Nrf24l01 подключение к arduino nano

При создании некоторых проектов, требуется разделить выполняемые задачи между несколькими arduino.

В этом уроке мы научимся соединять две arduino по радиоканалу ISM диапазона, используя радио модуль nRF24L01+, на расстоянии до 100 м. Если использовать радио модули NRF24L01+PA+LNA, то расстояние между arduino можно увеличить до 1 км, не меняя код скетча.

Преимущества:

• Отсутствие проводов между arduino.
• Высокая скорость передачи данных, до 2 Мб/с. Выше чем у шин I2C и UART.
• Полудуплексная связь. Режим работы модулей (приёмник / передатчик) можно менять в процессе их работы.
• Высокая помехозащищенность. Данные в пакетах принимаются с проверкой CRC.
• Контроль доставки данных. Приемник отправляет передатчику сигнал подтверждения приёма данных (без смены режима работы).
• Возможность выбора одного из 128 каналов связи. Шаг каждого канала равен 1 МГц (от 2,400 ГГц до 2,527 ГГц).
• Возможность одновременной работы до 6 передатчиков на одном канале.

Недостатки:

• Модули nRF24L01+ работают в радиочастотном диапазоне ISM (Industrial, Scientific, Medical) 2,4 ГГц, на котором работают WiFi, Bluetooth и другие устройства, например радио телефоны и даже СВЧ печи. Эти устройства могут «глушить» некоторые каналы данного диапазона. Поэтому вблизи таких устройств дальность связи между модулями, на некоторых каналах, резко уменьшается. Увеличить дальность можно сменив канал связи на любой из 128 доступных модулям nRF24L01+.
• При выборе скорости 2 Мб/с, задействуются сразу два канала (выбранный и следующий за ним).
• Модули питаются от напряжения 3,3 В постоянного тока. Но их можно запитать от 5 В через адаптер nRF24L01+.

Нам понадобится:

• Радио модуль nRF24L01+ х 2шт.
• Адаптер к модулю nRF24L01+ х 2шт.
• Arduino х 2шт.
• Trema Shield х 2шт.
• Trema Slider х 1шт.
• Trema потенциометр х 1шт.
• Trema четырехразрядный LED индикатор х 1шт.
• Сервопривод x 1шт.
• Набор проводов «мама-мама» для подключения радио модулей х 1 комплект.

Для реализации проекта нам необходимо установить библиотеки:

• Библиотека RF24 (для работы с радио модулями nRF24L01+).
• Библиотека iarduino_4LED, (для работы с Trema четырехразрядным LED индикатором).
• Библиотеки SPI и Servo входят в стандартный набор Arduino IDE.

О том как устанавливать библиотеки, Вы можете ознакомиться на странице Wiki — Установка библиотек в Arduino IDE .

Видео:

Схема подключения:

Оба радио модуля nFR24L01+ подключены, через адаптер, к аппаратной шине SPI. Trema четырехразрядный LED индикатор подключён к цифровым выводам D2 и D3 (можно подключить к любым выводам Arduino). Сервопривод подключён к цифровому выводу D4 (можно подключить к любым выводам). Trema потенциометр и слайдер подключены к аналоговым входам A1 и A0 (можно подключить к любым аналоговым входам). Питание адаптера nFR24L01+ взято с контактов GND и Vcc (5 В).

Если Вы будете подключать модуль nFR24L01+ без адаптера, то модуль требуется запитать от напряжения 3,3 В постоянного тока.

Адаптер nRF24L01+	Arduino Uno	Назначение
CE	9 (меняется в скетче)	Выбор режима: приёмник / передатчик
CSN (CS/SS)	10 (меняется в скетче)	Шина SPI — выбор устройства
SСK	13 (SCK)	Шина SPI — линия тактирования
MO	11 (MOSI)	Шина SPI — линия данных (от мастера к ведомому)
MI	12 (MISO)	Шина SPI — линия данных (от ведомого к мастеру)
IRQ	Не используется	Прерывание

Алгоритм работы:

Передатчик:

При старте (в коде setup) скетч настраивает работу радио модуля в режим передачи данных, указывая номер канала, скорость передачи, мощность передачи и идентификатор трубы. После чего, постоянно (в коде loop), считывает показания с Trema потенциометра и Trema слайдера, сохраняя их в массив data, и отправляет его радио модулю для передачи.

