วิทยุ NRF24L01 ที่ปรับปรุงแล้วด้วยการดัดแปลงเสาอากาศไดโพล DIY: 5 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

สถานการณ์คือฉันสามารถส่งและรับผ่าน 2 หรือ 3 กำแพงในระยะทางประมาณ 50 ฟุตโดยใช้โมดูล nRF24L01+ มาตรฐาน นี่ไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานที่ฉันตั้งใจไว้

ก่อนหน้านี้ฉันได้ลองเพิ่มตัวเก็บประจุที่แนะนำ แต่สำหรับฉันและฮาร์ดแวร์ของฉันได้รับการปรับปรุงเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย ดังนั้นโปรดละเว้นพวกเขาในภาพถ่าย

สำหรับเซ็นเซอร์ระยะไกลของฉัน ฉันไม่ต้องการให้มียูนิตจำนวนมาก เช่น nRF24L01+PA+LNA ที่มีตัวยึด SMA และเสาอากาศภายนอก ดังนั้นฉันจึงสร้างโมดูลที่ดัดแปลงนี้

ด้วยโมดูล RF24 ที่ปรับเปลี่ยนนี้ ฉันสามารถทะลุผ่านกำแพงทั้งสี่ที่มีระยะทางประมาณ 100 ฟุต

โมดูลนี้ควรเพิ่มระยะทางเกือบสองเท่าของโมดูล nRF24 มาตรฐานเมื่อใช้กับแอปพลิเคชันในแนวสายตา เช่น เครื่องบิน RF, quad-coppers, รถยนต์และเรือ (100 เมตร) ฉันไม่ได้ทำการทดสอบสายตาที่ชัดเจน ในการทดสอบของฉัน มีเครื่องใช้ในครัว ตู้ และตู้เสื้อผ้าที่เต็มไปด้วยสิ่งของระหว่างเครื่องรับส่งสัญญาณ

นี่คือข้อมูลเชิงลึกบางส่วนเกี่ยวกับเสาอากาศไดโพล https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna สำหรับการศึกษาเสาอากาศเพิ่มเติม: https://www.arrl.org หรือ

ฉันได้ศึกษาการออกแบบเสาอากาศมาบ้างแล้ว แต่มีข้อมูลการออกแบบและทฤษฎีที่เฉพาะเจาะจงมากมายเกี่ยวกับการออกแบบเสาอากาศจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ (โดยเฉพาะสำหรับเสาอากาศขนาดกะทัดรัดที่มีความถี่สูง) ซึ่งง่ายต่อการรู้สึกว่าหลงทางอยู่ในป่า ดังนั้นการทดลองจึงมีบทบาทสำคัญ

เมื่อได้ดำเนินการทั้งหมดนี้แล้ว ฉันให้คุณดำเนินการแก้ไขการออกแบบที่เป็นผลสำเร็จได้ที่นี่

ขั้นตอนที่ 1: รายการที่คุณต้องการ

ในการสร้าง NRF24L01+ ที่ปรับปรุงแล้วของคุณเองด้วยเสาอากาศ (ไดโพล) ที่ปรับปรุงแล้ว คุณจะต้อง:

• โมดูล NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 หรือ www.ebay.com/itm/371215258056
• หัวแร้งและรายการที่เกี่ยวข้อง
• มีดที่แน่นอน (หรือวิธีการอื่นในการขูดเคลือบป้องกัน)
• 24ก. ลวดแข็ง (ตัวเลือกสูงสุด 30ga.)

ขั้นตอนที่ 2: การปรับเปลี่ยนโมดูลวิทยุ

ฉันเริ่มต้นด้วยการออกแบบเสาอากาศไดโพลพื้นฐานและทดลองปรับจูนพวกมัน

การออกแบบบางอย่างที่ต้องใช้องค์ประกอบความยาวคลื่น ¼ จำเป็นต้องมีการปรับอย่างละเอียดเนื่องจากอินสแตนซ์ของความจุ อิมพีแดนซ์ ตัวเหนี่ยวนำ และเรโซแนนซ์ ฉันไม่มีวิธีวัดคุณสมบัติเหล่านี้ในวงจร 2.4 GHz ที่ทำงานอยู่ ดังนั้นฉันจึงทำการปรับเปลี่ยนที่จำเป็นอย่างเห็นได้ชัดผ่านการทดสอบเชิงประจักษ์

