Радиореле на модуле NRF24L01

Все началось с того, что для управления бытовой техникой потребовалось исполнительное устройство, коммутирующее сетевую нагрузку 220V.  Разумеется, никаких проводов и кнопок для этого выводить не было желания.  Будем решать вопрос по современному - в виде беспроводного комплекта модулей пульт + приемник с реле.  Подобный комплект также пригодится для управления освещением, подсветка возле дома, приводы для гаража и т.п.

Самый дешевый вариант - это комплекты модулей приемник + передатчик   433МГц  (есть даже готовые комплекты брелка и приемника с декодером на определенное количество каналов). Подобные сборки 433МГц как правило не имеют какой либо цифровой части для реализации протокола обмена поэтому используются специализированные микросхемы кодера/декодера либо потребуется самостоятельно реализовать протокол обмена например на основе манчестер-кодирования. При самостоятельной сборке нужно это учитывать, а также то, что питание передатчика для значительной дальности обычно 12В (батарейки типа 23А).

Однако у себя я нашел давно заказанные модули NRF24L01 (трансивер 2.4ГГц с управление по интерфейсу SPI) в том числе варианты комплекта с PA + LNA (с усилителем и внешней антенной в комплекте, дальность до 1000м). Отмечу, что распиновка этих вариантов абсолютно идентична, поэтому можно использовать NRF24L01 PA + LNA если позволяет питание и размеры бокса (у меня вариант с внешней антенной не проходил как раз по причине проблемы размещения антенны).

В данном случае использование трансивера избавляет нас от программной реализации канала передачи данных и использования микросхем кодеров.

Технические характеристики трансиверов

- Модуль трансивера NRF24L01

Управление осуществляется по интерфейсу SPI.

• Напряжение питания: 1,9В – 3,6В (рекомендуемая 3.3В);
• Интерфейс обмена данными: SPI;
• Частота приёма и передачи: 2,4 ГГц;
• Количество каналов: 128 с шагом 1МГц;
• Тип модуляции: GFSK;
• Скорость передачи данных: 250kbps, 1Mbps и 2Mbps;
• Чувствительность приёмника: -82 dBm;
• Расстояние приёма/передачи данных: 100м – прямая видимость; 30м – помещение;
• Коэффициент усиления антенны: 2dBm;
• Диапазон рабочей температуры: -40оС…+85оС;

Модуль NRF24L01 + PA + LNA

На  модуле NRF24L01+PA+LNA установлен разъем SMA с внешней антенной. Данный модуль оснащен специальным чипом RFaxis RFX2401C (в корпусе QFN), который объединяет схемы коммутации PA и LNA (передачи и приема). Этот микросхема позволяет достичь диапазона передачи около 1000 м.
«PA» означает усилитель мощности (Power Amplifier), он увеличивает мощность сигнала, передаваемого от чипа nRF24L01. В то время как «LNA» означает усилитель с низким уровнем шума (Low-Noise Amplifier). Работа LNA состоит в том, чтобы принять чрезвычайно слабый и неопределенный сигнал от антенны (обычно порядка микровольт или ниже -100 дБм) и усилить его до более полезного уровня (обычно от 0,5 до 1 В).

• Потребляемый ток при передачи 2 Мбит: 115 мА
•  Максимальная выходная мощность: +20dBm
•  Частота: 2.4 ГГц
•  Коэффициент усиления антенны (макс.): 2dBi
•  Скорость передачи: 2MB (открытое пространство): 520 м.
•  Скорость передачи: 1 MB (открытое пространство): 750 м.
•  Скорость передачи: 250 Kb (открытое пространство): 1000 м.
•  Размеры: 46мм x 17мм x 12мм (длина антенны 115 мм)

Схема пульта дистанционного управления

Пульт выполняет единственную команду включения / выключения (передается цифровой код включения). Модуль построен на микроконтроллере mega48PA и трансивере NRF24L01. Цепь питания замыкается кнопкой. Биты микроконтроллера должны быть прошиты на частоту 8МГц (без делителя, внутренний генератор). Для питания модуля можно использовать миниатюрную батарею LiPo 3.7В (и даже элемент типа CR2032 / CR2056 и тп) или алкалиновую батарейку 12В. Для защиты питания микроконтроллера и трансивера установлен регулятор типа AMS1117 3.3В чтобы гарантировать питание схемы во всех случаях 3.3В (LiPo может иметь напряжение 4.2 и даже  чуть выше). Учитывая, что у контроллера mega48PA есть свободные порты C и D то без проблем можно сделать (прошивка) пульт управления на 8-16 (и более) каналов, сейчас свободные порты просто программно подтянуты к питанию.

Схема приемника

Приемник отслеживает внешнее прерывание на ножке трансивера IRQ и проверяет цифровой буфер приема трансивера. При получении цифрового кода включения контроллер через ключ на транзисторе BD139 (любой подходящий маломощный NPN транзистор, выбор обусловлен исключительно наличием у меня данных транзисторов) коммутирует катушку пятивольтового реле.  Можно поставить транзисторы типа BC547 или отечественные аналоги. Для защиты транзистора параллельно катушке реле установлен диод 1N4148, также параллельно включен индикатор включения реле на светодиоде. Для питания модуля можно использовать любой маломощный источник питания 5В (адаптер для зарядки 5В и другие варианты, у меня питание 5В заведено с целевого устройства).  Если вы хотите использовать внешнее питание 9-12В…. то нужно добавить в схему регулятор питания типа 7805 (место в моем варианте платы есть для его размещения без увеличения размеры платы). Реле использовалось китайское, типа JQC-3FF-5VDC, снято ранее с платы коммутации, опять таки что нашлось подходящее под рукой )). Удобно использовать недорогие твердотельные реле вроде OMRON G3MB-202P (правда он 220AC, учитывайте это!), у меня такие также были, но по высоте бокса они не подошли. Для твердотельного реле можно убрать ключ на транзисторе и диод.  Биты микроконтроллера должны быть прошиты на частоту 8Mhz (без делителя, внутренний генератор).

Платы и прошивки пульта и приемника прилагаются. Если есть такая потребность могу выложить отдельно прошивки на большее число каналов или иные варианты функциональной доработки, пишите, если вам это требуется. Пока работаю над вариантом автономного устройства (вместо пульта) с датчиком которое будет передавать сигнал управления нагрузкой.

Теги:

• Sprint-Layout
• Микроконтроллер
• AVR