Free Press

Hoe twee of meer Arduino boards draadloos met elkaar kunnen communiceren over een afstand opent veel mogelijkheden zoals het op afstand monitoren van sensor data, het besturen van robots, domotica en de lijst gaat maar door. En wanneer het neerkomt op het hebben van goedkope maar betrouwbare 2-weg RF-oplossingen, doet niemand het beter dan nRF24L01+ zendontvangermodule van Nordic Semiconductor.

nRF24L01+ (plus) zendontvangermodule kan vaak online worden verkregen voor minder dan twee dollar, waardoor het een van de meest goedkope datacommunicatie opties is die u kunt krijgen. En het beste van alles is dat deze modules superklein zijn, zodat u een draadloze interface in bijna elk project kunt opnemen.

Hardware-overzicht

Radiofrequentie

De nRF24L01+ zendontvangermodule is ontworpen om te werken in de 2,4 GHz wereldwijde ISM-frequentieband en gebruikt GFSK-modulatie voor datatransmissie. De dataoverdrachtssnelheid kan 250kbps, 1Mbps of 2Mbps zijn.

Energieverbruik

De bedrijfsspanning van de module is van 1,9 tot 3.6V, maar het goede nieuws is dat de logische pinnen 5-volt tolerant zijn, zodat wij het gemakkelijk met een Arduino of om het even welke 5V logische microcontroller kunnen verbinden zonder om het even welke logische niveauconvertor te gebruiken.

De module steunt programmeerbare outputmacht viz. 0 dBm, -6 dBm, -12 dBm of -18 dBm en verbruikt ongelooflijk rond 12 mA tijdens transmissie bij 0 dBm, die zelfs lager is dan één enkele leiden. En het beste van alles is dat hij 26 µA verbruikt in de stand-by modus en 900 nA in de uit-stand. Daarom zijn ze het draadloze apparaat bij uitstek voor low-power toepassingen.

SPI Interface

De nRF24L01+ transceivermodule communiceert via een 4-pins Serial Peripheral Interface (SPI) met een maximale datasnelheid van 10Mbps. Alle parameters zoals frequentie kanaal (125 selecteerbare kanalen), uitgangsvermogen (0 dBm, -6 dBm, -12 dBm of -18 dBm), en datasnelheid (250kbps, 1Mbps, of 2Mbps) kunnen worden geconfigureerd via de SPI interface.

De SPI bus maakt gebruik van een concept van een Master en Slave, in de meest voorkomende toepassingen is onze Arduino de Master en de nRF24L01+ transceiver module is de Slave. In tegenstelling tot de I2C bus is het aantal slaves op de SPI bus beperkt, op de Arduino Uno kunt u maximaal twee SPI slaves gebruiken, d.w.z. twee nRF24L01+ zendontvangermodules.

Hierbij de volledige specificaties:

nRF24L01+ module Vs nRF24L01+ PA/LNA module

Er zijn diverse modules beschikbaar op basis van de nRF24L01+ chip. Hieronder vindt u de populairste versies.

De eerste versie maakt gebruik van een on-board antenne. Dit maakt een compactere versie van de breakout mogelijk. De kleinere antenne betekent echter ook een lager zendbereik. Met deze versie kunt u communiceren over een afstand van 100 meter. Dat is natuurlijk buiten in een open ruimte. Het bereik binnenshuis, vooral door muren heen, zal iets kleiner zijn.

De tweede versie wordt geleverd met een SMA-connector en een duck-antenne, maar dat is niet het echte verschil. Het echte verschil is dat deze wordt geleverd met een speciale RFX2401C-chip waarin de PA, de LNA en het zend-ontvangstschakelcircuit zijn geïntegreerd. Deze bereikvergrotende chip samen met een eend-antenne helpt de module een aanzienlijk groter zendbereik te bereiken van ongeveer 1000m.

Wat is PA LNA?

De PA staat voor Power Amplifier. Het versterkt slechts de kracht van het signaal dat door de nRF24L01+ chip wordt uitgezonden. LNA staat voor Low-Noise Amplifier. De functie van de LNA is om het

uiterst zwakke en onzekere signaal van de antenne (gewoonlijk in de orde van microvolt of onder -100 dBm) te versterken tot een bruikbaarder niveau (gewoonlijk ongeveer 0.5 tot 1V)

De ruisarme versterker (LNA) van het ontvangstpad en de vermogensversterker (PA) van het zendpad zijn met de antenne verbonden via een duplexer, die de twee signalen scheidt en voorkomt dat de relatief krachtige PA-uitgang de gevoelige LNA-ingang overbelast. Voor meer informatie, zie dit artikel op digikey.com

Hoe werkt de nRF24L01+ zendontvangermodule?

