Мастерство nRF24L01: беспроводная связь, интеграция с Arduino, схемы и код

В этом уроке мы научимся делать беспроводную связь между двумя платами Arduino с использованием трансиверных модулей nRF24L01. Модуль nRF24L01 — очень популярный выбор для беспроводной связи при использовании Arduino.

Я уже использовал этот модуль для множества проектов на Arduino, и вы можете проверить некоторые из них здесь:

• DIY Arduino RC Передатчик
• Arduino RC Самолёт | 100% DIY
• DIY Arduino RC Воздушноподвижное судно
• Arduino Беспроводная метеостанция Проект

Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменный урок ниже. Он включает всё, что нам нужно знать о трансиверном модуле nRF24L01, такое как распиновка модуля, принцип работы, подключение и несколько примеров кода.

Обзор

Для объяснения беспроводной связи мы сделаем два примера: первый будет отправкой простого сообщения «Hello World» с одного Arduino на другой, а во втором примере у нас будет двунаправленная связь между платами Arduino, где, используя джойстик на первом Arduino, мы будем управлять сервоприводом на втором Arduino, и наоборот, используя кнопку на втором Arduino, мы будем управлять светодиодом на первом Arduino.

Трансиверный модуль nRF24L01

Давайте посмотрим ближе на трансиверный модуль NRF24L01. Он использует диапазон 2.4 GHz и может работать с скоростями от 250 кбит/с до 2 Мбит/с. Если используется в открытом пространстве и с низкой скоростью, его диапазон может достигать до 100 метров.

Вот полные спецификации:

Как это работает

Модуль может использовать 125 разных каналов, что даёт возможность иметь сеть из 125 независимо работающих модемов в одном месте. Каждый канал может иметь до 6 адресов, или каждый блок может общаться с до 6 другими блоками одновременно.

Потребление энергии этого модуля составляет всего около 12 мА во время передачи, что даже ниже, чем у одного светодиода. Рабочее напряжение модуля от 1.9 до 3.6 В, но хорошая новость в том, что другие выводы терпят 5В логику, поэтому мы можем легко подключить его к Arduino без использования любых конвертеров логических уровней.

Три из этих выводов для SPI-соединения и их нужно подключить к SPI-выводам Arduino, но заметьте, что у каждой платы Arduino разные SPI-выводы. Выводы CSN и CE могут быть подключены к любому цифровому выводу платы Arduino и они используются для установки модуля в режим ожидания или активный режим, а также для переключения между режимом передачи или командным режимом. Последний вывод — прерывания, который не обязательно использовать.

Вариации модуля

Существует несколько вариаций модулей NRF24L01. Самый популярный — с наборной антенной. Это делает модуль более компактным, но с другой стороны, снижает дальность передачи до расстояния около 100 метров.

Вторая вариация, вместо наборной антенны, имеет SMA-разъём, к которому можно подключить «утку» антенну для лучшей дальности передачи.

Третья вариация, показанная здесь, в дополнение к «утке» антенне, имеет чип RFX2401C, который включает PA (Усилитель мощности) и LNA (Низкошумящий усилитель). Это усиливает сигнал NRF24L01 и обеспечивает ещё лучшую дальность передачи до 1000 метров в открытом пространстве.

Распиновка модуля nRF24L01

Вот подробный взгляд на распиновку NRF24L01, а также модуля NRF24L01+ PA/LNA.

Оба модуля, NRF24L01 и NRF24L01+ PA/LNA, имеют одинаковую распиновку, поэтому мы можем подключать их в нашей схеме одинаково.

Как подключить nRF24L01 к Arduino

Вот как нам нужно подключить модули NRF24L01 к платам Arduino.

Как я уже упоминал, у каждой платы Arduino разные SPI-выводы, так что имейте это в виду при подключении модулей к вашей плате Arduino.

Вы можете получить компоненты, необходимые для этого урока Arduino, по ссылкам ниже:

• Трансиверный модуль NRF24L01………
• Плата Arduino ………………………………
• Макетная плата и перемычки …………

Код Arduino и nRF24L01

Как только мы подключим модули NRF24L01 к платам Arduino, мы готовы сделать коды для передатчика и приёмника.

Сначала нам нужно скачать и установить библиотеку RF24, которая делает программирование менее сложным. Мы также можем установить эту библиотеку напрямую из Менеджера библиотек Arduino IDE. Просто поищите «rf24» и найдите и установите ту, что от «TMRh20, Avamander».

Вот два кода для беспроводной связи и ниже их описание.

