NRF24L01+PA+LNA SMA Antenna Wireless Transceiver communication module 2.4G 1000m

Делаем умный дом гараж.

После покупки гаража возникла проблема подсветки ворот. Немного поясню: гараж находится в многоэтажном гаражном кооперативе, внутри которого длинные коридоры; освещение в коридорах есть, но оно чисто формальное. Плюс ко всему, днём для экономии электроэнергии часть ламп в коридорах выключают (обычно через одну). То есть вроде коридор освещён, а в потёмках найти с первого разу замочную скважину на темных воротах не всегда удаётся.
Кому интересно, как я ликвидировал данную проблему, прошу под кат (много текста).
Кстати, это мой сотый обзор на данном сайте.

Сначала очень долго пытался выработать идею.
Выбирал варианты из следующего списка (некоторые варианты частично опробовал):
1) Использовать фонарик
2) Использовать розетку с радиоканалом
3) Использовать RFID карточки
4) Попытаться построить что-нибудь с радиоканалом на Arduino
5) Комбинация вышеперечисленных вариантов

Немного пробегусь по вариантам
От использования фонарика я отказался. Большой таскать не хотелось, а маленький много не освещал. Если маленький вешать на ключи, то со временем он становиться потрёпанным. Плюс ко всему, если таскать на ключах, то его во время открытия гаража приходиться отстёгивать, иначе затея с фонариком теряет смысл. Короче, фонарик у меня не прижился. Хотя это универсальный и достаточно дешёвый способ.
Второй идеей было использовать розетку с радиоканалом. В принципе мысль нормальная, только таскать с собой пульт не хотелось. Я почему-то не стал рассматривать этот вариант шире, хотя думаю, что зря. У меня дома есть подобный пульт и мне он показался большим. Хотя думаю, что если бы поискал на Китайских сайтах, то возможно нашёл бы пульт с размером, как от автомобильной сигнализации. Ещё меня останавливало то, что во время подъезда машины к гаражу мне пришлось бы доставать пульт, включать свет и, что самое главное, не забыть его выключить. То есть я хотел полной автоматизации – моя машина подъехала, свет включился, машину загнал в гараж, свет выключился. Сразу предвижу вопрос, почему не освещать фарами ворота? Дело в том, что я обычно проезжаю дальше своего гаража по коридору, не глуша двигатель иду открывать ворота и потом задним ходом заезжаю в гараж.
По поводу использования RFID технологии отказался сразу. Не хотел, чтобы мне изуродовали какое-либо устройство, которое висит снаружи. Плюс ко всему, мне пришлось бы в темноте искать устройство, прикладывать к нему чип (карточку или метку), а потом открывать гараж. В этом плане радиоуправляемый пульт лучше подходит, так как нет внешних электронных компонентов у гаража.
С идеей автоматизации я ходил долго, все обдумывал. Осталось выбрать компоненты и начать воплощать в жизнь.
Начал смотреть в интернете, на чем можно реализовать радиоканал. Сначала мне попались радиомодули с частотой 433.9 МГц. У них приёмник и передатчик выполнены раздельно. Модули небольшие, относительно дешёвые (около 2,5$), но отказался я от них по следующим причинам:
— для организации более-менее нормального протокола мне на каждую сторону нужен и передатчик и приёмник.
— нормальной библиотеки под Arduino я не нашёл. Есть VirtualWire, но там, чтобы организовать полностью структуру сетевого протокола, нужно очень много кодить.
Потом мне попались радиомодули на чипе nRF24L01+ (есть ещё версия без плюса в конце, но они хуже по параметрам). Все, что на прошлых модулях было минусом, в этих модулях было плюсом. Приёмник и передатчик был в одном корпусе, есть много разных библиотек с нормально реализованным сетевым протоколом, цена меньше доллара за штуку. В итоге, дальше искать не стал и заказал лот из 4 штук.
Модули приехали и провалялись несколько месяцев в столе на работе (работы было много и до реализации своего проекта все никак руки не доходили).
Настал момент, когда я собрал на двух макетках (Arduino Uno и Arduino mini) клиентскую и серверную часть.
Клиентская часть