RF-kanaalfrequentie

De nRF24L01+ zendontvangermodule zendt en ontvangt gegevens op een bepaalde frequentie die kanaal wordt genoemd. Ook om twee of meer zendontvangermodules met elkaar te laten communiceren, moeten ze op hetzelfde kanaal zitten. Dit kanaal kan elke frequentie in de 2,4 GHz ISM-band zijn of, om precies te zijn, tussen 2,400 en 2,525 GHz (2400 tot 2525 MHz).

Elk kanaal neemt een bandbreedte van minder dan 1MHz in beslag. Dit geeft ons 125 mogelijke kanalen met 1MHz tussenruimte. De module kan dus 125 verschillende kanalen gebruiken waardoor het mogelijk wordt om een netwerk van 125 onafhankelijk werkende modems op één plaats te hebben.

RF-kanaalfrequentie van het geselecteerde kanaal wordt ingesteld aan de hand van de volgende formule:

Freq(Selected) = 2400 + CH(Selected)

U selecteert bijvoorbeeld 108 als kanaal voor datatransmissie, dan wordt de RF-kanaalfrequentie van uw kanaal 2508MHz (2400 + 108)

nRF24L01+ Multiceiver Network

De nRF24L01+ beschikt over een functie genaamd Multiceiver. Het is een afkorting voor Multiple Transmitters Single Receiver. Waarbij elk RF-kanaal logisch verdeeld is in 6 parallelle datakanalen, Data Pipes genaamd. Met andere woorden, een data pijp is een logisch kanaal in het fysieke RF Kanaal. Elke data pijp heeft zijn eigen fysieke adres (Data Pipe Address) en kan worden geconfigureerd. Dit kan worden geïllustreerd aan de hand van de onderstaande afbeelding.

Om het bovenstaande schema te vereenvoudigen, kunt u zich voorstellen dat de primaire ontvanger fungeert als een hub-ontvanger die tegelijkertijd informatie van 6 verschillende zenderknooppunten verzamelt. De hub-ontvanger kan op elk moment stoppen met luisteren en fungeert dan als zender. Maar dit kan slechts één buis/node tegelijk worden gedaan.

Enhanced ShockBurst Protocol

De nRF24L01+ zendontvangermodule maakt gebruik van een pakketstructuur die bekend staat als Enhanced ShockBurst. Deze eenvoudige pakketstructuur is onderverdeeld in 5 verschillende velden, die hieronder worden geïllustreerd.

De oorspronkelijke ShockBurst-structuur bestond alleen uit Preamble, Address, Payload en de Cyclic Redundancy Check (CRC)-velden. De verbeterde ShockBurst zorgde voor een grotere functionaliteit voor meer verbeterde communicatie door gebruik te maken van een nieuw geïntroduceerd Packet Control Field (PCF).

Deze nieuwe structuur is om een aantal redenen geweldig. Ten eerste maakt zij variabele lengte payloads mogelijk met een payload length specifier, wat betekent dat payloads kunnen variëren van 1 tot 32 bytes.

Ten tweede voorziet zij elk verzonden pakket van een packet ID, waarmee het ontvangende apparaat kan bepalen of een bericht nieuw is of dat het opnieuw is verzonden (en dus kan worden genegeerd).

Ten slotte, en dat is het belangrijkste, kan elk bericht om een bevestiging vragen wanneer het door een ander apparaat wordt ontvangen.

nRF24L01+ Automatic Packet Handling

Nu gaan we drie scenario’s bespreken om beter te begrijpen hoe twee nRF24L01+ modules met elkaar communiceren.

Transactie met ontvangstbevestiging en interruptDit is een voorbeeld van een positief scenario. Hier begint de zender een communicatie door een datapakket naar de ontvanger te sturen. Zodra het hele pakket is verzonden, wacht het (ongeveer 130 µs) op het ontvangstbevestigingspakket (ACK pakket). Wanneer de ontvanger het pakket ontvangt, stuurt hij een ACK pakket naar de zender. Bij ontvangst van het ACK pakket geeft de zender een interrupt (IRQ) signaal om aan te geven dat de nieuwe gegevens beschikbaar zijn.

Transactie met verloren datapakketDit is een negatief scenario waarbij een hertransmissie nodig is vanwege het verlies van het verzonden pakket. Nadat het pakket is verzonden, wacht de zender op het ontvangen van het ACK pakket. Als de zender dit niet krijgt binnen de Auto-Retransmit-Delay (ARD) tijd, wordt het pakket opnieuw verzonden. Wanneer het opnieuw verzonden pakket door de ontvanger wordt ontvangen, wordt het ACK pakket verzonden dat op zijn beurt een interrupt genereert bij de zender.

