Patrón de radiación ESP8266: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

El ESP8266 es un módulo de microcontrolador popular porque se puede conectar a Internet a través del WiFi integrado. Esto abre muchas oportunidades para que el aficionado cree dispositivos controlados a distancia y dispositivos de IoT con el mínimo de hardware adicional. Convenientemente, la mayoría de los módulos incorporan una antena, ya sea un circuito impreso tipo F invertido o un chip cerámico. Algunas placas incluso permiten enchufar una antena externa para un rango adicional. La mayoría de nosotros estamos familiarizados con las peculiaridades de la radio, la televisión o incluso las antenas de teléfonos celulares. Después de ajustar cuidadosamente la posición de la antena o el aparato, la señal se vuelve ruidosa justo cuando te alejas y te sientas. Desafortunadamente, el ESP8266 al ser un dispositivo inalámbrico, puede mostrar un comportamiento antisocial similar. En este Instructable se explica un método para medir el patrón de radiación del ESP8266 utilizando la intensidad de la señal RSSI informada por el módulo. Se prueban varios tipos de antenas y se resalta el punto óptimo para cada versión. Se utiliza un pequeño motor paso a paso para rotar el módulo ESP8266 360 grados durante un período de 30 minutos y una lectura RSSI promedio medida cada 20 segundos. Los datos se envían a ThingSpeak, un servicio gratuito de análisis de IoT que traza los resultados como un gráfico polar desde el que se puede resolver la dirección de la señal máxima. Este proceso se repitió para varias orientaciones del módulo ESP8266.

Suministros

Los componentes para este proyecto se encuentran fácilmente en Internet de proveedores como eBay, Amazon, etc., si aún no están en su caja de correo no deseado.

28BYJ48 5V motor paso a paso ULN2003 placa de controlador Arduino UNO o módulos ESP8266 similares para prueba Antena externa Fuente de alimentación USB Arduino IDE y cuenta ThingSpeak Misceláneas - tubo de plástico, cable, Blu tak

Paso 1: descripción general del sistema

Se utiliza un Arduino Uno para impulsar el motor paso a paso a través de una rotación completa durante un período de 30 minutos. Como el motor consume más corriente que la disponible en Uno, la placa de controlador ULN2003 se utiliza para suministrar la corriente adicional del motor. El motor se atornilla a un trozo de madera para proporcionar una plataforma estable y se empuja un tramo de tubo de plástico sobre el eje del motor que se utilizará para montar el módulo bajo prueba. Cuando se enciende el Uno, el eje del motor hace una rotación completa cada 30 minutos. Un módulo ESP8266 programado para medir la intensidad de la señal WiFi, RSSI, se pega al tubo de plástico para que el módulo haga una rotación completa. Cada 20 segundos, el ESP8266 envía la lectura de la intensidad de la señal a ThingSpeak, donde la señal se traza en coordenadas polares. La lectura del RSSI puede variar entre los fabricantes de chips, pero generalmente se encuentra entre 0 y -100 y cada unidad corresponde a 1dBm de señal. Como odio tratar con números negativos, se ha agregado una constante de 100 a la lectura de RSSI en el gráfico polar para que las lecturas sean positivas y los valores más altos indiquen una mejor intensidad de señal.

Paso 2: motor paso a paso

El motor paso a paso 28BYJ48 se atornilla ligeramente a un trozo de madera para proporcionar estabilidad. Aproximadamente 8 pulgadas de tubo de plástico de 1/4”están pegadas al eje del motor paso a paso para montar el módulo bajo prueba. El Uno, la placa del controlador y el motor están conectados como se ha descrito muchas veces en Internet. Se muestra un breve boceto en el archivo en el Uno para que el tubo gire un círculo completo cada 30 minutos cuando se encienda.

El boceto utilizado para hacer girar el motor aparece en el archivo de texto, nada revolucionario aquí.

Paso 3: Prueba ESP8266

Los módulos para la prueba se flashearon primero con un boceto que envía la lectura RSSI a ThingSpeak cada 20 segundos para una revolución completa del motor paso a paso. Se trazaron tres orientaciones para cada módulo indicadas por las pruebas A, B y C. En la posición A, el módulo está montado en el lado del tubo con la antena hacia arriba. Al mirar hacia la antena, el RHS de la antena apunta al enrutador al comienzo de la prueba. Desafortunadamente, volví a tener números negativos, el motor gira en el sentido de las agujas del reloj, pero la gráfica polar se escala en el sentido contrario a las agujas del reloj. Esto significa que el costado despejado de la antena está orientado hacia el enrutador a aproximadamente 270 grados. En la posición B, el módulo está montado horizontalmente en la parte superior del tubo. La antena apunta al enrutador como en la prueba A al comienzo de la prueba. Finalmente, el módulo se coloca como en la prueba A y luego el módulo se gira 90 grados en el sentido de las agujas del reloj y se monta para dar la posición de prueba C.