Приёмник:

При старте (в коде setup) скетч настраивает работу радио модуля, указывая те же параметры что и у передатчика, но в режим приёма данных, а также инициирует работу с LED индикатором и сервоприводом. После чего, постоянно (в коде loop), проверяет нет ли в буфере данных, принятых радио модулем. Если данные есть, то они читаются в массив data, после чего значение 0 элемента (показания Trema слайдера) выводится на LED индикатор, а значение 1 элемента (показания Trema потенциометра) преобразуются в градусы и используется для поворота сервопривода.

В этой статье мы поговорим о nrf24l01 – одном из самым популярных и недорогих радиомодулей для проектов Arduino и интернета вещей IoT. Модули nrf24l01 для Arduino легко найти в любом интернет-магазине, они относительно недороги. При этом с их помощью можно организовать достаточно надежную многоканальную связь с подтверждением доставки пакетов между контроллерами ардуино и другими устройствами. В этой статье мы рассмотрим описание, распиновку nrf24l01, а также узнаем, какие библиотеки можно использовать с этим радиомодулем.

Описание модуля NRF24L01

Нельзя создать по-настоящему интересный проект, не дав возможность создания коммуникаций между различными элементами системы. Поэтому так важно выбрать правильную платформу для организации связи между модулями. NRF24l01 отлично подходит для создания распределенных систем с датчиками и контроллерами, разнесенными на расстояния до 100 метров.

NRF24l01 – это высокоинтегрированная микросхема с пониженным потреблением энергии (ULP) 2Мбит/с для диапазона 2,4 ГГц. При помощи модуля можно связать несколько устройств для передачи данных по радиоканалу. Можно объединить до семи приборов в одну общую радиосеть на частоте 2,4 ГГц, один из модулей будет выступать в роли ведущего, остальные – ведомые. Радиомодуль NRF24l01 стоит дешево, поэтому его можно встретить в самых разных проектах – от умного дома до различных самодельных роботов.

Характеристики nrf24l01

• Низкие затраты энергии;
• Наличие усовершенствованного ускорителя аппаратного протокола ShockBurst;
• Операционная система ISM;
• Скорость передачи данных 250 Кбит/с, 1 Мбит/с и 2 Мбит/с;
• Полная совместимость со всеми стандартными сериями nRF24L Nordic, а также сериями nRF24E и nRF240;
• Напряжение питания 3,3В;
• Рабочие температуры от -40С до 85С, температуры хранения от -40С до 125С;
• Дальность связи до 100 м.

Основой модуля служит nRF24L01+ производства компании Nordic Semiconductor. На микросхеме расположены все необходимые элементы и вилка разъема. По интерфейсу SPI можно произвести настройку протокола, установить выходную мощность и наладить каналы обмена данных.

Сфера применения модуля nrf24l01

Одним из самых главных компонентов проектов IoT являются средства коммуникации. nrf24l01 можно с успехом применять в следующих областях:

• Мобильная электроника;
• Компьютеры;
• Автоматизированные системы;
• Различные элементы «умного дома» – сигнализация, регулирование температуры и другие функции;
• Игры;
• Бытовая электроника.

В плату nRF24L01+ входят синтезатор частот, демодулятор, усилители и другие составляющие. Рабочая частота модуля определяется номером канала, диапазон частот, в котором происходит связь, 2,4 – 2,483 ГГц. Каналы располагаются через 1 МГц, то есть нулевому соответствует частота 2,4ГГц, каналу 83 – 2,483 ГГц.

Модуль имеет 4 рабочих режима – выключение (Power Down), спящий режим (Standby), прием данных(RX mode), передача данных (TX Mode). В режиме приема данных RX потребление тока выше, чем в режиме передачи данных TX.

За стабильную и надежную передачу и прием данных отвечает протокол Enhanced ShockBurst. Принимающее устройство должно давать ответ о приеме данных, подтверждая таким образом обратную связь.