Transactie met verloren ontvangstbevestigingDit is weer een negatief scenario waarbij een hertransmissie nodig is vanwege het verlies van het ACK pakket. Zelfs als de ontvanger het pakket in de eerste poging ontvangt, denkt de zender door het verlies van het ACK pakket dat de ontvanger het pakket helemaal niet heeft ontvangen. Dus, nadat de Auto-Retransmit-Delay tijd voorbij is, zendt hij het pakket opnieuw uit. Nu wanneer de ontvanger het pakket met zelfde pakketidentiteitskaart zoals vorig ontvangt, werpt het het en verzendt ACK opnieuw packet.

This de gehele pakketbehandeling wordt automatisch gedaan door de nRF24L01+ spaander zonder betrokkenheid van de microcontroller.

nRF24L01+ Transceiver Module Pinout

Laten we eens kijken naar de pinout van beide versies van de nRF24L01+ transceiver Module.

GND is de Ground Pin. Deze wordt meestal gemarkeerd door de pen in een vierkantje te plaatsen, zodat deze als referentie kan worden gebruikt om de andere pennen te identificeren.

VCC levert de voeding voor de module. Dit kan overal tussen 1,9 en 3,9 volt zijn. U kunt het met 3.3V output van uw Arduino verbinden. Vergeet niet dat het aansluiten op een 5V-pen uw nRF24L01+ module waarschijnlijk zal vernietigen!

CE (Chip Enable) is een actief-HIGH-pen. Wanneer geselecteerd zal de nRF24L01 ofwel zenden of ontvangen, afhankelijk van de modus waarin het zich momenteel bevindt.

CSN (Chip Select Not) is een actief-LOW pin en wordt normaal HIGH gehouden. Wanneer deze pin laag gaat, begint de nRF24L01 op zijn SPI-poort te luisteren voor data en verwerkt deze dienovereenkomstig.

SCK (Serial Clock) accepteert klokpulsen die worden geleverd door de SPI-bus Master.

MOSI (Master Out Slave In) is SPI-ingang naar de nRF24L01.

MISO (Master In Slave Out) is SPI-uitgang van de nRF24L01.

IRQ is een interrupt pin die de master kan waarschuwen wanneer nieuwe data beschikbaar is om te verwerken.

Bedrading – Aansluiten nRF24L01+ transceiver module op Arduino UNO

Nu dat we een volledig begrip hebben van hoe nRF24L01+ transceiver module werkt, kunnen we beginnen met het aansluiten op onze Arduino!

Om te beginnen, verbind VCC pin op de module met 3.3V op de Arduino en GND pin met de grond. De spelden CSN en CE kunnen met om het even welke digitale speld op Arduino worden verbonden. In ons geval, wordt het verbonden met digitaal speld#8 en #9 respectievelijk. Nu blijven wij met de spelden die voor SPI-communicatie worden gebruikt.

Zoals nRF24L01+ zendontvangermodule heel wat gegevensoverdracht vereisen, zullen zij de beste prestaties wanneer verbonden omhoog met de hardware SPI spelden op een microcontroller geven. De hardware SPI-spelden zijn veel sneller dan “bit-banging” de interfacecode die een andere reeks pins.

Noteer dat elke Arduino-Raad verschillende SPI-spelden heeft die dienovereenkomstig zouden moeten worden verbonden. Voor Arduino boards zoals de UNO/Nano V3.0 zijn die pinnen digitaal 13 (SCK), 12 (MISO) en 11 (MOSI).

Als je een Mega hebt, zijn de pinnen anders! U zult digitale 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), en 53 (SS) moeten gebruiken. Zie onderstaande tabel voor een snel begrip.

In het geval dat u een ander Arduino bord gebruikt dan hierboven vermeld, is het raadzaam om de officiële documentatie van Arduino te raadplegen alvorens verder te gaan.

Let op! Je moet twee van deze schakelingen maken. De ene werkt als zender en de andere als ontvanger. De bedrading voor beide is identiek.

Als je alles hebt aangesloten, ben je klaar om te gaan!

RF24 Arduino bibliotheek voor nRF24L01+ module

Interfacen met nRF24L01+ transceiver module is een hoop werk, maar gelukkig voor ons, zijn er een aantal bibliotheken beschikbaar. Een van de populaire bibliotheken is RF24. Deze bibliotheek bestaat al enkele jaren. Hij is eenvoudig te gebruiken voor beginners, maar biedt toch veel voor gevorderden. In onze experimenten zullen we dezelfde bibliotheek gebruiken.