El archivo de texto proporciona el código necesario para enviar los datos RSSI a ThingSpeak. Debe agregar sus propios detalles de WiFi y clave API si usa ThingSpeak.

Paso 4: Resultados del circuito impreso F invertido

El primer módulo probado tenía una antena de circuito impreso serpenteante, que es el tipo más común porque es el más barato de fabricar. El gráfico polar muestra cómo cambia la intensidad de la señal a medida que se gira el módulo. Recuerde que el RSSI se basa en una escala logarítmica, por lo que un cambio de 10 unidades RSSI es un cambio de 10 veces en la potencia de la señal. La prueba A con la antena en la parte superior del módulo da la señal más alta. Además, la mejor posición es cuando la pista de la PCB está orientada hacia el enrutador. Los peores resultados ocurren en la prueba B, donde hay mucho blindaje de los otros componentes de la placa. La prueba C también sufre de blindaje de componentes, pero hay algunas posiciones en las que la pista de la PCB tiene un camino despejado hacia el enrutador. La mejor manera de montar el módulo es con la antena en la parte superior con la pista de la PCB mirando hacia el enrutador. En este caso, podemos esperar una intensidad de señal de unas 35 unidades. Las posiciones no óptimas pueden reducir fácilmente la intensidad de la señal en un factor de diez. Normalmente, el módulo estaría montado en una caja para protección tanto física como ambiental, podríamos esperar que esto reduzca aún más la señal… Una prueba para el futuro.

ThingSpeak necesita un poco de código para organizar los datos y hacer los diagramas polares. Esto se puede encontrar en el archivo de texto incrustado.

Paso 5: Resultados de viruta de cerámica

Algunos módulos ESP8266 utilizan un chip de cerámica para la antena en lugar de la pista del circuito impreso. No tengo idea de cómo funcionan, excepto que la alta constante dieléctrica de la cerámica probablemente permite una contracción en el tamaño físico. La ventaja del chip Antenna es que ocupa menos espacio a expensas del costo. Las pruebas de intensidad de la señal se repitieron en un módulo con una antena de chip de cerámica dando los resultados en la imagen. La antena de chip lucha por lograr una intensidad de señal superior a 30 en comparación con 35 con el diseño de PCB. ¿Quizás el tamaño importa después de todo? Montar el módulo con el chip hacia arriba proporciona la mejor transmisión. Sin embargo, en la Prueba B con la placa montada horizontalmente, hay mucho blindaje de los otros componentes de la placa en ciertas posiciones. Finalmente, en la Prueba C, hay posiciones en las que el chip tiene un camino despejado hacia el enrutador y otras ocasiones en las que hay una obstrucción de los otros componentes de la placa.

Paso 6: Resultados de la antena omnidireccional

El módulo de chip cerámico tenía la opción de conectar una antena externa a través de un conector IPX. Antes de que se pueda utilizar el conector, se debe mover un enlace para intercambiar la ruta de la señal desde el chip al conector IPX. Esto resultó bastante fácil sosteniendo el enlace con pinzas y luego calentándolo con un soldador. Una vez que la soldadura se derrita, el enlace se puede levantar y colocar en la nueva posición. Otro toque con el soldador soldará el enlace de nuevo en la nueva posición. Probar la antena omnidireccional fue ligeramente diferente. Primero se probó la antena girándola horizontalmente. A continuación, se colocó la antena en una posición de 45 grados y se probó. Finalmente, se hizo un diagrama con la antena vertical. Sorprendentemente, la peor posición fue una posición vertical para la antena, especialmente porque las antenas del enrutador eran verticales y en un plano similar. Las mejores posiciones fueron con la antena entre horizontal y 45 grados con un ángulo de rotación de aproximadamente 120 grados. En estas condiciones, la intensidad de la señal alcanzó 40, una mejora significativa con respecto a la antena de chip original. Los gráficos solo muestran el más mínimo parecido con los diagramas de anillos bellamente simétricos que se muestran en los libros de texto para antenas. En realidad, muchos otros factores, conocidos y desconocidos, influyen en la intensidad de la señal, lo que hace que la medición experimental sea la mejor manera de probar el sistema.

Paso 7: la antena óptima

Como prueba final, la antena omnidireccional se colocó a 45 grados en la posición de mayor intensidad de señal. Esta vez, la antena no se giró, sino que se dejó en el registro de datos durante 30 minutos para dar una idea de la variación de la medición. El gráfico indica que la medición es estable dentro de +/- 2 unidades RSSI. Todos estos resultados se tomaron en un hogar con mucha electricidad. No se intentó apagar los teléfonos DECT, hornos microondas u otros dispositivos WiFi y Bluetooth para reducir el ruido eléctrico. Este es el mundo real … Este Instructable muestra cómo medir la efectividad de las antenas utilizadas en ESP8266 y módulos similares. Una antena de pista impresa proporciona una mejor intensidad de señal en comparación con una antena de chip. Sin embargo, como era de esperar, una antena externa da el mejor resultado.