Серверную часть отдельно сфотографировать не успел (дальше будут фотографии).
Залил в макетки программы сервера и клиента из библиотеки Mirf и стал смотреть, что приходит в терминал. Это был первый облом :-). В терминале было пусто. Что я только ни делал. Перепроверил все подключения, менял местами сервер и клиент. Потом плюнул на все и упростил клиентскую и серверную часть до минимальной программы (заодно изучил работу библиотеки Mirf). Как ни странно, но все равно не заработало. Точнее работало, только если в Arduino mini была залита клиентская часть, и она после Reset-a отправляла только один пакет. Стал шерстить интернет и на одном из форумов увидел совет — повесить по питанию 3,3 В, которые идут на питание модуля nRF24L01+, конденсатор ёмкостью несколько десятков микрофарад. Немного поясню: так как nRF24L01+ питается от 3,3 В, а на Arduino mini такого напряжения нет, то пришлось использовать линейный стабилизатор LM1117-3,3. В связи с тем, что я напряжение по 5В считал нормальным, то и конденсаторы на выходе LM1117-3,3 вешать не стал.
После того как поставил конденсатор по питанию 3,3В, сразу все заработало.
Быстренько написал код для двух модулей и пошёл в гараж на испытания.
Первые испытания прошли не очень удачно. Я вывел информацию приёма пакета на один светодиод. В итоге, больше половины пакетов терялось (или я просто не видел, как приходит пакет). Пришлось модернизировать программу, делать задержки, добавил ещё один светодиод, который отвечает за выходной канал. Новые испытания в гараже показали, что хоть пакеты и теряются, выходной канал все равно срабатывает через раз.
Шеф, всё пропало, все пропало! Гипс снимают, клиент уезжает… Если серьёзно, то на тот момент я попал в тупик. Купил модули, собрал макет, осталось только все разместить в приглядном виде, а тут такой облом. На работе начали советовать вместо штатной антенны на модуле припаять медный кусок провода длиной 31 мм (четверть длины волны), но до этого не дошло. Поначалу я забросил проект из-за большого количества дел на работе перед отпуском, а потом, просматривая электронные компоненты у проверенного продавца на eBay, я наткнулся на модуль nRF24L01+ с усилителем и нормальной антенной. Радиус действия, в описании у данного модуля, был в 10 раз больше, чем у обычного (1000 м). Самое главное, цоколевка разъёма была такая же, так что переделывать ничего не пришлось. Заказал.
Пришло все в индивидуальных антистатических пакетах. В заказе было много чего другого :-).

Модуль поближе


Здесь видно, что некоторые элементы криво припаяны, но на работу это не влияет. Как ни странно, я заказывал два модуля, и на обоих подобный брак.
Модуль вместе с антенной

Быстро прицепив модуль к старой макетке, пошёл в гараж. Приём пакетов уверенный, даже слишком. Пробивает бетонную и кирпичную стены и железные ворота.
Пока ждал модуль, решил разработать полностью схему и вытравить плату. Не знаю почему, но я был уверен, что модуль с усилением будет работать, как надо.
Схема довольно простая:

Разработал плату

Если честно, то схема у меня была в голове, а плату я разрабатывал с учётом всех особенностей выводов Arduino. Так в данном случае лучше оптимизировать соединения. А уж потом когда плата разведена, я рисовал схему.
Собранная плата:


Изначально блок питания на 12 В должен был прикручен по другому, но у меня просто под рукой не было нужного куска текстолита. Использовал то, что было, а блок питания развернул.
На фотографии видно, что я для тестов использовал модуль без усиления.

Собирать гаражную часть решил в пластиковом щитке. Заодно я там решил поместить реле напряжения и автоматы (они мне нужны были для других нужд).
Вот так это выглядит в сборе


В качестве лампы я решил использовать светодиод на 10Вт. Разместить светодиод решил в корпусе от светильника (у нас такие корпуса используются в коридоре в гаражном кооперативе)

Внутренности (патрон и крепление) у светильника я демонтировал, а на освободившееся место прикрутил радиатор от старого процессора Pentium II Slot1. На данный радиатор поместил светодиод, предварительно намазав его термопастой.

Потом собрал светильник и повесил перед гаражом


Серверную часть, которая должна находится в машине, я на тот момент переделывать не стал. Она у меня была собрана из макетки, на которую припаивались разъем для питания, линейный стабилизатор LM1117-3,3, конденсатор и колодки. В колодки вставлялись Arduino и модуль nRF24L01+.
На столе все подключил (светодиоды, кнопку, провода питания и светильник) и проверил. Дома все работало замечательно.

В гараже прикрепил щиток

Провёл к нему провода в кабелеканалах и включил в сеть.