ภาพเป็นหน่วยทดสอบบางส่วนของฉัน ร่องรอยบางส่วนถูกดึงออกในขณะที่ฉันบัดกรีเสาอากาศที่ยังไม่ได้บัดกรีงอ & งอใหม่ สองสิ่งที่ดีออกมาจากสิ่งนี้ 1) ฉันเปลี่ยนจากด้านบนไปด้านล่างเพื่อติดขาข้างหนึ่งกับพื้น ซึ่งกลายเป็นว่ามีประสิทธิภาพทางกลไกและประสิทธิภาพที่ดีขึ้น 2) ฉันพบว่าควรติดลวดด้วยกาวซุปเปอร์กาวหรือกาวร้อนเพื่อลดแรงตึง (ฉันเผลองอเสาอากาศไปโดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างการทดสอบทั้งหมด) เสร็จสิ้นก่อน วิธีนี้ใช้สำหรับบัดกรี

ขั้นตอนในการปรับเปลี่ยน:

1. ทำรอยสองรอยกว้าง 1-2 มม. ใกล้กับฐานของเสาอากาศ PCB ดังที่เห็นในภาพแรกภาพด้านบน สิ่งนี้จะนำเสาอากาศที่มีอยู่ออกจากวงจรอย่างมีประสิทธิภาพ
2. อีกด้านหนึ่ง ใช้มีดที่มีความแม่นยำ o ขูดสารเคลือบป้องกันเหนือขอบระนาบพื้นตามที่ระบุในภาพที่สองด้านบน
3. ตัดสอง 24ga. สายไฟประมาณ 50mm
4. ลอกฉนวนสองสามมิลลิเมตรออกจากปลายด้านหนึ่งของเส้นลวดแต่ละเส้น
5. งอส่วนที่เปลือยเปล่าเป็นมุมฉากบนเส้นลวดเพื่อยึดกับพื้น
6. กาวลวดแต่ละเส้นลง (แนะนำ: กาวอาหารมื้อเย็นหรือกาวร้อน) เพื่อให้ปลายเปล่าพร้อมที่จะบัดกรี อันหนึ่งอยู่ใต้รอยตัด อีกอันหนึ่งอยู่ที่ขอบระนาบพื้นด้านหลัง ลวดทั้งสองต้องวางขนานกันและห่างกัน 6 มม.
7. เมื่อกาวเซ็ตตัวแล้ว ให้วางฟลักซ์บัดกรีในจุดที่คุณจะบัดกรี จากนั้นจึงบัดกรี ฉันแนะนำให้ใช้ฟลักซ์เพื่อให้การบัดกรีของคุณใช้เวลาอย่างรวดเร็วและคุณจะไม่ทำให้บอร์ดร้อนเกินไป
8. ทำมุมฉากให้โค้งงอในสายไฟโดยห่างจากกันที่ขอบของ PCB ประมาณ 6 มม. จากจุดที่ระนาบพื้นสิ้นสุด อ้างถึงสองภาพสุดท้ายด้านบน หากคุณไม่ได้ติดสายไฟไว้ ให้ระมัดระวังเป็นพิเศษอย่าทำให้จุดบัดกรีมีแรงกดมากเกินไป
9. วัดส่วนของเส้นลวดแต่ละเส้นที่วิ่งไปตามขอบของกระดานจนถึง 30 มม. จากส่วนโค้ง 90 องศาแล้วตัดออก ฉันค้นพบว่าไม่สามารถวัดและตัดได้อย่างแม่นยำ ฉันจึงวัดและทำเครื่องหมายด้วยปากกามาร์คเกอร์ปลายไฟเบอร์ละเอียดที่จะตัด
10. ด้วยการตรวจสอบโอห์มมิเตอร์เพื่อให้แน่ใจว่าสายไฟใกล้กับเส้น PCB เสาอากาศเก่าไม่ต่อเนื่องในการตัดขั้นตอนที่ 1 อย่างใดอย่างหนึ่ง

ขั้นตอนที่ 3: ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

โมดูล NRF24L01+ ของคุณจะทำงานได้ดีกว่าในทุกโครงการที่คุณใช้ คุณสามารถเพลิดเพลินกับความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นด้วยช่วงที่กว้างขึ้นหรือด้วยการตั้งค่าพลังงานวิทยุที่ต่ำกว่า คุณควรพบสิ่งนี้ แม้จะแก้ไขวิทยุเพียงตัวเดียว (เครื่องส่งหรือเครื่องรับ) และเก็บเกี่ยวผลประโยชน์สองเท่าเมื่อใช้หน่วยดัดแปลงที่ปลายทั้งสองข้าง อย่าลืมวางเสาอากาศให้ขนานกัน ฉันกำลังดำเนินโครงการที่มีหน่วยเซ็นเซอร์ระยะไกลหลายตัวที่ใช้วิทยุดัดแปลงเหล่านี้ (ในแนวตั้งโดยให้ขาพื้นชี้ลง) ซึ่งทั้งหมดจะสนทนากับสถานีฐานกลางโดยใช้ NRF24L01+PA+LNA และเสาอากาศภายนอก