Je kunt de laatste versie van de bibliotheek downloaden op de RF24 GitHub repository fork of, klik gewoon op deze knop om de zip te downloaden:

Om het te installeren, open de Arduino IDE, ga naar Sketch > Include Library > Add .ZIP Library, en selecteer dan het RF24-master bestand dat u zojuist heeft gedownload. Als u meer details wilt over het installeren van een bibliotheek, bezoek dan deze Arduino-bibliotheek installeren tutorial.

Arduino Code – Voor Zender

In ons experiment zullen we gewoon een traditionele ‘Hello World’ boodschap van de zender naar de ontvanger sturen.

Hier is de schets die we zullen gebruiken voor onze zender:

//Include Libraries#include <SPI.h>#include <nRF24L01.h>#include <RF24.h>//create an RF24 objectRF24 radio(9, 8); // CE, CSN//address through which two modules communicate.const byte address = "00001";void setup(){ radio.begin(); //set the address radio.openWritingPipe(address); //Set module as transmitter radio.stopListening();}void loop(){ //Send message to receiver const char text = "Hello World"; radio.write(&text, sizeof(text)); delay(1000);}

De schets begint met het opnemen van de bibliotheken. De bibliotheek SPI.h verzorgt de SPI-communicatie, terwijl nRF24L01.h en RF24.h de module aansturen.

//Include Libraries#include <SPI.h>#include <nRF24L01.h>#include <RF24.h>

Naar aanleiding hiervan moeten we een RF24-object aanmaken. Het object neemt twee pinnummers als parameters waarop de signalen CE en CSN worden aangesloten.

//create an RF24 objectRF24 radio(9, 8); // CE, CSN

Verder moeten we een byte array aanmaken die het pijp-adres weergeeft waardoor twee nRF24L01+ modules met elkaar communiceren.

//address through which two modules communicate.const byte address = "00001";

We kunnen de waarde van dit adres veranderen in een willekeurige 5-letter string zoals “node1”. Het adres is nodig als u een paar modules in een netwerk heeft. Dankzij het adres kun je een bepaalde module kiezen waarmee je wilt communiceren, dus in ons geval hebben we hetzelfde adres voor zowel de zender als de ontvanger.

Volgende in de setup-functie: we moeten het radio-object initialiseren met radio.begin() en met behulp van de radio.openWritingPipe()-functie stellen we het adres van de zender in.

//set the addressradio.openWritingPipe(address);

Ten slotte gebruiken we de radio.stopListening() functie die de module instelt als zender.

//Set module as transmitterradio.stopListening();

In de loop sectie: we maken een array van karakters waaraan we de boodschap “Hello World” toewijzen. Met behulp van de functie radio.write() sturen we dat bericht naar de ontvanger. Het eerste argument hier is het bericht dat we willen verzenden. Het tweede argument is het aantal bytes in dat bericht.

const char text = "Hello World";radio.write(&text, sizeof(text));

Met deze methode kunt u maximaal 32 bytes per keer versturen. Dat is namelijk de maximale grootte van een enkel pakket dat de nRF24L01+ aankan. Als u een bevestiging nodig hebt dat de ontvanger gegevens heeft ontvangen, geeft de methode radio.write() een bool-waarde terug. Als het TRUE teruggeeft, heeft de ontvanger de gegevens ontvangen. Als het FALSE retourneert, zijn de gegevens verloren gegaan.

Arduino Code – Voor ontvanger

Hier volgt de schets die we voor onze ontvanger zullen gebruiken

//Include Libraries#include <SPI.h>#include <nRF24L01.h>#include <RF24.h>//create an RF24 objectRF24 radio(9, 8); // CE, CSN//address through which two modules communicate.const byte address = "00001";void setup(){ while (!Serial); Serial.begin(9600); radio.begin(); //set the address radio.openReadingPipe(0, address); //Set module as receiver radio.startListening();}void loop(){ //Read the data if available in buffer if (radio.available()) { char text = {0}; radio.read(&text, sizeof(text)); Serial.println(text); }}

Dit programma lijkt veel op het programma van de zender op enkele wijzigingen na.

Aan het begin van de setup-functie starten we de seriële communicatie. Vervolgens stellen we met behulp van de radio.setReadingPipe() functie hetzelfde adres in als de zender en op die manier maken we de communicatie tussen zender en ontvanger mogelijk.