Код передатчика

/* * Arduino Wireless Communication Tutorial * Example 1 - Transmitter Code * * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com * * Library: TMRh20/RF24, https://github.com/tmrh20/RF24/ */ #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> RF24 radio(7, 8); // CE, CSN const byte address[6] = "00001"; void setup() { radio.begin(); radio.openWritingPipe(address); radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); radio.stopListening(); } void loop() { const char text[] = "Hello World"; radio.write(&text, sizeof(text)); delay(1000); }

Код приёмника

/* * Arduino Wireless Communication Tutorial * Example 1 - Receiver Code * * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com * * Library: TMRh20/RF24, https://github.com/tmrh20/RF24/ */ #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> RF24 radio(7, 8); // CE, CSN const byte address[6] = "00001"; void setup() { Serial.begin(9600); radio.begin(); radio.openReadingPipe(0, address); radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); radio.startListening(); } void loop() { if (radio.available()) { char text[32] = ""; radio.read(&text, sizeof(text)); Serial.println(text); } }

Описание кода

Итак, нам нужно подключить базовую SPI и только что установленную библиотеку RF24 и создать объект RF24. Два аргумента здесь — это выводы CSN и CE.

RF24 radio(7, 8); // CE, CSN

Далее нам нужно создать байтовый массив, который будет представлять адрес, или так называемый канал, через который два модуля будут общаться.

const byte address[6] = "00001";

Мы можем изменить значение этого адреса на любую 5-буквенную строку, и это позволяет выбрать, с каким приёмником мы будем говорить, так что в нашем случае у нас будет тот же адрес и у приёмника, и у передатчика.

В разделе setup нам нужно инициализировать объект radio и, используя функцию radio.openWritingPipe(), установить адрес приёмника, которому мы отправим данные, 5-буквенную строку, которую мы ранее установили.

radio.openWritingPipe(address);

С другой стороны, у приёмника, используя функцию radio.openReadingPipe(), мы устанавливаем тот же адрес и тем самым включаем связь между двумя модулями.

radio.openReadingPipe(0, address);

Затем, используя функцию radio.setPALevel(), мы устанавливаем уровень усилителя мощности, в нашем случае я установлю его на минимум, так как мои модули очень близки друг к другу.

radio.setPALevel(RF24_PA_MIN);

Обратите внимание, что при использовании более высокого уровня рекомендуется использовать обходные конденсаторы между GND и 3.3V модулей, чтобы у них было более стабильное напряжение во время работы.

Далее у нас есть функция radio.stopListening(), которая устанавливает модуль как передатчик, и с другой стороны у нас есть функция radio.startListening(), которая устанавливает модуль как приёмник.

// на Передатчике radio.stopListening();

// на Приёмнике radio.startListening();

В разделе loop, у передатчика, мы создаём массив символов, которому присваиваем сообщение «Hello World». Используя функцию radio.write(), мы отправим это сообщение приёмнику. Первый аргумент здесь — переменная, которую мы хотим отправить.

void loop() { const char text[] = "Hello World"; radio.write(&text, sizeof(text)); delay(1000); }

Используя «&» перед именем переменной, мы фактически устанавливаем указатель на переменную, которая хранит данные, которые мы хотим отправить, и используя второй аргумент мы устанавливаем количество байтов, которые мы хотим взять из этой переменной. В этом случае функция sizeof() получает все байты строки «text». В конце программы мы добавим задержку 1 секунду.

Используя функцию radio.write(), мы можем отправить максимум 32 байта за раз.

С другой стороны, у приёмника, в разделе loop, используя функцию radio.available(), мы проверяем, есть ли данные для приёма. Если это правда, сначала мы создаём массив из 32 элементов, называемый «text», в котором сохраним входящие данные.

void loop() { if (radio.available()) { char text[32] = ""; radio.read(&text, sizeof(text)); Serial.println(text); } }

Используя функцию radio.read(), мы читаем и сохраняем данные в переменную «text». В конце мы просто печатаем текст на серийном мониторе. Так что как только мы загрузим обе программы, мы можем запустить серийный монитор у приёмника и заметим, что сообщение «Hello World» печатается каждую секунду.

Устранение неисправностей

Стоит отметить, что шум питания — одна из самых частых проблем, с которыми люди сталкиваются при попытке установить успешную связь с модулями NRF24L01. Обычно схемы РЧ или радиочастотные сигналы чувствительны к шуму питания. Поэтому всегда хорошая идея включить развязывающий конденсатор по линии питания. Конденсатор может быть от 10 мкФ до 100 мкФ.