เสาอากาศตัวส่งและตัวรับ ในโครงการของคุณต้องวางแนวเดียวกันทั้งในแนวนอนหรือแนวตั้ง และควรขนานกันอย่างยิ่ง นอกจากนี้ อาจเป็นการปฐมนิเทศฟรีหากคุณรู้ว่าพวกเขามีการกำหนดทิศทางที่ต้องการ (โดยทั่วไปไม่ได้ระบุไว้ที่นี่) หากเสาอากาศของคุณไม่ได้มีความแตกต่างทางกายภาพเสมอไป เช่น คุณไม่ได้ใช้เสาอากาศภายนอกอัตราขยายสูงที่ปลายด้านหนึ่ง จะเป็นการดีที่สุดที่เสาอากาศจะเหมือนกันและมีการวางแนวเหมือนกันทุกประการ ทั้งนี้เพื่อให้เกิดความน่าเชื่อถือและช่วงสูงสุด และเมื่อติดตั้งเสาอากาศไว้กับที่

ในท้ายที่สุด จำนวนของการปรับปรุงก็ยากที่จะหาจำนวนได้ แต่ในใบสมัครของฉัน ฉันใส่มันไว้ที่ 50 ถึง 100% เมื่อเทียบกับเวอร์ชันที่ไม่ได้แก้ไข ฉันคิดว่าอย่างน้อยมันก็ดีพอๆ กับยูนิตที่มีเสาอากาศภายนอก 2.5db; แต่ไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับยูนิต NRF24L01+PA+LNA

จุดประสงค์หลักของคำแนะนำนี้คือเพียงเพื่อแนะนำวิธีประดิษฐ์ NRF24L01+ ที่ดัดแปลงด้วยเสาอากาศไดโพลที่เหนือกว่า เพื่อให้สามารถรับและส่งสัญญาณได้ดีขึ้นและใช้งานได้ดียิ่งขึ้นในโครงการ

นั่นอาจเป็นสิ่งที่คนส่วนใหญ่สนใจ ด้วยแนวคิด: “ฉันจะทำอย่างไรเพื่อให้ได้ระยะการใช้งานที่มากขึ้นจากยูนิตเหล่านี้”

ดังนั้น ณ จุดนี้ … มีที่มัน; และแจ้งให้เราทราบถึงความสำเร็จของคุณกับโครงการของคุณโดยใช้วิทยุที่คุณกำหนดเอง

หากคุณต้องการทดสอบวิทยุที่ดัดแปลงไว้ล่วงหน้า ฉันได้รวมซอฟต์แวร์ที่ฉันสร้างขึ้นสำหรับการทดสอบไว้แล้วในขั้นตอนต่อไป

ขั้นตอนที่ 4: ฉันเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบนี้อย่างไร

ตอนนี้สำหรับผู้ที่สนใจ ฉันจะแบ่งปันเล็กน้อยเกี่ยวกับวิธีการทดสอบของฉันและการปรับปรุงที่จะผ่านการรับรอง อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าวิธีการใช้การทดสอบไม่ใช่จุดสนใจของคำแนะนำนี้

สำหรับการทดสอบ Arduino หรือบอร์ดที่เทียบเคียงได้ ร่วมกับโมดูล NRF24L01+ ก็สามารถใช้ได้ ซอฟต์แวร์ทดสอบต้องใช้เวอร์ชัน 01+ ตามที่เขียน เนื่องจากใช้อัตราการส่ง 250KHz ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้จ่ายไฟให้กับวิทยุที่มีแรงดันไฟฟ้า 1.9-3.6v เท่านั้น

สำหรับการทดสอบความน่าเชื่อถือในช่วงของฉัน ฉันใช้ Arduino pro-mini และ NRF24L01+ ที่ไม่ได้ปรับแต่งเป็นรีโมต ซึ่งเพียงแค่รับแพ็กเก็ตข้อมูลและสะท้อนกลับเป็นการตอบรับ สิ่งเหล่านี้ถูกควบคุมโดย 3.3V หมด

