wird in das Uno geflasht, sodass sich die Röhre beim Einschalten alle 30 Minuten einen vollen Kreis dreht.

Die zum Drehen des Motors verwendete Skizze ist in der Textdatei aufgeführt, hier nichts Revolutionäres.

Schritt 3: ESP8266-Tests

Die Testmodule wurden zuerst mit einer Skizze geflasht, die alle 20 Sekunden den RSSI-Wert an ThingSpeak für eine volle Umdrehung des Schrittmotors sendet. Für jedes Modul, das durch Test A, B und C gekennzeichnet ist, wurden drei Ausrichtungen aufgetragen. In Position A ist das Modul auf der Röhrenseite mit der Antenne nach oben montiert. Mit Blick auf die Antenne zeigt die RHS der Antenne zu Beginn des Tests auf den Router. Leider wurde ich wieder von negativen Zahlen geadelt, der Motor dreht zwar im Uhrzeigersinn aber der Polarplot ist gegen den Uhrzeigersinn skaliert. Das bedeutet, dass die freie Breitseite der Antenne etwa 270 Grad zum Router zeigt. In Position B wird das Modul waagerecht auf der Oberseite des Rohres montiert. Die Antenne zeigt wie in Test A zu Beginn des Tests auf den Router. Abschließend wird das Modul wie in Test A positioniert und anschließend wird das Modul um 90 Grad im Uhrzeigersinn gedreht und montiert, um die Test-C-Position zu erhalten.

Die Textdatei enthält den erforderlichen Code, um die RSSI-Daten an ThingSpeak zu senden. Sie müssen Ihre eigenen WLAN-Details und API-Schlüssel hinzufügen, wenn Sie ThingSpeak verwenden.

Schritt 4: Ergebnisse der invertierten F-Schaltung

Das erste getestete Modul hatte eine mäanderförmige gedruckte Schaltungsantenne, die der gebräuchlichste Typ ist, da sie am billigsten herzustellen ist. Das Polardiagramm zeigt, wie sich die Signalstärke ändert, wenn das Modul gedreht wird. Denken Sie daran, dass der RSSI auf einer logarithmischen Skala basiert und daher eine Änderung von 10 RSSI-Einheiten einer 10-fachen Änderung der Signalleistung entspricht. Test A mit der Antenne an der Oberseite des Moduls liefert das höchste Signal. Außerdem ist die beste Position, wenn die Leiterplattenspur dem Router zugewandt ist. Die schlechteren Ergebnisse treten in Test B auf, wo es viel Abschirmung von den anderen Komponenten auf der Platine gibt. Test C leidet ebenfalls unter der Abschirmung der Komponenten, aber es gibt einige Positionen, an denen die Leiterplattenspur einen freien Weg zum Router hat. Die beste Möglichkeit, das Modul zu montieren, ist mit der Antenne nach oben, wobei die Leiterplattenspur zum Router zeigt. In diesem Fall können wir mit einer Signalstärke von etwa 35 Einheiten rechnen. Nicht optimale Positionen können die Signalstärke leicht um den Faktor zehn reduzieren. Normalerweise würde das Modul aus Gründen des physischen Schutzes und des Umweltschutzes in einer Box montiert werden, wir könnten erwarten, dass dies das Signal noch weiter reduziert… Ein Test für die Zukunft.

ThingSpeak benötigt ein wenig Code, um die Daten zu organisieren und die Polardiagramme zu erstellen. Diese finden Sie in der eingebetteten Textdatei.

Schritt 5: Ergebnisse der Keramikchips

Einige ESP8266-Module verwenden anstelle der Leiterbahn einen Keramikchip für die Antenne. Ich habe keine Ahnung, wie sie funktionieren, außer dass die hohe Dielektrizitätskonstante der Keramik wahrscheinlich eine Schrumpfung der physikalischen Größe ermöglicht. Der Vorteil der Chip-Antenne ist ein geringerer Platzbedarf auf Kosten der Kosten. Die Signalstärketests wurden an einem Modul mit einer Keramik-Chip-Antenne wiederholt, was die Ergebnisse im Bild ergab. Die Chip-Antenne hat Schwierigkeiten, eine Signalstärke von mehr als 30 zu erreichen, verglichen mit 35 beim PCB-Design. Vielleicht spielt die Größe doch eine Rolle? Die Montage des Moduls mit dem Chip nach oben ergibt die beste Übertragung. In Test B mit horizontal montierter Platine gibt es jedoch an bestimmten Positionen viel Abschirmung von den anderen Komponenten auf der Platine. Schließlich gibt es in Test C Positionen, an denen der Chip einen freien Weg zum Router hat und andere Zeiten, in denen Hindernisse durch andere Platinenkomponenten vorhanden sind.

Schritt 6: Ergebnisse der omnidirektionalen Antenne

Das Keramik-Chip-Modul hatte die Möglichkeit, eine externe Antenne über einen IPX-Stecker anzuschließen. Bevor der Stecker verwendet werden kann, muss ein Link verschoben werden, um den Signalweg vom Chip zur IPX-Buchse zu tauschen. Dies erwies sich als recht einfach, indem man das Glied mit einer Pinzette festhielt und dann das Glied mit einem Lötkolben erhitzte. Sobald das Lot geschmolzen ist, kann das Glied abgehoben und in die neue Position gebracht werden. Ein weiterer Tupfer mit dem Lötkolben lötet den Link wieder an die neue Position. Das Testen der Rundstrahlantenne war etwas anders. Zuerst wurde die Antenne getestet, indem sie horizontal gedreht wurde. Als nächstes wurde die Antenne in eine 45-Grad-Position eingeklickt und getestet. Schließlich wurde ein Plot mit vertikaler Antenne erstellt. Überraschenderweise war die schlechte Position eine vertikale Position für die Antenne, zumal die Routerantennen vertikal und in einer ähnlichen Ebene waren. Die besten Positionen waren mit der Antenne zwischen horizontal und 45 Grad bei einem Drehwinkel von ca. 120 Grad. Unter diesen Bedingungen erreichte die Signalstärke 40, eine deutliche Verbesserung gegenüber der ursprünglichen Chipantenne. Die Diagramme zeigen nur die geringste Ähnlichkeit mit den schön symmetrischen Donut-Diagrammen, die in Lehrbüchern für Antennen gezeigt werden. In Wirklichkeit beeinflussen viele andere bekannte und unbekannte Faktoren die Signalstärke, so dass experimentelle Messungen die beste Methode zum Testen des Systems sind.

Schritt 7: Die optimale Antenne

Als letzten Test wurde die Rundstrahlantenne um 45 Grad auf die Position mit der höchsten Signalstärke eingestellt. Diesmal wurde die Antenne nicht gedreht, sondern 30 Minuten lang der Datenaufzeichnung überlassen, um eine Vorstellung von der Messabweichung zu erhalten. Das Diagramm zeigt an, dass die Messung innerhalb von +/- 2 RSSI-Einheiten stabil ist. Alle diese Ergebnisse wurden in einem elektrisch beschäftigten Haushalt aufgenommen. Es wurde nicht versucht, DECT-Telefone, Mikrowellenherde oder andere WiFi- und Bluetooth-Geräte auszuschalten, um elektrische Störungen zu reduzieren. Dies ist die reale Welt … Dieses Instructable zeigt, wie man die Wirksamkeit der Antennen misst, die auf ESP8266 und ähnlichen Modulen verwendet werden. Eine gedruckte Spurantenne bietet im Vergleich zu einer Chipantenne eine bessere Signalstärke. Allerdings liefert erwartungsgemäß eine externe Antenne das beste Ergebnis.