Частота радиочастотного канала

Техническое описание

Радиочастотный диапазон

Приемопередающий модуль nRF24L01+ предназначен для работы в диапазоне частот ISM 2,4 ГГц и использует модуляцию GFSK для передачи данных. Скорость передачи данных может составлять 250 Кбит/с, 1 Мбит/с и 2 Мбит/с.

Диапазон ISM 2,4 ГГц

Диапазон 2,4 ГГц является одним из промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонов, зарезервированных на международном уровне для использования нелицензированными маломощными устройствами, такими как беспроводные телефоны, устройства Bluetooth, устройства ближней радиосвязи (NFC) и беспроводные компьютерные сети (WiFi).

Потребляемая мощность

Рабочее напряжение модуля составляет от 1,9 до 3,6 В, но хорошая новость заключается в том, что логические выводы допускают 5 В, поэтому его можно легко подключить к Arduino или любому 5 В логическому микроконтроллеру без использования какого-либо преобразователя логического уровня.

Модуль поддерживает программируемую выходную мощность: 0 дБм (децибел), -6 дБм, -12 дБм или -18 дБм и потребляют невероятно мало около 12 мА во время передачи при 0 дБм, что даже ниже, чем у одного светодиода. И что самое приятное, он потребляет 26 мкА в режиме ожидания и 900 нА в режиме отключения. Поэтому модуль можно смело отнести к беспроводным устройствам с низким энергопотреблением.

SPI интерфейс

Радиомодуль nRF24L01+ обменивается данными через 4-контактный последовательный периферийный интерфейс (SPI) с максимальной скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Все параметры, такие как частотный канал (125 каналов), выходная мощность (0 дБм, -6 дБм, -12 дБм, -18 дБм) и скорость передачи данных (250 кбит/с, 1 Мбит/с или 2 Мбит/с), можно настроить через интерфейс SPI.

Шина SPI использует концепцию Master Slave (ведущий – ведомый), в большинстве случаев Arduino является ведущим (Master), а радиомодуль nRF24L01+ ведомым (Slave). В отличие от шины I2C количество ведомых на шине SPI ограничено, на Arduino Uno можно использовать максимум два ведомых SPI, т.е. два модуля приемопередатчика nRF24L01+.

Технические характеристики:

Диапазон частот	2.4 GHz ISM полоса
Максимальная скорость передачи данных	2 Мбит / с
Тип модуляции	GFSK (Gaussian Frequency-Shift Keying) — частотная модуляции, в которой используется фильтр Гаусса
Максимальная выходная модность	0 дБм
Рабочее напряжение питания	от 1.9 В до 3.6 В
Максимальная сила тока (в рабочих условиях)	13.5 мА
Минимальная сила тока (в режиме ожидания)	26 мкA
Логические входы	5В поддерживает
Дальность связи	800 м и более (в прямой видимости)

Сравнение nRF 24 L 01+  и nRF 24 L 01+ PA / LNA

На основе чипа nRF24L01+ промышленно изготавливается множество устройств. Ниже будут рассмотрены наиболее популярные из них.

 

nRF24L01+ Wireless Module

 

В модуле nRF24L01+ антенна вмонтирована в саму плату. Что делает устройство очень компактным. Однако маленькая антенна также означает меньшую дальность передачи. Дальность передачи данных в прямой видимости составит около 100 метров. Радиус действия в помещении, особенно через стены, будет меньше.

 

nRF24L01+ PA LNA

 

 

nRF24L01+ PA LNA модуль обладает разъемом SMA и мощной антенной, но это не главное. Главное отличие заключается в том, что на модуле есть специальная микросхема RFX2401C – объединяющая усилитель мощности (PA) и малошумящий усилитель (LNA), которые усиливают сигнал и позволяют увеличить дальность передачи до 1000 м.  

Усилитель мощности (PA) и малошумящий усилитель мощности (PA LNA)

nRF24L01+ PA/LNA Block Diagram

 

Усилитель мощности просто увеличивает мощность сигнала, передаваемого с чипа nRF24L01+ в то время, как усилитель с низким уровнем шума (малошумящий усилитель) принимает чрезвычайно слабый и неопределенный сигнал от антенны (обычно порядка микровольт или ниже -100 дБм) и усиливает его до рабочего уровня (обычно около 0,5-1 В).

Малошумящий усилитель (PA LNA) принимаемого сигнала и усилитель мощности (PA) передаваемого сигнала подключаются к антенне через частотно-разделительный фильтр (дуплексер), который разделяет два сигнала и предотвращает перегрузку чувствительного входа PA LNA мощным выходным сигналом с PA.

За исключением этого отличия, оба модуля идентичны и полностью совместимы. Это означает, что при замене одного модуля на другой никаких изменений в код вносить не надо.