ฉันได้ติดเทปชุดประกอบนี้ไว้ในกล่องเล็กๆ ซึ่งฉันสามารถวางตำแหน่งในตำแหน่งทดสอบต่างๆ ได้อย่างง่ายดายและซ้ำแล้วซ้ำเล่า

ฉันใช้ Nano3.0 MCU กับ NRF24L01+ ที่แก้ไขแล้วเป็นตัวรับส่งสัญญาณหลัก จุดสิ้นสุดนี้อยู่กับที่และให้ผลการทดสอบ (ผ่านจอ LCD ขนาด 16x02 หรือจอภาพแบบอนุกรม) ก่อนหน้านี้ฉันพบว่าเสาอากาศที่ได้รับการปรับปรุงจะส่งผลให้ทั้งความสามารถในการรับและส่งสัญญาณดีขึ้น นอกจากนี้ ฉันจะได้รับผลการทดสอบเดียวกันกับวิทยุที่ดัดแปลงซึ่งใช้ที่ปลายทั้งสองข้าง โปรดทราบว่าในการทดสอบแต่ละด้านส่งและรับ นั่นเป็นเพราะหลังจากการส่งสัญญาณจะมีการรับทราบที่ต้องได้รับจึงจะนับเป็นการสื่อสารที่ประสบความสำเร็จ

โปรดทราบว่ามีหลายสิ่งหลายอย่างที่อาจส่งผลต่อผลการทดสอบ:

• การสัมผัสหรือเกือบเท่ากับโมดูล RF24 หรือสายไฟเข้ากับโมดูล
• ร่างกายอยู่ในแนวเดียวกับสายส่ง
• ทั้งสองข้างต้นมีผลในเชิงบวก
• ลักษณะแรงดันไฟฟ้า
• ที่สำคัญที่สุดคือการวางแนวของเสาอากาศตัวส่งและตัวรับ
• การรับส่งข้อมูล WiFi อื่น ๆ ในพื้นที่ สิ่งเหล่านี้อาจทำให้เกิดความแตกต่างที่สามารถรู้สึกเหมือน 'อากาศดี' ถึง 'สภาพพายุ' ดังนั้นฉันจึงพยายามทดสอบในสภาวะที่เอื้ออำนวยเป็นหลัก ฉันจะทำการทดสอบซ้ำเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดสำหรับหน่วยทดสอบที่กำหนด และต่อมาเปรียบเทียบผลลัพธ์เหล่านั้นกับผลลัพธ์ที่เปรียบเทียบได้ที่ได้รับจากหน่วยทดสอบอื่นๆ

ในร่มนั้นยากกว่าที่จะได้ผลการทดสอบที่เชื่อถือได้เมื่อเปรียบเทียบกับภายนอกอาคารด้วยสายตา ฉันจะได้ผลลัพธ์ที่ต่างกันมากโดยการย้ายตำแหน่งของหน่วยหนึ่งไปสักสองสามนิ้ว นี่เป็นเพราะความหนาแน่นและประกอบขึ้นจากสิ่งกีดขวางและเส้นทางสัญญาณสะท้อนแสง อีกปัจจัยหนึ่งอาจเป็นรูปแบบความแรงของสัญญาณเสาอากาศ แต่ฉันสงสัยว่ามันอาจทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมากในการเคลื่อนไหวสองสามนิ้วจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง

ฉันคิดค้นซอฟต์แวร์บางอย่างเพื่อให้ข้อมูลสถิติประสิทธิภาพที่จำเป็นแก่ฉัน

นอกจากนี้ ฉันยังตั้งค่าการแก้ไขเงื่อนไขการทดสอบให้มากที่สุดเท่าที่จะมากได้ เช่นเดียวกับการแปะเสาอากาศ (Tx & Rx) ลงในตำแหน่งที่ทำเครื่องหมายไว้โดยวางแนวเดียวกันสำหรับการทดสอบประสิทธิภาพแบตเตอรี่แต่ละก้อน ผลการทดสอบด้านล่างเป็นค่าเฉลี่ยรวมของการทดสอบหลายรายการจากหลายสถานที่ ภายใต้เงื่อนไขการทดสอบที่ใช้ วิทยุที่ไม่ได้แก้ไขไม่สามารถรับข้อความที่ประสบความสำเร็จได้

