Radio NRF24L01 améliorée avec une modification d'antenne dipolaire bricolage. : 5 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

La situation était que je ne pouvais émettre et recevoir qu'à travers 2 ou 3 murs à une distance d'environ 50 pieds, en utilisant des modules standard nRF24L01+. C'était insuffisant pour mon utilisation prévue.

J'avais déjà essayé d'ajouter des condensateurs recommandés, mais pour moi et mon matériel, j'ai obtenu très peu ou pas d'amélioration. Alors, veuillez les ignorer sur les photos.

Pour mes capteurs à distance, je ne voulais pas l'essentiel d'une unité comme un nRF24L01+PA+LNA avec un support SMA et une antenne extérieure. J'ai donc créé ce module modifié.

Avec ce module RF24 modifié, je pouvais traverser quatre murs à une distance d'environ 100 pieds.

Ce module devrait également presque doubler la distance par rapport à un module nRF24 standard lorsqu'il est utilisé avec des applications de visibilité directe; comme les avions RF, les quad-cuivres, les voitures et les bateaux (100 mètres). Je n'ai fait aucun test de visibilité directe. Dans mes tests, il y avait des appareils de cuisine, des armoires et des placards pleins de trucs entre les émetteurs-récepteurs.

Voici quelques informations détaillées sur une antenne dipôle https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna pour une étude plus approfondie des antennes, essayez: https://www.arrl.org ou

J'ai étudié la conception d'antennes, mais il existe tellement de données de conception spécifiques et de théories autour d'un nombre vaste et croissant de conceptions d'antennes (en particulier pour les antennes compactes à haute fréquence), qu'il est facile de se sentir un peu perdu dans les bois. L'expérimentation tend donc à jouer un rôle clé.

Après avoir parcouru tout cela, je vous donne ici la mise en œuvre de ma modification de conception résultante.

Étape 1: Les articles dont vous aurez besoin

Pour fabriquer votre propre NRF24L01+ amélioré avec une antenne (dipôle) améliorée, vous aurez besoin de:

• un module NRF24L01+ https://www.ebay.com/itm/191351948163 ou www.ebay.com/itm/371215258056
• Fer à souder et articles connexes.
• Exact-o-knife (ou autre moyen pour gratter les revêtements protecteurs)
• 24ga. Fil plein (en option jusqu'à 30ga.)

Étape 2: Modification du module radio

J'ai commencé avec des conceptions d'antennes dipôles de base et je les ai réglées expérimentalement.

Certaines conceptions qui nécessitent un élément de longueur d'onde ¼ nécessitent des ajustements précis en raison des cas de capacité, d'impédance, d'inductance et de résonances. Je n'ai pas les moyens de mesurer ces caractéristiques dans un circuit actif de 2,4 GHz, j'ai donc fait le réglage apparemment nécessaire grâce à des tests empiriques.

Sur la photo, quelques-unes de mes unités de test. Certaines des traces ont été arrachées, alors que je soudais, dessoudais, pliais et pliais des antennes potentielles. Deux bonnes choses en sont ressorties. 1) Je passe du côté supérieur au côté inférieur pour attacher une jambe au sol, ce qui s'est avéré être meilleur sur le plan mécanique et des performances. 2) J'ai trouvé que c'était une bonne idée de fixer le fil avec de la super-glue ou de la colle chaude pour soulager la traction (j'ai continué à plier accidentellement l'antenne pendant tous les tests.) Fait d'abord, cela peut les maintenir pour la soudure.

Étapes pour effectuer la modification:

1. Faites deux coupes, de 1 à 2 mm de large, des traces près de la base de l'antenne PCB, comme on le voit dans l'image la première image ci-dessus. Cela retire effectivement l'antenne existante du circuit.
2. De l'autre côté, à l'aide d'un couteau exact-o, grattez le revêtement protecteur sur le bord du plan de masse, comme indiqué dans la deuxième image ci-dessus
3. Coupez deux 24ga. Fils à env. 50mm
4. Dénudez quelques millimètres d'isolant à une extrémité de chaque fil.
5. Pliez la partie nue à angle droit sur le fil à fixer à la terre.
6. Collez chaque fil vers le bas (recommandé: colle à soupe ou colle chaude), de sorte que l'extrémité nue soit prête à être soudée; l'un juste en dessous des traces coupées, l'autre au bord du plan de masse à l'arrière. Les deux fils doivent être parallèles et distants de 6 mm.
7. Une fois la colle prise, mettez la pâte de flux à souder là où vous allez souder, puis soudez-les. Je recommande d'utiliser du flux pour que votre soudure prenne rapidement et que vous ne surchauffez pas la carte.
8. Faites des coudes à angle droit nets dans les fils, éloignés les uns des autres, par le bord du PCB, à environ 6 mm de l'endroit où se termine le plan de masse. Reportez-vous aux deux dernières images ci-dessus. Si vous n'avez pas collé vos fils, faites très attention à ne pas trop solliciter les points de soudure.
9. Mesurez chaque segment de fil longeant le bord de la planche à 30 mm de son coude à 90 degrés et coupez-les à cet endroit. J'ai découvert que je ne pouvais pas mesurer et couper avec précision, alors j'ai mesuré et marqué avec un marqueur à pointe de fibre fine où couper.
10. Avec un ohmmètre, vérifiez que le fil près des anciennes traces de PCB d'antenne n'a pas de continuité entre les coupes effectuées à l'étape 1.

