Radio NRF24L01 mejorada con una modificación de la antena dipolo de bricolaje: 5 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:44

La situación era que solo podía transmitir y recibir a través de 2 o 3 paredes con una distancia de aproximadamente 50 pies, usando módulos estándar nRF24L01 +. Esto fue insuficiente para mi uso previsto.

Anteriormente había intentado agregar los condensadores recomendados, pero para mí y mi hardware obtuvimos muy poca o ninguna mejora. Por lo tanto, ignórelos en las fotos.

Para mis sensores remotos, no quería la mayor parte de una unidad como un nRF24L01 + PA + LNA con un soporte SMA y una antena exterior. Entonces creé este módulo modificado.

Con este módulo RF24 modificado, podría atravesar cuatro paredes con una distancia de aproximadamente 100 pies.

Este módulo también debería casi duplicar la distancia sobre un módulo nRF24 estándar cuando se usa con aplicaciones de línea de visión; como aviones RF, quads, coches y barcos (cientos de metros). No he hecho ninguna prueba de línea de visión clara. En mis pruebas había electrodomésticos de cocina y armarios y armarios llenos de cosas entre los transceptores.

Aquí hay información detallada sobre una antena dipolo https://en.wikipedia.org/wiki/Dipole_antenna para más estudios de antenas, pruebe: https://www.arrl.org o

He estudiado un poco el diseño de antenas, pero hay tantos datos de diseño específicos y teorías en torno a un gran y creciente número de diseños de antenas (especialmente para antenas compactas de alta frecuencia), que es fácil sentirse un poco perdido en el bosque. Entonces la experimentación tiende a jugar un papel clave.

Habiendo pasado por todo esto, les doy aquí la implementación de mi modificación de diseño resultante.

Paso 1: los elementos que necesitará

Para fabricar su propio NRF24L01 + mejorado con una antena (dipolo) mejorada, necesitará:

• un módulo NRF24L01 + https://www.ebay.com/itm/191351948163 o www.ebay.com/itm/371215258056
• Soldador y artículos relacionados.
• Exact-o-knife (u otro medio para raspar las capas protectoras)
• 24ga. Alambre macizo (opcionalmente hasta 30 ga.)

Paso 2: modificar el módulo de radio

Comencé con diseños básicos de antenas dipolo y los sintonicé experimentalmente.

Algunos diseños que requieren un elemento de ¼ de longitud de onda necesitan ajustes finos debido a instancias de capacitancia, impedancia, inductancia y resonancias. No tengo los medios para medir estas características en un circuito activo de 2.4 GHz, así que hice el ajuste aparentemente necesario a través de pruebas empíricas.

En la foto aparecen algunas de mis unidades de prueba. Algunas de las huellas se quitaron, mientras soldaba, desoldaba, doblaba y volvía a doblar las posibles antenas. De esto salieron dos cosas buenas. 1) Cambio de la parte superior a la inferior para sujetar una pierna al suelo, lo que resultó ser mejor en términos mecánicos y de rendimiento. 2) Descubrí que es una buena idea unir el cable con superpegamento o pegamento caliente para aliviar la tensión (seguí doblando accidentalmente la antena durante todas las pruebas). Hecho primero, esto puede sostenerlos para soldar.

Pasos para realizar la modificación:

1. Haga dos cortes, de 1-2 mm de ancho, de las huellas cerca de la base de la antena de PCB, como se ve en la imagen de la primera imagen de arriba. Esto efectivamente saca la antena existente del circuito.
2. En el otro lado, con un cuchillo de exact-o, raspe la capa protectora sobre el borde del plano del suelo, como se indica en la segunda imagen de arriba.
3. Corta dos de 24ga. Alambres hasta aprox. 50 mm
4. Quite un par de milímetros de aislamiento de un extremo de cada cable.
5. Doble la parte desnuda en ángulo recto sobre el cable que se conectará a tierra.
6. Pegue cada cable hacia abajo (recomiende: pegamento de cena o pegamento caliente), de modo que el extremo desnudo esté listo para ser soldado; uno justo debajo de las huellas de corte, el otro en el borde del plano del suelo en la parte posterior. Los dos cables deben estar paralelos y separados por 6 mm.
7. Una vez que el pegamento esté listo, coloque pasta de fundente de soldadura donde va a soldar y luego suelde. Recomiendo usar fundente para que su soldadura se lleve a cabo rápidamente y no sobrecaliente la placa.
8. Haga dobleces nítidos en ángulo recto en los cables, alejados entre sí, por el borde de la PCB, ~ 6 mm hacia arriba desde donde termina el plano de tierra. Consulte las dos últimas imágenes de arriba. Si no ha pegado los cables, tenga mucho cuidado de no poner demasiada tensión en los puntos de soldadura.
9. Mide cada segmento de cable que corre a lo largo del borde de la tabla hasta 30 mm desde su curvatura de 90 grados y córtalos allí. Descubrí que no podía medir y cortar con precisión, así que medí y marqué con un marcador de punta de fibra fina dónde cortar.
10. Con un medidor de ohmios, verifique que el cable cerca de las huellas de la PCB de la antena antigua no tenga continuidad en ninguno de los cortes realizados en el paso 1.