Попробовал подавать питание на серверную часть (та, что должна стоять в машине), светильник перед гаражом загорался. На тот момент я уже обдумывал, как мне переделать серверную часть, чтобы она была поменьше, и установить её в машине. Как-то, занимаясь делами в гараже, случайно услышал, что щёлкнуло реле. Вышел за ворота — свет горит, на щитке зелёный светодиод, который дублирует включение реле. При этом у меня серверная часть была отключена. Пока обдумывал ситуацию, свет погас. Через некоторое время я увидел, как вспыхнул красный светодиод (показывает присутствие сигнала), а потом зажегся зелёный светодиод вместе с щелчком реле, которое включило свет в коридоре. Явно происходило что-то странное в работе моего устройства (ещё один облом). Я сначала подумал, что помеха по питанию включает релюшку. Дело было под вечер, поэтому я отключил свой щиток от сети и пошёл домой обдумывать сложившеюся ситуацию. Дома открыв схему устройства и код программы, ещё раз обдумал все и пришёл к выводу, что аппаратно все сделано правильно и никакая помеха не может включить сразу два канала одновременно на Arduino (у меня сработало реле на выходе D3 и светодиод на выходе D10).
Чтобы представлять логику программы попытаюсь описать её как можно проще.

Клиентская часть в гараже постоянно излучает в эфир некое число (пусть будет Х) и ждёт определённое время ответ. Серверная часть в машине находится в спящем режиме (работает по прерыванию). Как только она получает сигнал, она проверяет, совпадает ли присланное число с Х. Если совпадает, то серверная часть отсылает некое число (пусть будет Y) и засыпает.
Клиентская часть, получив ответ, проверяет правильность числа Y и, если верификация пройдена, то включается свет и зажигается дублирующий зелёный светодиод на 10 секунд. Красный светодиод (признак присутствия правильного сигнала) загорается на секунду.
Если в эти 10 секунд происходит ещё один обмен пакетами, то эти 10 секунд начинают отсчитываться от последнего обмена пакетами.
Кнопка нужна, чтобы принудительно включить свет перед гаражом на 30 секунд. Этого времени достаточно, чтобы закрыть ворота на ключ.

Проанализировав программу и почитав ещё про модули nRF24L01+, выяснил, что подобные чипы устанавливаются в большинство беспроводных клавиатур и мышей. Адрес сервера и клиента я задал по умолчанию, как в примерах на этот модуль. Вероятнее всего, поблизости (а может и неочень) находилось беспроводное устройство (клавиатура или мышь), которое тоже по дефолту имело сетевое имя. В определённый момент мой клиент поймал ответ с числом Y и принял этот пакет за ответ от серверной части. Если учесть, что последний байт адреса передатчика может иметь любое значение, то полное совпадение пяти байт в адресе передатчика может и не соблюдаться.
Короче…. Я взял и поменял имя(адрес) серверной и клиентской части на уникальные, и ложные срабатывания прекратились. По крайне мере, я находился в гараже несколько раз по паре часов и случайно у меня светильник не включался. На всякий случай я придумал диалоговый алгоритм, где вероятность совпадений были бы очень маленькими. Но похоже, он не пригодится мне.

Вот в принципе и все…
Чуть не забыл написать, как я внедрил серверную часть в машину.
Тут все просто. Моим вторым обзором на PlusPda в далёком 2011 году был обзор преобразователя на 5В.
Этот преобразователь я использовал в прошлой машине для запитывания регистратора и сейчас он у меня стоит в новой машине и также питает регистратор.
Подключал я его по такой схеме:

Здесь блок DRL подключает фары через 5 секунд после пуска двигателя.
Так вот параллельно регистратору я подключил серверную часть. Токи потребления там небольшие (20-30 мА). При токе потребления регистратора 600-700мА, токи в 30 мА выглядят мизерными. При глушении двигателя питание с блока DRL снимается и, естественно, преобразователь обесточивается.

Чтобы уменьшить размеры серверной части, пришлось и здесь сделать плату, в которую жёстко впаял Arduino. Это позволило уменьшить все устройство по высоте примерно на 1 см (величина колодки).
Мне как раз перед переделкой пришла специальная бумага для ЛУТ, вот её как раз решил и испытать.

Готовая плата серверной части



Кварц на Arduino всю малину испортил. Пришлось паять колодку для nRF24L01+. Если бы кварц по высоте был меньше, то nRF24L01+ впаял бы в плату, тем самым уменьшив высоту ещё на 3-4мм.
Для сравнения с прошлой платой (мой первый макет серверной части)



Размер уменьшился.
Дальше я поместил серверную часть в термоусадку и инсталлировал в машину.
Пора заканчивать обзор.

Теперь небольшие размышления/выводы.
Частично я реализовал то, что хотел. Почему частично? Да потому что остаётся открытым вопрос, как включать свет, когда приходишь в гараж рано утром. Я думал сделать пульт на основе чипа Atmega и модуля nRF24L01+, но все упирается в питание устройства и корпус. Сейчас пока обдумываю разные варианты.