Описание работы модуля

Логические каналы (трубы)

NRF24L01 + предоставляет функцию под названием Multiceiver ( аббревиатура от «Multiple Transmitters Single Receiver», «Много Передатчиков Один Приёмник»). Каждый радиочастотный канал логически разделен на 6 параллельных каналов передачи данных, называемых трубами (Data Pipes). Каждая труба имеет свой физический адрес (адрес канала данных) и может быть настроена (см. рис. ниже).

nRF24L01+ Multiceiver Network – Multiple Transmitters Single Receiver

 

На рисунке основной приемник (в центре) действует как хаб, принимающий данные от 6 различных узлов одновременно. Передать же данные одновременно он может только по одной трубе и только одному узлу. Прекратить прослушивание и начать передавать данные Хаб может в любое время.

Протокол передачи данных

Модуль nRF24L01+ использует так называемую расширенную ShockBurst разметку пакета передаваемых данных. Пакет разбивается на 5 различных полей, как показано ниже.

Преамбула (Preamble) – двоичная последовательность,которая указывает на начало кадра.

Адрес (Address) – адрес получателя пакета данных.

Распиновка

Рассмотрим распиновку обеих версий модуля трансивера nRF24L01+.

 

GND - земля. Контакт обычно обрисовывается на плате квадратом, чтобы его можно было легче опознать другие котакты.

VCC - питание модуля. Напряжение питания может быть в пределах от 1,9 до 3,9 вольт. Можно подключить его к выходу 3.3 В на плате Ардуино. Подключение к выводу 5 В может привести к повреждению модуля.

CE (Chip Enable) – при высоком уровне сигнала (active HIGH) происходит переключение режима приём/передача – модуль будет либо передавать, либо получать данные, в зависимости от того, в каком режиме он находился до этого.

CSN (Chip Select Not) – при низком уровне сигнала (active LOW), модуль начинает прослушивать и обрабатывать данные на своем SPI портe. В нормальном состоянии на контакте поддерживается высокий уровень сигнала (HIGH).

SCK (Serial Clock) принимает тактовые импульсы, передаваемые по шине SPI ведущим (Master).

MOSI (Master Out Slave In) выход ведущего, вход ведомого (входной сигнал для модуля).

MISO (Master In Slave Out) вход ведущего, выход ведомого (выходной сигнал модуля).

IRQ – прерывания, сообщает ведущему (Master), что новые данные доступны для обработки.

 

Библиотека RF24

Для облегчения работы с модулем существует несколько библиотек. Одной из наиболее популярных является RF24: http://tmrh20.github.io/RF24/

Для установки, необходимо скачать библиотеку, сохранить скаченный архив в нужную папку (например, C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries\). Затем в программе Arduino IDE меню «Скетч» > «Подключить библиотеку» > «Добавить.ZIP библиотеку…» и выберите только что загруженный архив с библиотекой.

Техническое описание

Радиочастотный диапазон

Приемопередающий модуль nRF24L01+ предназначен для работы в диапазоне частот ISM 2,4 ГГц и использует модуляцию GFSK для передачи данных. Скорость передачи данных может составлять 250 Кбит/с, 1 Мбит/с и 2 Мбит/с.

Диапазон ISM 2,4 ГГц

Диапазон 2,4 ГГц является одним из промышленных, научных и медицинских (ISM) диапазонов, зарезервированных на международном уровне для использования нелицензированными маломощными устройствами, такими как беспроводные телефоны, устройства Bluetooth, устройства ближней радиосвязи (NFC) и беспроводные компьютерные сети (WiFi).

Потребляемая мощность

Рабочее напряжение модуля составляет от 1,9 до 3,6 В, но хорошая новость заключается в том, что логические выводы допускают 5 В, поэтому его можно легко подключить к Arduino или любому 5 В логическому микроконтроллеру без использования какого-либо преобразователя логического уровня.

Модуль поддерживает программируемую выходную мощность: 0 дБм (децибел), -6 дБм, -12 дБм или -18 дБм и потребляют невероятно мало около 12 мА во время передачи при 0 дБм, что даже ниже, чем у одного светодиода. И что самое приятное, он потребляет 26 мкА в режиме ожидания и 900 нА в режиме отключения. Поэтому модуль можно смело отнести к беспроводным устройствам с низким энергопотреблением.

SPI интерфейс

Радиомодуль nRF24L01+ обменивается данными через 4-контактный последовательный периферийный интерфейс (SPI) с максимальной скоростью передачи данных 10 Мбит/с. Все параметры, такие как частотный канал (125 каналов), выходная мощность (0 дБм, -6 дБм, -12 дБм, -18 дБм) и скорость передачи данных (250 кбит/с, 1 Мбит/с или 2 Мбит/с), можно настроить через интерфейс SPI.

Шина SPI использует концепцию Master Slave (ведущий – ведомый), в большинстве случаев Arduino является ведущим (Master), а радиомодуль nRF24L01+ ведомым (Slave). В отличие от шины I2C количество ведомых на шине SPI ограничено, на Arduino Uno можно использовать максимум два ведомых SPI, т.е. два модуля приемопередатчика nRF24L01+.