Paso 3: el producto terminado

Su módulo NRF24L01 + ahora tendrá un rendimiento muy superior en cualquier proyecto en el que los use. Puede disfrutar de una mayor confiabilidad con mayor alcance o con configuraciones de potencia de radio más bajas. Debería encontrar esto así, incluso con solo modificar una radio (el transmisor o el receptor); y obtenga el doble de beneficio cuando utilice una unidad modificada en ambos extremos. Recuerde asegurarse de orientar las antenas en paralelo entre sí. Estoy implementando un proyecto con múltiples unidades de sensores remotos utilizando estas radios modificadas (orientadas verticalmente con sus patas de tierra apuntando hacia abajo), las cuales conversarán con una estación base central usando un NRF24L01 + PA + LNA y una antena externa.

Las antenas transmisora y receptora, en su proyecto, deben estar orientadas de manera similar tanto horizontal como vertical y muy preferiblemente paralelas entre sí. Además, tal vez en una orientación complementaria si sabe que tienen una preferencia direccional (esto generalmente no se indica aquí). Si sus antenas no son necesariamente diferentes físicamente, como si no estuviera usando una antena externa de alta ganancia en un extremo, entonces es mejor que las antenas sean idénticas y estén orientadas exactamente igual. Esto es para lograr la máxima confiabilidad y alcance, y dado que las antenas están montadas estacionarias.

Al final, la cantidad de mejora es un poco difícil de cuantificar; pero en mi aplicación, lo puse en un 50 a 100% sobre las versiones no modificadas. Creo que es al menos tan bueno como una unidad con una antena externa de 2.5db; pero no tan eficaz como una unidad NRF24L01 + PA + LNA.

La intención principal de este Instructable es simplemente instruir sobre cómo diseñar un NRF24L01 + modificado con una antena dipolo superior para que logre una mayor capacidad de transmisión y recepción y una mejor usabilidad en proyectos.

Eso es probablemente todo lo que le interesará a la mayoría de la gente. Con la idea: "¿Qué hago para obtener un mayor alcance utilizable de estas unidades?"

Así que en este punto … hágalo; y déjame saber tus éxitos con tus proyectos utilizando tus propias radios personalizadas.

Si desea realizar una prueba previa de su radio modificada, he incluido el software que creé para mi prueba, en un paso posterior.

Paso 4: Cómo optimicé este diseño

Ahora, para aquellos que estén interesados, continuaré compartiendo un poco sobre cómo probé y califiqué las posibles mejoras. Sin embargo, tenga en cuenta que cómo implementar las pruebas no es el enfoque de este instructivo.

Para probar cualquier Arduino o placas comparables, se puede utilizar junto con los módulos NRF24L01 +. Las versiones 01+ son necesarias con el software de prueba, tal como está escrito, porque utiliza la velocidad de transmisión de 250 KHz. Asegúrese de alimentar las radios solo con voltajes de 1.9-3.6v.

Para mi prueba de confiabilidad de rango, utilicé un pro-mini Arduino y un NRF24L01 + sin modificar como control remoto. Que simplemente recibe un paquete de datos y lo repite como un acuse de recibo. Estos se ejecutaron con 3.3V regulados.

Hice pegar este conjunto en una pequeña caja que pude colocar fácil y repetidamente en varios lugares de prueba.

Usé un Nano3.0 MCU con el NRF24L01 + modificado como transceptor principal. Este extremo estaba estacionario y proporcionaba los resultados de la prueba (a través de una pantalla LCD de 16x02 o el monitor en serie). Al principio establecí que una antena mejorada daría como resultado una mejor capacidad de transmisión y recepción. Además, obtendría los mismos resultados de prueba con una radio modificada determinada utilizada en cada extremo. Tenga en cuenta que en la prueba cada lado transmite y recibe, esto se debe a que después de una transmisión hay un acuse de recibo que debe recibirse para que se cuente como una comunicación exitosa.

