Создание надежной беспроводной Mesh-сети на Arduino с модулями NRF24L01

Обзор

В этом уроке мы научимся создавать беспроводную сеть на Arduino, состоящую из нескольких трансиверов NRF24L01. В качестве примера собрана сеть из 5 узлов, каждый из которых может обмениваться данными с любым другим узлом и одновременно работать как передатчик, так и приёмник. Эта схема масштабируется до 3125 модулей на одном RF-канале. Рассмотрим, как это работает.

Создание надежной беспроводной Mesh-сети на Arduino с модулями NRF24L01

В предыдущих уроках мы уже изучали точечную связь между двумя Arduino с помощью библиотеки RF24. Теперь добавим библиотеку RF24Network, которая упрощает построение сети с множеством плат. Сетевая топология имеет древовидную структуру: один узел — базовый (master), остальные — дочерние. Каждый узел может иметь до 5 детей, глубина дерева — 5 уровней, итого максимум 3125 узлов. Адрес каждого узла — 15-битное число в восьмеричном формате, точно описывающее его положение в дереве.

Адреса задаются в восьмеричном формате: базовый узел — 00, его дети — 01–05, дети узла 01 — 011–051 и так далее. Важно: если узел 011 хочет передать данные узлу 02, пакет пройдёт через узлы 01 и 00, поэтому промежуточные узлы должны быть постоянно активны.

Простой пример: управление сервоприводом по беспроводной сети

Для понимания работы библиотеки начнём с двух узлов: потенциометр на узле 00 управляет сервоприводом на узле 01.

Код узла 00 (потенциометр)

/* Arduino Wireless Network - Multiple NRF24L01 Tutorial
   Example 01 - Servo Control / Node 00 - Potentiometer
   by Dejan, www.HowToMechatronics.com
   Libraries: nRF24/RF24, nRF24/RF24Network */
#include <RF24.h>
#include <RF24Network.h>
#include <SPI.h>

RF24 radio(10, 9);                 // CE, CSN
RF24Network network(radio);        // Включаем радио в сеть
const uint16_t this_node = 00;     // Адрес этого узла (восьмеричный)
const uint16_t node01 = 01;        // Адрес целевого узла

void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);    // (канал, адрес узла)
}

void loop() {
  network.update();                // Обязательный вызов для работы сети
  unsigned long potValue = analogRead(A0);
  unsigned long angleValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 180); // 0–180° для сервы
  RF24NetworkHeader header(node01); // Заголовок с адресом получателя
  bool ok = network.write(header, &angleValue, sizeof(angleValue)); // Отправка
}

Код узла 01 (сервопривод)

/* Arduino Wireless Network - Multiple NRF24L01 Tutorial
   Example 01 - Servo Control / Node 01 - Servo motor */
#include <RF24.h>
#include <RF24Network.h>
#include <SPI.h>
#include <Servo.h>

RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 01;
Servo myservo;

void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  myservo.attach(3);               // Пин сервопривода
}

void loop() {
  network.update();
  while (network.available()) {    // Есть входящие данные?
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long incomingData;
    network.read(header, &incomingData, sizeof(incomingData));
    myservo.write(incomingData);   // Поворачиваем серву
  }
}

Разбор: В setup() инициализируем сеть (канал 90, адрес узла). В loop() вызываем network.update() — это сердце библиотеки, обрабатывающее маршрутизацию. Отправка: создаём заголовок RF24NetworkHeader с адресом получателя и вызываем network.write(). Приём: проверяем network.available(), читаем network.read().

Основной пример: сеть из 5 узлов

Теперь построим сеть из 5 Arduino, где базовый узел управляет периферией, а периферия передаёт данные обратно и между собой.

Сценарий:

Потенциометр на базовом узле (00) → сервопривод на узле 01.
Второй потенциометр на базовом узле → 4 светодиода на узле 022.
Кнопка на базовом узле → светодиод на узле 012.
Потенциометр на узле 02 → светодиод на базовом узле (ШИМ).
ИК-датчик на узле 012 → светодиод на узле 01.

Это демонстрирует двусторонний обмен и межветвенную коммуникацию.