ฉันได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดกับ 24ga มากกว่า 30ga ลวด. ผลลัพธ์ดีขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น พูด 10 เปอร์เซ็นต์ เป็นที่ยอมรับว่าฉันพยายามเพียงสองอินสแตนซ์ที่ต่อสายเช่นเดียวกัน และอาจมีความแตกต่าง 1 มม. ในโทโพโลยีเสาอากาศทั้งหมด (ผลรวมของความแตกต่างระหว่างส่วนต่างๆ) นอกจากนี้ ฉันปรับแต่งการวนซ้ำครั้งแรกโดยใช้ 30ga.; ทำการปรับ 1 มม. หลายครั้ง จากนั้นทำซ้ำความยาวลวดเหล่านั้นด้วย 24ga โดยไม่มีการทดลองเปรียบเทียบเพิ่มเติมในความยาวกับ 24 ga ลวด.

[ดูตารางที่ 1 ผลลัพธ์ในภาพด้านบน]

เนื่องจากฉันต้องการให้ยูนิตของฉันพอดีกับเคสเล็กๆ ที่ฉันมีอยู่ ฉันจึงเปลี่ยนจากการมีสายส่งเสาอากาศห่างกัน 10 มม. และยาว 10 มม. เหลือเพียง 6 มม. และ 6 มม. จากนั้นจึงทดสอบความยาวเสาอากาศที่ปรับให้เหมาะสมที่สุดสำหรับการกำหนดค่านั้น นี่คือบทสรุปของผลลัพธ์จากการทดสอบต่างๆ ของฉัน:

[ดูตารางที่ 2 ผลลัพธ์ในภาพด้านบน]

การทดสอบเพิ่มเติมด้วยอุปกรณ์การวัดในห้องปฏิบัติการที่ดีกว่า ไม่ต้องสงสัยเลยว่าจะคิดค้นและตรวจสอบความยาวของส่วนที่ดีขึ้น (ขนาดสายไฟและจุดยึดหรือการวางแนวที่เป็นไปได้) เพื่อประสิทธิภาพสูงสุดที่แท้จริงของการปรับเปลี่ยนเสาอากาศไดโพลนี้สำหรับวิทยุ nRF24

แจ้งให้เราทราบหากคุณได้รับการปรับปรุงที่ตรวจสอบได้ (มากกว่าการกำหนดค่า 24ga. 6X6mm x 30mm) พวกเราหลายคนต้องการได้รับประโยชน์สูงสุดจากวิทยุเหล่านี้ (โดยไม่ต้องเพิ่มเสาอากาศขนาดใหญ่)

เสาอากาศตัวส่งและตัวรับ ในโครงการของคุณต้องวางแนวเดียวกันทั้งในแนวนอนหรือแนวตั้ง และควรขนานกันอย่างยิ่ง นอกจากนี้ อาจเป็นการปฐมนิเทศฟรีหากคุณรู้ว่าพวกเขามีการกำหนดทิศทางที่ต้องการ (โดยทั่วไปไม่ได้ระบุไว้ที่นี่) หากเสาอากาศของคุณไม่ได้มีความแตกต่างทางกายภาพเสมอไป เช่น คุณไม่ได้ใช้เสาอากาศภายนอกที่มีอัตราขยายสูงที่ปลายด้านหนึ่ง จะเป็นการดีที่สุดที่เสาอากาศจะเหมือนกันและมีการวางแนวเหมือนกันทุกประการ ทั้งนี้เพื่อให้เกิดความน่าเชื่อถือและช่วงสูงสุด และเมื่อติดตั้งเสาอากาศไว้กับที่

ขั้นตอนที่ 5: ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ฉันใช้ในการทดสอบของฉัน

ฮาร์ดแวร์ที่ฉันใช้ในการทดสอบ 2 MCU ที่เข้ากันได้กับ Arduino

2 NRF24L01+

ในบางครั้ง ฉันยังใช้จอ LCD a16x02 (เพื่อการดูแบบเรียลไทม์ที่สะดวก สามารถใช้คอนโซลอนุกรมเพื่อรับผลการทดสอบ) ปุ่มกด (เพื่อเริ่มการทดสอบชุดใหม่ มิฉะนั้น คุณจะต้องผ่าน เริ่มต้นใหม่)

ลิงก์ไปยังฮาร์ดแวร์ที่ฉันอยากจะแนะนำและใช้:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P บน eBay หรือ Pro-Mini:

โมดูล NRF24L01+ https://ebay.com/itm/191351948163 และ

โมดูลแสดงผล LCD IC2 ขนาด 16x02

ดาวน์โหลดไฟล์ซิปที่นี่: