[模組] 無線資料傳輸：nRF905 和 nRF24L01 (以 Arduino 為控制器)
模組說明
過去挪威公司 Nordic 開發兩款無線通訊傳輸模組，一種用在中低頻段 (433/868/915 MHz)，稱為 nRF905；另一種用在高頻段 (2.4 GHz)，稱為 nRF24L01。以 RF 特性來看這兩款模組，低頻傳輸距離較高頻遠，低頻訊號具有繞射特性，高頻訊號穿透性較差，不過高頻的資料傳輸率比較高，NRF24L01 傳輸率 > 250kbps，NRF905傳輸率 < 50kbps。因此，我們可以依據應用的需求，選擇適合的無線模組。
圖一所示為 Nordic 公司的 NRF 模組的內部方塊圖，圖右邊有 SPI 控制介面可以讀寫晶片內的暫存器，這些暫存器組算是晶片基頻的數位資料，已經被解調後的資料了。另外，控制接腳用來切換 TX/RX 模式，RF 模組的傳輸可視為半雙工方式，因為不可能同時發送又接收。圖左邊是天線，內有一機制是模式切換，就是技術文件裡說的 BurstTX 和 BurstRX。接收端，後面接一個 LNA 放大器，將接收下來的小訊號放大以便讓後端解調處理。發射端，接一個 PA 放大器，將調變訊號再增強以便發射出去，PA 增益越大，發射的距離越遠，但是以這模組上的 PA 放大功率有所限制，主因還是使用無線頻譜資源必須得遵守，不可干擾其他設備。
 |
| 圖一：NRF 無線模組的內部方塊圖 |
資料傳輸測試
NRF 模組內部有兩大機制，一個是位址，一個是 CRC 檢測，必須位址正確了，加上 CRC 檢測無誤，這樣才算完整接收成功。為了驗證資料丟失率，我們用兩塊 Arduino 開發板和 NRF905 模組，當做資料乒乓傳輸測試，一邊當發射端，一邊當接收端。發射端送出資料後，接收端收到後必須再回傳，發射端確認回傳資料無誤後，紀錄一次正確傳輸，如果一段時間沒有收到，代表資料丟失，記錄一次失敗傳輸，發射端再重新傳輸一次。
底下影片紀錄雙邊通訊的情況，在短距離的範圍內 (< 1公尺)，發送一筆 4 bytes 長度的資料，接收端再回傳資料，當做 ACK，過程中還是有丟失資料的現象。測試代碼可參考 [2][3]。
影片：兩個 NRF905 模組乒乓來回傳輸的測試
改善通訊距離
在網路上買到的模組，常常標榜傳輸距離長達一千公尺以上，這種說法別輕易相信，多半買來測試後，將會大失所望。如果測試的環境是空曠平地，沒有其他干擾因素下，傳輸距離或許可達上千公尺，但實際環境存在不少干擾和阻隔，不可能有那麼遠的距離。想要改善這種情況，我們底下的實驗從天線類型開始測試，再增加射頻放大器，並觀察測試的結果。
從網路購買的無線模組，原本在模組上面使用的天線是短小型，如下圖所示，用這種天線測試通訊距離大約 10 公尺左右 (市區的干擾與阻隔多)，而且通訊穩定度時好時壞，這跟標榜距離可達數百公尺以上有相當大的落差。於是，我們以同樣的條件測試，但是把天線改為增益型的天線，天線長度比較長，如下圖所示，整體的通訊距離可再增加約 10 公尺，而且通訊穩定度比前面的測試還要優良。
 |
| 圖二：從原本天線改為增益天線 |
上面的測試只是改變天線類型便有成效，接下來我們希望從發射訊號的強度做改善，在發射端加上一個射頻放大器 (PA放大器)，如下圖所示。測試時，必須把模組的程式設定為 TX 模式，另一端的模組程式設為 RX 模式，因為這是一個外部的 PA 放大器，只能放大 TX 訊號 (看看 RF-in, RF-out 的方向就知道了)。如果想要做到 TX 和 RX 都能放大，那就需要有個線路切換功能，如圖一所示能將 TX 和 RX 訊號的路徑做切換。
首先，TX 模組將發射的小訊號透過 PA 加強增益後，從天線發射出去。經過同樣的測試，發現通訊距離更遠，大約可超過 100 公尺。雖然我們可以靠 PA 放大器增加通訊距離與穩定，但無線頻譜是一個公共資源，即使是 ISM 頻段，我們在使用上也要遵守頻譜規範，不可任意放大訊號以致干擾到其他設備。實驗過程，主要讓我們了解怎麼延長通訊距離與改善通訊品質。
 |
| 圖三：新增射頻放大器 |
參考資料
[1] IoT LPWAN介紹
留言