Код базового узла 00

/* Base / Master Node 00 */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>

#define button 2
#define led 3

RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 00;
const uint16_t node01 = 01;
const uint16_t node012 = 012;
const uint16_t node022 = 022;

void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  pinMode(button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
  network.update();

  // === Приём ===
  while (network.available()) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long incomingData;
    network.read(header, &incomingData, sizeof(incomingData));
    analogWrite(led, incomingData); // Яркость от потенциометра узла 02
  }

  // === Передача ===
  // Сервопривод на узле 01
  unsigned long potValue = analogRead(A0);
  unsigned long angleValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 180);
  RF24NetworkHeader header2(node01);
  network.write(header2, &angleValue, sizeof(angleValue));

  // Кнопка → узел 012
  unsigned long buttonState = digitalRead(button);
  RF24NetworkHeader header4(node012);
  network.write(header4, &buttonState, sizeof(buttonState));

  // Второй потенциометр → узел 022
  unsigned long pot2Value = analogRead(A1);
  RF24NetworkHeader header3(node022);
  network.write(header3, &pot2Value, sizeof(pot2Value));
}

Код узла 02 (потенциометр → базовый узел)

/* Node 02 (Child of Master 00) */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>

RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 02;
const uint16_t master00 = 00;
const unsigned long interval = 10; // мс
unsigned long last_sent;

void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
}

void loop() {
  network.update();
  unsigned long now = millis();
  if (now - last_sent >= interval) {
    last_sent = now;
    unsigned long potValue = analogRead(A0);
    unsigned long ledBrightness = map(potValue, 0, 1023, 0, 255);
    RF24NetworkHeader header(master00);
    network.write(header, &ledBrightness, sizeof(ledBrightness));
  }
}

Код узла 01 (сервопривод + светодиод от узла 012)

/* Node 01 (Child of Master 00) */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>
#include <Servo.h>

#define led 2
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 01;
const uint16_t master00 = 00;
Servo myservo;

void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  myservo.attach(3);
  pinMode(led, OUTPUT);
}

void loop() {
  network.update();
  while (network.available()) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long incomingData;
    network.read(header, &incomingData, sizeof(incomingData));
    if (header.from_node == 0) {        // От базового узла → серва
      myservo.write(incomingData);
    }
    if (header.from_node == 012) {      // От узла 012 → светодиод
      digitalWrite(led, !incomingData);
    }
  }
}

Здесь используется header.from_node для определения отправителя.

Код узла 012 (ИК-датчик → узел 01, кнопка от базы → свой светодиод)

/* Node 012 (child of Node 01) */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>

#define led 2
#define IR 3
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 012;
const uint16_t node01 = 01;

void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  pinMode(led, OUTPUT);
  pinMode(IR, INPUT);
}

void loop() {
  network.update();
  // Приём от базы (кнопка)
  while (network.available()) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long buttonState;
    network.read(header, &buttonState, sizeof(buttonState));
    digitalWrite(led, !buttonState);
  }
  // Передача ИК-данных на узел 01
  unsigned long irV = digitalRead(IR);
  RF24NetworkHeader header8(node01);
  network.write(header8, &irV, sizeof(irV));
}

Код узла 022 (4 светодиода от потенциометра базы)

/* Node 022 (child of Node 02) */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>

#define led1 2
#define led2 3
#define led3 4
#define led4 5
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 022;
const uint16_t master00 = 00;

void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  pinMode(led1, OUTPUT);
  pinMode(led2, OUTPUT);
  pinMode(led3, OUTPUT);
  pinMode(led4, OUTPUT);
}

void loop() {
  network.update();
  while (network.available()) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long potValue;
    network.read(header, &potValue, sizeof(potValue));
    // Пороговое включение светодиодов
    digitalWrite(led1, potValue > 240);
    digitalWrite(led2, potValue > 480);
    digitalWrite(led3, potValue > 720);
    digitalWrite(led4, potValue > 960);
  }
}

Заключение

Если все узлы подключены правильно и остаются активными, задача сводится к точной адресации — всю сложную работу по маршрутизации и повторной передаче берет на себя библиотека RF24Network. Это мощный инструмент для создания масштабируемых беспроводных сетей на Arduino.

Сборка беспроводного манипулятора Arduino, управляемого со смартфона Надёжная беспроводная метеостанция на Arduino: сборка и программирование

Производственный процесс

3D печать

Система управления автоматикой

Промышленные технологии