Tenga en cuenta que hay muchas cosas que pueden afectar los resultados de las pruebas:

• Tocando, o casi, el módulo RF24 o sus cables.
• El cuerpo de uno en línea con la línea de transmisión.
• Los dos anteriores tienen un efecto positivo.
• Las características de la tensión de alimentación
• Sobre todo, la orientación de las antenas transmisora y receptora.
• Otro tráfico WiFi en la zona. Estos podrían causar diferencias que pueden parecer de "buen tiempo" a "condiciones tormentosas". Así que intenté probar principalmente durante las condiciones favorables. Repetiría la prueba para obtener los mejores resultados para una unidad determinada bajo prueba y luego compararía esos resultados con resultados comparables obtenidos en otras unidades de prueba.

En interiores es más difícil obtener resultados de pruebas fiables en comparación con exteriores con línea de visión. Podría obtener diferencias drásticas en los resultados moviendo la posición de una de las unidades solo unas pocas pulgadas. Esto se debe a las densidades y la composición de barreras y trayectorias de señales reflectantes. Otro factor podrían ser los patrones de intensidad de la señal de la antena, pero dudo que pueda causar diferencias drásticas en el movimiento de unos pocos centímetros de lado a lado.

Ideé un software para proporcionarme algunas estadísticas de rendimiento necesarias.

Además, configuro condiciones de prueba fijas, en la medida de lo posible. Como pegar con cinta adhesiva en un lugar marcado las antenas (Tx y Rx) colocadas con la misma orientación para cada batería de pruebas de rendimiento. Los resultados de las pruebas a continuación son un promedio combinado de múltiples pruebas de múltiples ubicaciones. En las condiciones de prueba utilizadas, una radio no modificada no pudo transmitir ningún mensaje exitoso.

Obtuve mejores resultados con 24ga. más de 30ga. cable. Los resultados fueron solo un poco mejores; digamos el 10 por ciento. Es cierto que solo probé dos instancias igualmente conectadas, y puede haber una diferencia de 1 mm en la topología total de la antena (suma de las diferencias entre los segmentos). Además, modifiqué la primera iteración usando el 30ga.; haciendo varios ajustes de 1 mm. Luego duplicó esas longitudes de cable con 24ga. sin otros experimentos comparables en longitudes con el 24 ga. Cable.

[Consulte los resultados de la Tabla 1 en la imagen de arriba]

Como quería que mis unidades encajaran en una caja pequeña que tenía, pasé de tener los cables de transmisión de la antena a 10 mm de distancia y 10 mm de largo a solo 6 mm y 6 mm, luego probé las longitudes de antena sintonizadas óptimas para esa configuración. Aquí hay un resumen resumido de los resultados de mis diversas pruebas:

[Consulte los resultados de la Tabla 2 en la imagen de arriba]

Más pruebas, con mejores equipos de medición de laboratorio, sin duda podrían diseñar y validar longitudes de segmento mejoradas (tamaño del cable y posiblemente puntos de conexión u orientación) para un rendimiento realmente óptimo de esta modificación de antena dipolo para radios nRF24.

Háganos saber si obtiene una mejora verificable (sobre una configuración de 24 ga. 6X6 mm x 30 mm). A muchos de nosotros nos gustaría aprovechar al máximo estas radios (sin agregar una antena voluminosa).

Las antenas transmisora y receptora, en su proyecto, deben estar orientadas de manera similar tanto horizontal como vertical y muy preferiblemente paralelas entre sí. Además, tal vez en una orientación complementaria si sabe que tienen una preferencia direccional (esto generalmente no se indica aquí). Si sus antenas no son necesariamente diferentes físicamente, como si no estuviera usando una antena externa de alta ganancia en un extremo, entonces es mejor que las antenas sean idénticas y estén orientadas exactamente igual. Esto es para lograr la máxima confiabilidad y alcance, y dado que las antenas están montadas estacionarias.

Paso 5: Hardware y software que utilicé en mis pruebas

Hardware que utilicé para mis pruebas 2 MCUs Arduino compatables

2 NRF24L01 +

A veces también utilicé una pantalla LCD de 16x02 (para una visualización conveniente en tiempo real. La consola en serie también se puede usar para obtener los resultados de las pruebas) un botón (para iniciar un nuevo conjunto de pruebas, de lo contrario, necesitaría pasar por una reiniciar)

Enlaces a hardware que recomendaría y usaría:

MCU: Nano V3.0 Atmega328P en eBay o Pro-Mini:

NRF24L01 + módulos https://ebay.com/itm/191351948163 y

Módulo de pantalla LCD IC2 16x02

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