Где купить модули

Купить nrf24L01 можно в любом интернет-магазине, торгующем электронными компонентами. Рекомендуется приобретать плату вместе со специальными модулями питания – это позволит избежать множество непредсказуемых проблем, связанных с нестабильным питанием. Также рекомендуем обратить внимание на уже готовые шилды и платы со встроенными чипами nrf. Вот несколько примеров на Алиэкспресс:

Распиновка NRF24L01

Помимо выходов питания линии сигналов могут подключаться к контактам с питающим напряжением 5 В. Вход устройства, которое подключается к плате, должен потреблять ток не выше 10 мА.

Микросхема содержит следующие выходы:

• GND – земля;
• VCC – напряжение питания 3,3В
• CE – высокий уровень микросхемы;
• CSN – включение низкого уровня микросхемы. В этом случае устройство реагирует на SPI команды;
• SCK – такт SPI, максимальное значение 10 МГц;
• MOSI – передача информации от контроллера;
• MISO – прием данных в контроллер;
• IRQ – сигнал для аппаратного прерывания.

Организация питания nrf24l01

Во время запуска микроконтроллера могут возникнуть проблемы, которые связаны с тем, что не предусмотрена нужная сила тока в модуле питания 3,3 В. Из-за этого могут возникнуть помехи, мешающие стабильной работе. Обычно подобные трудности появляются, когда используются платы Arduino Uno, Nano, Mega, то есть в тех, в которых не хватает мощности. Для приведенных видов плат на пины подается небольшой ток 50 мА.

Существует несколько методов решения этой проблемы:

• Подключение конденсатора к микросхеме на 3, 3 В(+) и землю GND (-). Емкость лучше выбирать 10 мкФ и более.
• Дополнительный источник напряжения на 3,3 В.
• Разработка отдельной платы, установка на нее модуля nRF24L01 и добавление конденсаторов на 1 и 10 мкФ.
• Применение YourDuinoRobo1, который обладает дополнительным регулятором на 3,3 В.

Различные версии модуля NRF24L01

Данная версия обладает дальностью до 100 м для открытого пространства, в помещении дальность ниже – до 30 м. Размеры 29х15 мм.

Мини NRF24L01. Характеристики и параметры те же, размеры 18х12 мм.

Модуль, оснащенный внешней антенной и усилителем. Дальность увеличена до 1000 м на открытых территориях.

Беспроводной модуль NRF2401 с антенной

Более сложный модуль nRF24LE1, работающий без платы Ардуино, то есть автономно.

Беспроводной модуль NRF2401 в Arduino

Подключение nRF24L01 к Ардуино

Вывод MOSI с платы nRF24L01 подключается к пину 11 для Ардуино Uno, Nano и на 51 для Arduino Mega. Контакт SCK нужно подключить к 13 для Ардуино Uno, Nano и 52 для Arduino Mega. MISO – к 12 для Ардуино Uno, Nano и 50 для Arduino Mega. Контакты CE и CSN подключаются к любому цифровому пину Ардуино. Питание – на 3,3 В. Если используется плата Arduino Mini, придется использовать внешний стабилизатор напряжения, так как на плате отсутствует выход 3,3В. Также к пинам питания можно добавить конденсатор на 10 мкФ и более для обеспечения стабильной и качественной работы. Модуль с припаянным конденсатором изображен на рисунке.

Питание для NRF2401

Внешний вид макета представлен на рисунке ниже.

При подключении важно не перепутать напряжение – 5 Вольт могут вывести модуль из строя.

Подключение к Ардуино через адаптер NRF24L01

Адаптер специально разрабатывался для модуля NRF24L01+. На нем имеется специальный стабилизатор напряжения и удобно расположены выходы к контроллерам и платам Ардуино.

Как видно, на адаптере имеется 2 вида разъемов. Двухрядный разъем используется для подключения радиомодуля, однорядный – для соединения с Ардуино. Отдельно расположены выходы на питание (5В) и землю.

Для подключения радиомодуль NRF24L01+ нужно вставить в соответствующий двухуровневый разъем. При помощи проводов адаптер подключается к плате Ардуино к тем же выводам, которые нужны для подключения напрямую к модулю. Для подключения к Arduino Uno, Nano: MISO-12, MOSI-11, SCK-13,выводы CE –к D10 и CSN – D9, вывод VCC к Arduino (+5V), а вывод GND к Arduino (GND).