Étape 3: Le produit fini

Votre module NRF24L01+ fonctionnera désormais de manière bien supérieure quel que soit le projet dans lequel vous l'utilisez. Vous pouvez profiter d'une fiabilité améliorée avec une plus grande portée ou avec des réglages de puissance radio inférieurs. Vous devriez trouver cela, même en ne modifiant qu'une seule radio (l'émetteur ou le récepteur); et récoltez deux fois plus d'avantages en utilisant une unité modifiée aux deux extrémités. N'oubliez pas de vous assurer d'orienter les antennes parallèlement les unes aux autres. Je mets en œuvre un projet avec plusieurs unités de capteurs à distance utilisant ces radios modifiées (orientées verticalement avec leurs pieds au sol pointant vers le bas), qui converseront toutes avec une station de base centrale utilisant un NRF24L01+PA+LNA et une antenne externe.

Les antennes émettrices et réceptrices de votre projet doivent être orientées de la même manière horizontale ou verticale et de préférence parallèles les unes aux autres. De plus, peut-être dans une orientation complémentaire si vous savez qu'ils ont une préférence directionnelle (ce n'est généralement pas indiqué ici). Si vos antennes ne sont pas nécessairement physiquement différentes, comme si vous n'utilisiez pas d'antenne externe à gain élevé à une extrémité, il est préférable que les antennes soient identiques et orientées exactement de la même manière. Ceci afin d'obtenir une fiabilité et une portée maximales, et étant donné que les antennes sont montées de manière fixe.

En fin de compte, le montant de l'amélioration est un peu difficile à quantifier; mais dans mon application, je l'ai mis de 50 à 100% sur les versions non modifiées. Je pense que c'est au moins aussi bon qu'une unité avec une antenne externe de 2,5 db; mais pas aussi efficace qu'une unité NRF24L01+PA+LNA.

L'intention principale de ce Instructable est simplement d'expliquer comment concevoir un NRF24L01 + modifié avec une antenne dipôle supérieure afin qu'il atteigne une plus grande capacité de transmission et de réception et une meilleure convivialité dans les projets.

C'est probablement tout ce qui intéressera la plupart des gens. Avec l'idée: « Que dois-je faire pour obtenir une plus grande portée utilisable de ces unités ? »

Donc, à ce stade… allez-y; et faites-moi part de vos réussites dans vos projets en utilisant vos propres radios personnalisées.

Si vous souhaitez pré-tester vos radios modifiées, j'ai inclus le logiciel que j'ai créé pour mes tests, dans une étape ultérieure.

Étape 4: Comment j'ai optimisé cette conception

Maintenant, pour ceux qui sont intéressés, je vais partager un peu la façon dont j'ai testé et qualifié les améliorations potentielles. Cependant, veuillez noter que la mise en œuvre des tests n'est pas l'objet de cette instructable.

Pour tester toutes les cartes Arduino ou comparables, ainsi que les modules NRF24L01+, peuvent être utilisés. Les versions 01+ sont nécessaires avec le logiciel de test, tel qu'il est écrit, car il utilise le taux de transmission de 250 KHz. Assurez-vous de n'alimenter les radios qu'avec des tensions de 1,9 à 3,6 V.

Pour mes tests de fiabilité de la portée, j'ai utilisé un Arduino pro-mini et un NRF24L01+ non modifié comme télécommande. Qui reçoit simplement un paquet de données et le renvoie en guise d'accusé de réception. Ceux-ci étaient alimentés en 3,3 V régulés.

J'avais scotché cet assemblage dans une petite boîte que je pouvais facilement, et à plusieurs reprises, positionner dans divers emplacements de test.

J'ai utilisé un MCU Nano3.0 avec le NRF24L01+ modifié comme émetteur-récepteur principal. Cette extrémité était fixe et fournissait les résultats des tests (via un écran LCD 16x02 ou le moniteur série). Dès le début, j'ai établi qu'une antenne améliorée se traduirait par une meilleure capacité d'émission et de réception. De plus, j'obtiendrais les mêmes résultats de test avec une radio modifiée donnée utilisée à chaque extrémité. Notez que dans le test, chaque côté émet et reçoit, c'est parce qu'après une transmission, il y a un accusé de réception qui doit être reçu pour qu'il soit compté comme une communication réussie.