 //set the address radio.openReadingPipe(0, address);

Het eerste argument is het nummer van de stream. Je kunt maximaal 6 streams maken die op verschillende adressen reageren. Wij hebben alleen een adres aangemaakt voor stream nummer 0. Het tweede argument is het adres waarop de stream zal reageren om de gegevens te verzamelen.

De volgende stap is om de module in te stellen als ontvanger en te beginnen met het ontvangen van gegevens. Om dat te doen gebruiken we de functie radio.startListening(). Vanaf dat moment wacht de modem op gegevens die naar het opgegeven adres worden verzonden.

//Set module as receiver radio.startListening();

In de lusfunctie: De sketch controleert of er data op het adres is aangekomen met behulp van radio.available() methode. Deze methode geeft de waarde TRUE terug als er gegevens beschikbaar zijn in de buffer.

if (radio.available()) { char text = {0}; radio.read(&text, sizeof(text)); Serial.println(text); }

Als de gegevens zijn ontvangen, wordt een array van 32 tekens gemaakt, gevuld met nullen (later vult het programma deze met de ontvangen gegevens). Om de gegevens te lezen gebruiken we de methode radio.read (& tekst, sizeof (tekst)). Dit zal de ontvangen data opslaan in onze karakter array.

Aan het eind drukken we gewoon de ontvangen boodschap af op de seriële monitor. Als alles goed is gegaan en er geen fouten in de verbindingen zijn gemaakt, zou u iets als dit op uw seriële monitor moeten zien.

Verbetering van het bereik van de nRF24L01+ transceiver Module

Een belangrijke parameter voor een draadloos communicatiesysteem is het communicatiebereik. In vele gevallen is het de beslissende factor voor het kiezen van een RF-oplossing. Dus, laten we bespreken wat we kunnen doen om een beter bereik voor onze module te krijgen.

Reduce Power Supply Noise

Een RF-circuit dat een radiofrequentiesignaal (RF) genereert, is zeer gevoelig voor voedingsruis. Indien niet onder controle, kan de voedingsruis het bereik dat u kunt krijgen aanzienlijk verminderen.

Niet als de voedingsbron een stand-alone batterij is, is de kans groot dat er ruis optreedt bij het opwekken van de stroom. Om te voorkomen dat deze ruis het systeem binnendringt, wordt geadviseerd een filtercondensator van 10 µf over de voedingslijn te plaatsen, zo fysiek dicht mogelijk bij de nRF24L01+ module.

Een eenvoudige manier om hier overheen te komen is het gebruik van een zeer goedkope adaptermodule voor nRF24L01.

De adaptermodule heeft een 8-pins vrouwelijke connector waarmee u uw nRF24L01-module kunt inpluggen. De module is geschikt voor zowel de module met geïntegreerde antenne als de module met externe antenne (PA/LNA). Het heeft ook een 6-polige mannelijke connector voor de SPI en Interrupt aansluitingen en een 2-polige connector voor de voedingsingang.

De adapter module heeft zijn eigen 3,3 volt spanningsregelaar en een set filter condensatoren, zodat u het kunt voeden met een 5-volt voeding.

Wijzig uw kanaalfrequentie

Een andere potentiële bron van ruis voor een RF-circuit is de buitenomgeving, vooral als u naburige netwerken hebt die op hetzelfde kanaal zijn ingesteld of interferentie van andere elektronica.

Om te voorkomen dat deze signalen problemen veroorzaken, stellen we voor de hoogste 25 kanalen van uw nRF24L01+ module te gebruiken. De reden hiervoor is dat WiFi de meeste van de lagere kanalen gebruikt.

Lager Data Rate

De nRF24L01+ biedt de hoogste ontvangergevoeligheid bij 250Kbps snelheid, die -94dBm is. Maar bij een datasnelheid van 2MBps daalt de ontvangstgevoeligheid tot -82dBm. Als u deze taal spreekt, weet u dat de ontvanger bij 250Kbps bijna 10 keer gevoeliger is dan bij 2Mbps. Dat betekent dat de ontvanger een signaal kan decoderen dat 10 keer zo zwak is.

Dus, het verlagen van de datasnelheid kan het bereik dat u kunt bereiken aanzienlijk verbeteren. Ook voor de meeste van onze projecten is een snelheid van 250Kbps meer dan voldoende.

Hoger uitgangsvermogen

Het instellen van maximaal uitgangsvermogen kan ook het communicatiebereik verbeteren. De nRF24L01+ laat u een van de uitgangsvermogens kiezen, nl. 0 dBm, -6 dBm, -12 dBm of -18 dBm. Het selecteren van 0 dBm uitgangsvermogen stuurt een sterker signaal door de lucht.