Программирование nRF24L01

Для написания скетчей в среде ARDUINO IDE нужно установить 2 библиотеки – RF24 и SerialFlow. Первая нужна для работы с модулем, вторая – для пакетной передачи данных. Ссылки на скачивание библиотек вы найдете в конце статьи.

Пример программы для передатчика. В первую очередь создается объект класса SerialFlow:

В этой строке 9 и 10 – это свободные пины с Ардуино, к которым подключаются контакты CN и CSN.

Настройка формата передаваемых пакетов производится в функции setup:

Первый аргумент (в данном случае число 2) определяет размер передаваемого числа. Для конкретного случая число находится в диапазоне от 0 до 655535 и занимает 2 байта. Для 0 до 255 будет занят 1 байт. Второй аргумент – количество чисел.

Далее нужно настроить адреса передатчика и приемника:

Первым аргументом записывается адрес передатчика, вторым – адрес приемника.

Цикл loop выполняет отправку пакетов.

Пример программы для приемника. При получении данных приемник должен сигнализировать об этом. Данные будут отправляться в монитор порта Arduino IDE.

В коде так же записывается объект SerialFlow и настраиваются необходимые параметры пакета данных. Изменения происходят в строчке

Теперь первым аргументом должен быть указан адрес приемника, а вторым – передатчика.

После загрузки программы на оба модуля при правильном выполнении всех действий в окне будет появляться значение таймера в миллисекундах на передатчике.

Помимо библиотек RF24 и SerialFlow существует и другая – библиотека Mirf. Выбор той или иной библиотеки определяется удобством работы.

Операторы для передачи данных между двумя модулями с помощью библиотеки Mirf:

• payload = PAYLOAD; – задает размеры буфера для приема. На payload установлено ограничение – максимальный размер равен 32 байтам.
• setRADDR((byte*)’serv1′); – выбор адреса приемника (размер не менее 3 байт и не более 5 байт).
• setTADDR((byte *)’clie1′); – выбор адреса передатчика (размер не менее 3 байт и не более 5 байт).. Во время передачи пакета данных на первом модуле происходит установка адресата Mirf.setTADDR((byte *)’clie1′), затем пакет отправляется ко второму модулю. После этого на втором модуле устанавливается Mirf.setTADDR((byte *)’serv1′) и возвращается ответ на первый модуль.
• isSending() – проверка окончания передачи данных.
• dataReady() – проверка получения входящего пакета.
• getData((byte *) &data); – чтение полученных пакетов в переменную data.
• send((byte *) &data); – подача команды на отправку пакета. В библиотеке указывается адрес, в котором находятся переменные. После этого происходит копирование их в память и в итоге пользователь получает доступ к переданным данным через переменные. Способ удобен тем, что можно передавать любой тип данных, в том числе структуры.

Передача структур nrf24l01

Использование структур удобно тем, что в них можно записать много переменных и отправить их другому устройству за один раз. Код нужно записывать так, чтобы ардуино передавала команду по цепочке остальным модулям. Каждый из модулей знает только свой адрес и адрес следующего за ним модуля.

Во время работы со структурами нужно внимательно рассчитать ее размер и указать PAYLOAD. Общий размер структуры будет равен сумме всех размеров составляющих ее переменных.

Основные элементы кода:

#define ADDR “mod0” //указывается адрес модуля

#define NEXT “mod1” //указывается адрес следующего модуля

boolean iamfirst=true;//начинает ли этот модуль цепочку?

#define PAYLOAD 5 //размер полезной нагрузки

Все модули в итоге будут получать одинаковый скетч, в котором различаться будут только переменные ADDR, NEXT и iamfirst.

Скачать библиотеки nrf24l01

Основная библиотека для работы с модулем – RF24. В библиотеке содержится огромное количество примеров программ. Важно отметить, что во время записи программы в ардуино нужно отключить модуль передатчика. Также перед первой инициализацией нужно сделать паузу в 2 секунды после подачи напряжения. Перед началом работы функцию RF24::flush_tx нужно сделать публичной и очистить буфер передачи перед отправкой новых сообщений.

Другая библиотека nrf24l01 – SerialFlow. Эта библиотека нужна для того, чтобы задавать формат передаваемого пакета, устанавливать функции для упаковки информации в пакет и их распаковки.