Другая частая проблема — вывод 3.3В плат Arduino не всегда может обеспечить достаточно питания для модуля NRF24L01. Поэтому питание модуля от внешнего источника также хорошая идея.

Двунаправленная беспроводная связь с двумя NRF24L01 и Arduino

Давайте посмотрим второй пример, двунаправленную беспроводную связь между двумя платами Arduino. Вот схема соединений:

Вы можете получить компоненты, необходимые для этого примера, по ссылкам ниже:

• Трансиверный модуль NRF24L01…………
• Плата Arduino………………………………….
• Модуль джойстика ……………………………….
• Сервопривод …………………………………….
• Кнопка ……………………………………..
• Светодиод …………………………………………………

Исходный код nRF24L01

Вот два кода и их описание ниже.

Код передатчика

/* * Arduino Wireless Communication Tutorial * Example 2 - Transmitter Code * * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com * * Library: TMRh20/RF24, https://github.com/tmrh20/RF24/ */ #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> #define led 12 RF24 radio(7, 8); // CE, CSN const byte addresses[][6] = {"00001", "00002"}; boolean buttonState = 0; void setup() { pinMode(12, OUTPUT); radio.begin(); radio.openWritingPipe(addresses[1]); // 00002 radio.openReadingPipe(1, addresses[0]); // 00001 radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); } void loop() { delay(5); radio.stopListening(); int potValue = analogRead(A0); int angleValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 180); radio.write(&angleValue, sizeof(angleValue)); delay(5); radio.startListening(); while (!radio.available()); radio.read(&buttonState, sizeof(buttonState)); if (buttonState == HIGH) { digitalWrite(led, HIGH); } else { digitalWrite(led, LOW); } }

Код приёмника

/* * Arduino Wireless Communication Tutorial * Example 2 - Receiver Code * * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com * * Library: TMRh20/RF24, https://github.com/tmrh20/RF24/ */ #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> #include <Servo.h> #define button 4 RF24 radio(7, 8); // CE, CSN const byte addresses[][6] = {"00001", "00002"}; Servo myServo; boolean buttonState = 0; void setup() { pinMode(button, INPUT); myServo.attach(5); radio.begin(); radio.openWritingPipe(addresses[0]); // 00001 radio.openReadingPipe(1, addresses[1]); // 00002 radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); } void loop() { delay(5); radio.startListening(); if ( radio.available()) { while (radio.available()) { int angleV = 0; radio.read(&angleV, sizeof(angleV)); myServo.write(angleV); } delay(5); radio.stopListening(); buttonState = digitalRead(button); radio.write(&buttonState, sizeof(buttonState)); } }

Что отличается здесь от предыдущего примера — нам нужно создать два канала или адреса для двунаправленной связи.

const byte addresses[][6] = {"00001", "00002"};

В разделе setup нам нужно определить оба канала, и заметьте, что адрес записи у первого Arduino должен быть адресом чтения у второго Arduino, и наоборот, адрес чтения у первого Arduino должен быть адресом записи у второго Arduino.

// на Передатчике radio.openWritingPipe(addresses[1]); // 00001 radio.openReadingPipe(1, addresses[0]); // 00002

// на Приёмнике radio.openWritingPipe(addresses[0]); // 00002 radio.openReadingPipe(1, addresses[1]); // 00001

В разделе loop, используя функцию radio.stopListening(), мы устанавливаем первый Arduino как передатчик, считываем и маппим значение джойстика от 0 до 180, и используя функцию radio.write() отправляем данные приёмнику.

radio.stopListening(); int potValue = analogRead(A0); int angleValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 180); radio.write(&angleValue, sizeof(angleValue));

С другой стороны, используя функцию radio.startListening(), мы устанавливаем второй Arduino как приёмник и проверяем, есть ли доступные данные. Пока есть доступные данные, мы будем их читать, сохранять в переменную «angleV» и затем использовать это значение для поворота сервопривода.

radio.startListening(); if ( radio.available()) { while (radio.available()) { int angleV = 0; radio.read(&angleV, sizeof(angleV)); myServo.write(angleV); }

Далее, у передатчика, мы устанавливаем первый Arduino как приёмник и с пустым циклом «while» ждём, пока второй Arduino отправит данные, и это данные о состоянии кнопки — нажата ли она или нет. Если кнопка нажата, светодиод загорится. Так этот процесс постоянно повторяется и обе платы Arduino постоянно отправляют и принимают данные.

