Как подключить и использовать NRF24L01 с Arduino

Для проекта нам понадобятся:

• Ардуино UNO (или совместимая плата);
• приёмопередатчик NRF24L01 или аналог;
• макетная плата;
• соединительные провода (вот такие);
• плата с микросхемой FT2232 (опционально);
• персональный компьютер или ноутбук.

1Описание и характеристики приёмопередатчика NRF24L01

NRF24L01 – миниатюрный (4×4 мм) приёмопередатчик на одном чипе. Он очень дешёвый, при этом обеспечивает устойчивую радиосвязь на расстояниях в десятки метров (а при усилении и с хорошей антенной – сотни метров в зоне прямой видимости), и поэтому получил широкое распространение среди радиолюбителей. Основные технические характеристики чипа nRF24L01:

• частота ~2,4 ГГц, 126 радиоканалов;
• программируемая выходная мощность передатчика 0, -6, -12 или -18 дБм;
• 3 скорости передачи: 250 кбит/с, 1 Мб/с и 2 Мб/с;
• автоматическая обработка пакетов;
• частотная модуляция GFSK радиосигнала;
• ультранизкое потребление;
• напряжение питания 1,9…3,6 В;
• порты ввода-вывода толерантны к 5 В;
• совместимость с nRF2401A, nRF2402, nRF24E1 и nRF24E2;
• управление по цифровому 4-проводному интерфейсу SPI, скорость до 10 Мб/с.

NRF24L01 можно приобрести в составе готового модуля. Назначение выводов модуля показано на иллюстрации. На обратной стороне модуля радиоэлементов нет.

Для организации приёма и передачи понадобятся как минимум два подобных модуля с nRF24L01.

По традиции, сначала подключим nRF24L01 к Arduino и проверим его работоспособность, используя существующие библиотеки. А затем детально рассмотрим протокол управления и научимся работать с приёмопередатчиком без библиотек.

2Подключение приёмопередатчика nRF24L01к Arduino

Подключим модули к Arduino, как показано на рисунке. Каждый модуль к своему контроллеру.

Модули подключаются одинаково, как можно догадаться. А программы в Ардуино будут разные. Один модуль будет работать в режиме приёмника, а другой – передатчика. Но сначала необходимо загрузить библиотеку для nRF24L01 и установить её обычным способом. Библиотека прилагается также в конце статьи.

Напишем для передатчика простейший скетч, который раз в секунду будет отправлять сообщение и инкрементируемый счётчик. Загрузим в одну из плат Arduino скетч передатчика:

#include "SPI.h"  // подключаем библиотеку для работы с шиной SPI
#include "RF24.h" // подключаем библиотеку для работы с nRF24L01

const int CE = 9;
const int CSN = 10;
RF24 radio(CE, CSN); // создаём объект для работы с библиотекой RF24, указывая номера выводов nRF24L01
byte tx_data[32] = {
    0x48,0x65,0x6C,0x6C,0x6F,0x2C,0x20,0x53,
    0x6F,0x6C,0x74,0x61,0x75,0x2E,0x72,0x75,
    0x21,0x20,0x52,0x46,0x32,0x34,0x20,0x74,
    0x65,0x73,0x74,0x69,0x6E,0x67,0x20,0x20
    }; // массив для передачи данных
int cnt = 0; // счётчик

void setup() {
  Serial.begin(57600);
  radio.begin(); // инициализация nRF24L01
  radio.setChannel(115); // задаём канал передачи данных (0...127)
  radio.setDataRate(RF24_250KBPS); // задаём скорость передачи данных (RF24_250KBPS, RF24_1MBPS, RF24_2MBPS)
  radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); // задаём минимальную мощность усилителя передатчика (RF24_PA_MIN=-18dBm, RF24_PA_LOW=-12dBm, RF24_PA_HIGH=-6dBm, RF24_PA_MAX=0dBm)
  radio.openWritingPipe(0x0123456789LL); // открываем "трубу" с заданным 40-разрядным адресом для передачи данных
  Serial.println("Transmitter started");
}

void loop() {
  tx_data[31] = cnt; // последнее число массива - инкрементируемый счётчик  
  if (radio.write(&tx_data, sizeof(tx_data))) {  // отправляем по радио массив, и если успешно,
    Serial.println((String)cnt + " sent"); // то выводим принятые данные в монитор порта
    if (cnt < 255) {
      cnt += 1;
    }
    else {
      cnt = 0;
    }
  }
  else { // в случае отсутствия подтверждения приёма со стороны приёмника
    Serial.println("No ACK");
  }
  delay(1000);
}

	

В другую Ардуинку загрузим скетч приёмника:

#include "SPI.h"  // подключаем библиотеку для работы с шиной SPI
#include "RF24.h" // подключаем библиотеку для работы с nRF24L01

const int CE = 9;
const int CSN = 10;
RF24 radio(CE, CSN); // создаём объект для работы с библиотекой RF24, указывая номера выводов nRF24L01
byte rx_data[32]; // буфер для приёма данных

void setup(){
  Serial.begin(57600);
  radio.begin(); // инициализация nRF24L01
  radio.setChannel(115); // задаём канал передачи данных такой же, как у передатчика
  radio.setDataRate(RF24_250KBPS); // задаём скорость передачи данных как у передатчика
  radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); // задаём минимальную мощность усилителя
  radio.openReadingPipe(0, 0x0123456789LL); // открываем "трубу" с заданным 40-разрядным адресом как у передатчика
  radio.startListening(); // включаем приёмник и начинаем прослушивать открытую "трубу"
  Serial.println("Receiver started");
}

void loop() {
  if (radio.available()) { // если в приёмном буфере имеются принятые данные
    Serial.println("Data received: ");
    radio.read(&rx_data, sizeof(rx_data)); // сохраняем данные в массив
    for (int i=0; i<sizeof(rx_data); i++) { // и выводим в монитор порта
      Serial.print(rx_data[i], HEX);
      Serial.print(" ");
    }
    Serial.println();
  }
}

В моём случае макет с подключёнными модулями выглядит так:

Часто пользователи сообщают о проблемах в питании данных модулей nRF24L01. Это проявляется в том, что приёма нет. В таком случае попробуйте припаять на свободное место модуля конденсатор ёмкостью 1…2 пФ.

Запустим монитор последовательного порта для платы Arduino, которая управляет приёмником nRF24L01. В мониторе мы увидим, что 1 раз в секунду нам приходят пакеты, 31 байт в которых не меняется, а последний, 32-ой, байт содержит увеличивающийся счётчик.

Мы убедились, что модули работают, и что мы можем с помощью них передавать и принимать данные по радиоканалу. Теперь залезем под «капот» и разберёмся, как же управлять приёмопередатчиком nRF24L01.

3Режимы работы и управление приёмопередатчиком nRF24L01

Приёмопередатчик может находиться в четырёх состояниях: выключен, ожидание, приём, передача. Чип nRF24L01 имеет встроенную машину состояний, которая обеспечивает корректный переход между этими состояниями. Пользователь управляет состояниями, загружая в управляющие регистры специальные команды.

Режим выключения (power down mode)

В этом режиме чип потребляет минимальный ток, но может принимать команды по SPI от контроллера.

Режим ожидания (standby mode)

Есть два режима ожидания.

Первый режим ожидания (Standby-I) используется для снижения потребления. В этом режиме чип принимает команды по SPI, быстро переходит в режим передачи, и так же быстро возвращается обратно в режим ожидания 1. Для перехода в этот режим нужно подать на CE "HIGH" и в регистре CONFIG установить бит PWR_UP в "1".

Второй режим ожидания (Standby-II) более энергозатратен по сравнению с первым: чип работает полностью, и устройство готово к приёму и передаче практически моментально (около 130 мкс). Как только в передающем буфере оказываются данные, микросхема nRF24L01 начинает передачу. Для перехода в этот режим нужно держать CE в "HIGH" и в регистре CONFIG должен быть установлен бит PWR_UP в "1".

Режим приёма (RX mode)

Это режим, в котором чип nRF24L01 используется как приёмник. При этом он постоянно сканирует эфир на наличие валидных пакетов. Как только валидный пакет будет найден, он помещается в свободный слот приёмного буфера. Если буфер полностью заполнен, то пакет игнорируется.

Для перехода в режим приёма нужно установить биты PWR_UP и PRIM_RX в "1", и вывод CE установить в "HIGH". Режим будет держаться до тех пор, пока контроллер не переключит его в другой (например, режим ожидания или выключения).

Режим передачи (TX mode)

Режим передачи используется для передачи данных.

Для перехода в режим приёма нужно установить бит PWR_UP в "1", бит PRIM_RX в "0", и вывод CE установить в "HIGH". Данные передаются пакетами максимальной длиной по 32 байта. Режим будет держаться до тех пор, пока передаётся пакет. По окончанию передачи пакета чип перейдёт в режим ожидания 2 (standby-II).

Важно не держать nRF24L01 в режиме передачи дольше 4 мс! Чип поддерживает расширенный режим Enhanced ShockBurst, который соблюдает это требование. Кроме того, этот режим обеспечивает автоматическую обработку пакетов.

В таблице ниже сведены все условия для управления режимами чипа.

Продолжение следует...