Библиотека Mirf. Эта библиотека является альтернативой вышеописанной RF24. Последняя ближе к стандартам, используемым для программирования ардуино, поэтому многим, особенно новичкам, может быть неудобна работа с mirf. Выбор той или иной библиотеки определяется только удобством и простотой ее для пользователя.

Выводы по nrf24l01

Беспроводной модуль nrf24l01 нельзя назвать простым в освоении устройством. И подключение, и программирование требует определенных навыков. Но стоимость и доступность модуля позволяет рекомендовать его для тех, кто занимается проектами интернета вещей или нуждается в простых инструментов для коммуникаций. Купив специальный адаптер для nrf24l01 вы можете существенно упростить подключение к ардуино. А использование библиотек позволяет максимально упростить код. Старайтесь не покупать модули nrf24l01 дешево у совсем уж неизвестных продавцов, и тогда никаких проблем с работой ваших проектов не будет.

Ни в одном проекте на arduino я еще не сталкивался с беспроводной передачей данных, хотя это очень большая и интересная тема. Передавать данные на расстоянии можно многими способами, но в этой статье речь пойдет о радиомодуле nRF24L01+. Поскольку такие передатчики относительно простые в использовании, дешевые и имеют большой радиус действия.

Описание радиомодуля nRF24L01+

Радиомодуль nRF24L01+, как я уже писал, стоит достаточно дешево – всего 50 руб, то есть за 100 руб можно купить два передатчика, между которыми и будет осуществляться беспроводная передача данных. Модуль может работать как передатчик и как приемник, отличия будут только в прошивке. Дальность действия составляет 100 метров на открытой местности и 30 метров в помещении.
Из минусов стоит отметить, что nRF24L01+ работает на частоте 2,4 ГГц, которую используют Wi-Fi и Bluetooth, они могут заглушать сигнал передатчика. Еще одним небольшим минусом является то, что nRF24L01+ питается от напряжения 3.3в, поэтому подключать его нужно аккуратно – 5в могут испортить модуль. Большинство плат arduino имеет пины с напряжением 3.3в, поэтому иногда проблема решается просто. Но бывают и другие случаи, например, arduino pro mini не всегда оснащена пином с нужным питанием, в таком случае придется использовать преобразователь напряжения.
Также к сложностям можно отнести то, что при запуске, nRF24L01+ требуется довольно большой ток и многие китайские копии arduino не могут его выдавать. Чтобы решить такую проблему достаточно припаять к радиомодулю(к пинам питания) конденсатор емкостью от 10 мфд. Поскольку я пользуюсь arduino, которые бережно собирают в Китае, то столкнувшись с проблемой, немного модернизировал nRF24L01+, получилось вот так:

Подключение nRF24L01+ к arduino

Радиомодуль nRF24L01+ общается с микроконтроллером через интерфейс SPI, поэтому подключение должно быть к соответствующим пинам arduino. Главное помнить, что пины SPI у arduino Uno/Nano/Pro mini и arduino Mega отличаются:
Пины для Uno/Nano/Pro mini:
MOSI — 11
MISO — 12
SCK – 13
Пины для Mega2560:
MOSI — 51
MISO — 50
SCK — 52
Ниже на картинке распиновка самого радиомодуля nRF24L01+

И схема подключения nRF24L01+ к arduino.

Скетч arduino для отправки данных через nRF24L01+

Для работы с радиомодулем существует несколько библиотек, самая удобная, на мой взгляд, это RF24. Скачать ее можно тут: скачать.
Ниже приведен код с подробными комментариями:

Скетч arduino для приема данных через nRF24L01+

Ниже приведен код с подробными комментариями:

Если все подключено и прошито правильно, то в мониторе порта приемника должны выводиться данные, полученные с передатчика.

Послесловие

Область применения беспроводной передачи данных очень обширная – различные игрушки с пультами управления, системы оповещения и тд. Поэтому тема с радиомодулем nRF24L01+ в будущем будет продолжена, есть некоторые идеи, до которых пока еще не дошли руки.
Ели у вас тоже есть какие-то мысли или идеи по использованию радиомодуля, то пишите в комментарии, буду рад обсудить их, а возможно и воплотить в жизнь.