Технические характеристики:

Диапазон частот	2.4 GHz ISM полоса
Максимальная скорость передачи данных	2 Мбит / с
Тип модуляции	GFSK (Gaussian Frequency-Shift Keying) — частотная модуляции, в которой используется фильтр Гаусса
Максимальная выходная модность	0 дБм
Рабочее напряжение питания	от 1.9 В до 3.6 В
Максимальная сила тока (в рабочих условиях)	13.5 мА
Минимальная сила тока (в режиме ожидания)	26 мкA
Логические входы	5В поддерживает
Дальность связи	800 м и более (в прямой видимости)

Сравнение nRF 24 L 01+  и nRF 24 L 01+ PA / LNA

На основе чипа nRF24L01+ промышленно изготавливается множество устройств. Ниже будут рассмотрены наиболее популярные из них.

 

nRF24L01+ Wireless Module

 

В модуле nRF24L01+ антенна вмонтирована в саму плату. Что делает устройство очень компактным. Однако маленькая антенна также означает меньшую дальность передачи. Дальность передачи данных в прямой видимости составит около 100 метров. Радиус действия в помещении, особенно через стены, будет меньше.

 

nRF24L01+ PA LNA

 

 

nRF24L01+ PA LNA модуль обладает разъемом SMA и мощной антенной, но это не главное. Главное отличие заключается в том, что на модуле есть специальная микросхема RFX2401C – объединяющая усилитель мощности (PA) и малошумящий усилитель (LNA), которые усиливают сигнал и позволяют увеличить дальность передачи до 1000 м.  

Усилитель мощности (PA) и малошумящий усилитель мощности (PA LNA)

nRF24L01+ PA/LNA Block Diagram

 

Усилитель мощности просто увеличивает мощность сигнала, передаваемого с чипа nRF24L01+ в то время, как усилитель с низким уровнем шума (малошумящий усилитель) принимает чрезвычайно слабый и неопределенный сигнал от антенны (обычно порядка микровольт или ниже -100 дБм) и усиливает его до рабочего уровня (обычно около 0,5-1 В).

Малошумящий усилитель (PA LNA) принимаемого сигнала и усилитель мощности (PA) передаваемого сигнала подключаются к антенне через частотно-разделительный фильтр (дуплексер), который разделяет два сигнала и предотвращает перегрузку чувствительного входа PA LNA мощным выходным сигналом с PA.

За исключением этого отличия, оба модуля идентичны и полностью совместимы. Это означает, что при замене одного модуля на другой никаких изменений в код вносить не надо.

Описание работы модуля

Частота радиочастотного канала

Модуль nRF24L01+ передает и принимает данные на определенной радиочастоте, называемой каналом, поэтому чтобы два или более модуля могли обмениваться данными друг с другом, они должны находиться на одном и том же канале. Канал представляет собой полосу радиочастот шириной обычно чуть менее 1 МГц в диапазоне от 2,400 до 2,525 ГГц (ISM).

Это позволяет использовать 125 каналов с интервалом 1 МГц, что дает возможность создать сеть из 125 независимо работающих модемов в одном месте.

Один канал занимает полосу частот менее 1 МГц на скорости передачи данных 250 кбит/с и 1 Мбит/с. При скорости передачи данных 2 Мбит/с потребуется полоса уже шириной около 2 МГц. Поэтому для исключения конфликтов на скорости 2 Мбит/с между каналами должен быть шаг уже 2 МГц, и соответственно одновременно можно будет использовать не более 62 независимо работающих модемов.

 

 

Частота выбранного радиочастотного канала вычисляется по следующей формуле:

Например, если выбран для передачи данных 108 канал, то радиочастота канала будет 2508 МГц (2400 + 108 МГц).

 

Логические каналы (трубы)

NRF24L01 + предоставляет функцию под названием Multiceiver ( аббревиатура от «Multiple Transmitters Single Receiver», «Много Передатчиков Один Приёмник»). Каждый радиочастотный канал логически разделен на 6 параллельных каналов передачи данных, называемых трубами (Data Pipes). Каждая труба имеет свой физический адрес (адрес канала данных) и может быть настроена (см. рис. ниже).

nRF24L01+ Multiceiver Network – Multiple Transmitters Single Receiver

 

На рисунке основной приемник (в центре) действует как хаб, принимающий данные от 6 различных узлов одновременно. Передать же данные одновременно он может только по одной трубе и только одному узлу. Прекратить прослушивание и начать передавать данные Хаб может в любое время.

Протокол передачи данных

Модуль nRF24L01+ использует так называемую расширенную ShockBurst разметку пакета передаваемых данных. Пакет разбивается на 5 различных полей, как показано ниже.

Преамбула (Preamble) – двоичная последовательность,которая указывает на начало кадра.

Адрес (Address) – адрес получателя пакета данных.