Пример 3 – Отправка нескольких переменных в одном пакете

Давайте посмотрим на ещё один пример кода с использованием модулей NRF24L01. Всё остаётся тем же, как в предыдущих примерах, за исключением способа структурирования и отправки данных.

Код передатчика

/* Arduino Wireless Communication Tutorial Example 1 - Transmitter Code by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com Library: TMRh20/RF24, https://github.com/tmrh20/RF24/ */ #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> RF24 radio(7, 8); // CE, CSN const byte address[6] = "00001"; // Макс. размер этой структуры 32 байта - лимит буфера NRF24L01 struct Data_Package { byte a = 0; byte b = 125; byte c = 255; int d = 1024; float e = 3.141592; String f = "Test"; }; Data_Package data; // Создать переменную с вышеуказанной структурой void setup() { radio.begin(); radio.openWritingPipe(address); radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); radio.stopListening(); } void loop() { // Отправить все данные из структуры приёмнику radio.write(&data, sizeof(Data_Package)); delay(500); }

Итак, мы можем создать структуру (struct), которая фактически является коллекцией различных типов переменных.

// Макс. размер этой структуры 32 байта - лимит буфера NRF24L01 struct Data_Package { byte a = 0; byte b = 125; byte c = 255; int d = 1024; float e = 3.141592; String f = "Test"; }; Data_Package data; // Создать переменную с вышеуказанной структурой

Мы должны помнить, что максимальный размер этих структурных данных может быть 32 байта. Здесь мы видим, что я включил три переменные типа byte, одну целочисленную переменную (4 байта), одну переменную float (4 байта) и одну String, содержащую четыре символа (4 байта). Всего 15 байт.

Код приёмника

/* Arduino Wireless Communication Tutorial Example 1 - Receiver Code by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com Library: TMRh20/RF24, https://github.com/tmrh20/RF24/ */ #include <SPI.h> #include <nRF24L01.h> #include <RF24.h> RF24 radio(7, 8); // CE, CSN const byte address[6] = "00001"; // Макс. размер этой структуры 32 байта - лимит буфера NRF24L01 struct Data_Package { byte a = 0; byte b = 125; byte c = 255; int d = 1024; float e = 3.141592; String f = "Test"; }; Data_Package data; //Создать переменную с вышеуказанной структурой void setup() { Serial.begin(9600); radio.begin(); radio.openReadingPipe(0, address); radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); radio.startListening(); } void loop() { // Проверить, есть ли данные для приёма if (radio.available()) { radio.read(&data, sizeof(Data_Package)); // Прочитать все данные и сохранить в структуру 'data' } Serial.print("a: "); Serial.print(data.a); Serial.print(" b: "); Serial.print(data.b); Serial.print(" c: "); Serial.print(data.c); Serial.print(" d: "); Serial.print(data.d); Serial.print(" e: "); Serial.print(data.e); Serial.print(" f: "); Serial.println(data.f); }

На стороне приёмника мы должны определить ту же структуру данных, чтобы иметь возможность принять входящие данные. Для проверки того, работает ли беспроводная связь правильно, я напечатал каждую переменную на серийном мониторе.

Заключение

Модуль NRF24L01 — отличный вариант, когда вам нужна беспроводная связь для вашего проекта Arduino. Я уже использовал этот модуль во многих своих проектах на Arduino.

Здесь я перечислю все мои проекты, в которых я использовал эти модули.

• Arduino Робот-машина Беспроводное управление с HC-05 Bluetooth, NRF24L01 и HC-12 Трансиверными модулями
• Arduino Беспроводная метеостанция Проект
• DIY Arduino RC Передатчик
• Arduino Муравьеподобный Hexapod Робот
• DIY Arduino RC Воздушноподвижное судно
• Arduino Mecanum Wheels Робот
• DIY Arduino RC Приёмник для RC Моделей и Arduino Проектов
• Arduino RC Самолёт | 100% DIY

Каждый из этих проектов/уроков имеет подробное объяснение того, как использовать модуль NRF24L01, включая схемы соединений, улучшенную реализацию кода для лучшей связи и так далее.

Мой любимый проект — это самодельный Arduino RC Передатчик. На самом деле это 14-канальный RC-контроллер, который можно использовать для управления практически любым Arduino Проектом.

Это всё для этого урока, надеюсь, вам понравилось и вы узнали что-то новое. Как всегда, не стесняйтесь задавать любые вопросы в комментариях ниже.