Notez que de nombreux facteurs peuvent affecter les résultats des tests:

• Toucher, ou presque, le module RF24 ou ses fils.
• Son corps en ligne avec la ligne de transmission.
• Les deux ci-dessus ont un effet positif.
• Les caractéristiques de la tension d'alimentation
• Surtout, l'orientation des antennes émettrices et réceptrices.
• Autre trafic WiFi dans la région. Ceux-ci pourraient provoquer des différences qui peuvent ressembler à celles du « beau temps » aux « conditions orageuses ». J'ai donc essayé de tester principalement pendant les conditions favorables. Je répéterais le test pour obtenir les meilleurs résultats pour une unité donnée testée et comparerais plus tard ces résultats avec des résultats comparables obtenus sur d'autres unités de test.

Il est plus difficile d'obtenir des résultats de test fiables à l'intérieur qu'à l'extérieur avec une ligne de mire. Je pouvais obtenir des différences drastiques dans les résultats en déplaçant la position de l'une des unités de quelques centimètres seulement. Cela est dû aux densités et à la constitution de barrières et de chemins de signaux réfléchissants. Un autre facteur pourrait être les modèles d'intensité du signal d'antenne, mais je doute que cela puisse entraîner des différences drastiques dans les mouvements de quelques centimètres d'un côté à l'autre.

J'ai conçu un logiciel pour me fournir les statistiques de performances nécessaires.

De plus, j'ai configuré, autant que possible, des conditions de test. Comme scotcher à un endroit marqué les antennes (Tx & Rx) placées avec la même orientation pour chaque batterie de tests de performance. Les résultats des tests ci-dessous sont une moyenne combinée de plusieurs tests à partir de plusieurs emplacements. Dans les conditions de test utilisées, une radio non modifiée n'a pas pu faire passer de messages réussis.

J'ai obtenu les meilleurs résultats avec 24ga. plus de 30ga. câble. Les résultats n'étaient qu'un peu meilleurs; disons 10 pour cent. Certes, je n'ai essayé que deux instances également câblées, et il peut y avoir eu une différence de 1 mm dans la topologie totale de l'antenne (somme des différences entre les segments). De plus, j'ai peaufiné la première itération en utilisant le 30ga.; faire plusieurs ajustements de 1 mm. Puis dupliqué ces longueurs de fil avec 24ga. sans autres expériences comparables en longueurs avec le 24 ga. Câble.

[Voir les résultats du tableau 1 dans l'image ci-dessus]

Comme je voulais que mes unités tiennent dans un petit boîtier que j'avais, je suis passé des câbles de transmission d'antenne distants de 10 mm et longs de 10 mm à seulement 6 mm et 6 mm, puis j'ai testé les longueurs d'antenne optimales pour cette configuration. Voici un résumé des résultats de mes différents tests:

[Voir les résultats du tableau 2 dans l'image ci-dessus]

Des tests supplémentaires, avec un meilleur équipement de mesure de laboratoire, pourraient sans aucun doute concevoir et valider des longueurs de segment améliorées (taille de fil et éventuellement points de fixation ou d'orientation) pour une performance optimale réelle de cette modification d'antenne dipôle pour les radios nRF24.

Faites-nous savoir si vous obtenez une amélioration vérifiable (sur une configuration 24ga. 6X6mm x 30mm). Beaucoup d'entre nous aimeraient tirer le meilleur parti de ces radios (sans ajouter une antenne encombrante).

Les antennes de l'émetteur et du récepteur, dans votre projet, doivent être orientées de la même manière horizontale ou verticale et de préférence parallèles les unes aux autres. De plus, peut-être dans une orientation complémentaire si vous savez qu'ils ont une préférence directionnelle (ceci n'est généralement pas indiqué ici). Si vos antennes ne sont pas nécessairement physiquement différentes, comme si vous n'utilisiez pas d'antenne externe à gain élevé à une extrémité, il est préférable que les antennes soient identiques et orientées exactement de la même manière. Ceci afin d'obtenir une fiabilité et une portée maximales, et étant donné que les antennes sont montées de manière fixe.

Étape 5: Matériel et logiciel que j'ai utilisés dans mes tests

Matériel que j'ai utilisé pour mes tests de 2 MCU compatibles Arduino

2 NRF24L01+

Parfois, j'ai également utilisé un écran LCD 16x02 (pour une visualisation pratique en temps réel. La console série peut également être utilisée pour obtenir les résultats des tests) un bouton-poussoir (afin de lancer une nouvelle série de tests, sinon vous auriez besoin de passer par un redémarrage)

Liens vers le matériel que je recommanderais et utilisé:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P sur eBay ou Pro-Mini:

Modules NRF24L01+ https://ebay.com/itm/191351948163 et

Module d'affichage 16x02 LCD IC2

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