Радиомодули и Arduino: nRF24L01+, 433 МГц, HC-12 и LoRa

Слово «радиомодуль» в поиске означает три совершенно разные вещи. Первая — приёмопередатчик на 2,4 ГГц, который сам собирает пакет, сам ждёт подтверждения и сам повторяет посылку. Вторая — пара деталей на 433 МГц за полторы сотни рублей, где всю работу делает плата, а модуль только включает и выключает несущую. Третья — LoRa, радио для километров и одной посылки в минуту. Разбираем все три: что покупать, как подключать, что писать и почему оно молчит.

Три семейства, между которыми выбирают

Выбор проще, чем кажется. Нужны две платы рядом и надёжный обмен — берите 2,4 ГГц. Нужна одна кнопка через стену за копейки — 433 МГц. Нужно, чтобы «просто работало как провод», — HC-12.

Сначала про закон, потом про провода

Эфир — общий, и полосы в нём поделены. Радиолюбительские модули работают в участках, открытых для устройств малого радиуса действия: по решению ГКРЧ это 433,075 … 434,79 МГц с мощностью около 20 мВт и 2400 … 2483,5 МГц с мощностью до 100 мВт. Разрешение при этом не нужно.

Неприятность в том, что модули умеют заметно больше разрешённого. Чип nRF24L01+ по паспорту Nordic перестраивается от 2400 до 2525 МГц — и сам паспорт добавляет: «какой участок вам доступен, определяют правила регулятора». HC-12 из ста своих каналов попадает в разрешённую полосу только первыми четырьмя. А совет из интернета «уйдите на канал 100, там нет Wi-Fi» означает выход за границу полосы.

С мощностью история такая же. Библиотека LoRa по умолчанию ставит 17 дБм, то есть 50 мВт. HC-12 приезжает с завода на восьмом уровне — это 100 мВт. Для полосы 433 МГц и то и другое многовато: разрешено около двадцати. Лечится одной строкой в скетче, и на дальности в комнате это никак не скажется.

nRF24L01+: проблема не в радио, а в питании

Это самый популярный модуль из трёх, и почти все жалобы на него — про питание. На плате стоит чип с рабочим напряжением 1,9 … 3,6 В. Пять вольт на выводе VCC выводят его из строя сразу и навсегда. Зато сигнальным ножкам пятивольтовая логика не страшна: паспорт разрешает на входах до 5,25 В — но только пока на самом VCC не больше 3,3 В. Поэтому Uno общается с модулем напрямую, без всяких преобразователей уровней.

Цифры тока маленькие — 11,3 мА в передаче, 13,5 мА в приёме. И всё же питание от вывода 3V3 самой Arduino работает через раз. Дело не в среднем токе, а в том, что модуль переключается между приёмом и передачей за микросекунды, и слабому стабилизатору не хватает скорости: напряжение проседает, чип теряет настройки. Два рабочих решения: конденсатор на 10 мкФ, впаянный прямо на ножки VCC и GND модуля, либо переходник с собственным стабилизатором — заодно он превращает неудобную двухрядную гребёнку в обычную однорядную.

Отдельная ловушка — SPI. Это не UART: линии здесь не перекрещиваются. MISO модуля идёт к MISO платы, MOSI к MOSI. Ошибка встречается постоянно именно потому, что рядом, в разделе про Bluetooth, всё наоборот.

Одна программа на две платы

Обычно для радио пишут два скетча — «передатчик» и «приёмник» — и путаются, какой куда залит. Проще залить в обе платы одно и то же, а роль выбирать перемычкой: замкнули вывод 2 на землю — эта плата передаёт, оставили свободным — принимает.

#include <SPI.h>
#include <RF24.h>

// Одна и та же программа заливается в ОБЕ платы. Роль выбирает перемычка:
// вывод 2 замкнут на GND — плата передаёт, вывод свободен — принимает.
const uint8_t PIN_CE = 9;
const uint8_t PIN_CSN = 10;
const uint8_t PIN_ROLE = 2;

RF24 radio(PIN_CE, PIN_CSN);

// Адрес трубы: пять байт, одинаковые на обеих платах.
const uint8_t ADDRESS[5] = {'T', 'r', 'e', 'm', 'a'};

// Передаём не строку, а структуру: приёмник получит те же поля целыми.
struct Message {
  uint16_t number;
  int16_t value;
};

Message message;
bool transmitter = false;
unsigned long lastSend = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(PIN_ROLE, INPUT_PULLUP);
  transmitter = digitalRead(PIN_ROLE) == LOW;

  // begin возвращает false, если модуль не отозвался по SPI. Причин почти
  // всегда две: на VCC пришло 5 В вместо 3,3 В или перепутаны MISO и MOSI.
  while (!radio.begin()) {
    Serial.println("Модуль не отвечает: проверьте питание 3,3 В и провода");
    delay(2000);
  }

  radio.setDataRate(RF24_250KBPS);  // самая дальнобойная скорость
  radio.setPALevel(RF24_PA_LOW);    // на столе большая мощность не нужна
  radio.setChannel(76);             // 2476 МГц — внутри разрешённой полосы
  radio.setPayloadSize(sizeof(Message));

  if (transmitter) {
    radio.openWritingPipe(ADDRESS);
    radio.stopListening();
    Serial.println("Эта плата передаёт");
  } else {
    radio.openReadingPipe(1, ADDRESS);
    radio.startListening();
    Serial.println("Эта плата принимает");
  }
}

void loop() {
  if (transmitter) {
    if (millis() - lastSend >= 500) {
      lastSend = millis();
      message.number++;
      message.value = analogRead(A0);

      // write ждёт подтверждения от приёмника и вернёт false, если его нет.
      if (radio.write(&message, sizeof(message))) {
        Serial.println("Посылка " + String(message.number) + " принята");
      } else {
        Serial.println("Посылка " + String(message.number) + " ушла впустую");
      }
    }
  } else if (radio.available()) {
    radio.read(&message, sizeof(message));
    Serial.println("Номер " + String(message.number) +
                   ", значение " + String(message.value));
  }
}

Что здесь важно, кроме проводов.

Адрес. Пять байт, одинаковых на обеих платах. Это не шифрование, а фильтр: модуль просто не разбудит плату, если посылка адресована не ему. Соседский модуль с другим адресом вам не помешает, даже если сидит на том же канале.

Скорость. В библиотеке по умолчанию 1 Мбит/с. Строка с 250 кбит/с делает связь заметно дальнобойнее: чувствительность приёмника растёт с −85 до −94 дБм, а девять децибел — это примерно втрое большее расстояние в чистом поле. Плата за это — пакет летит вчетверо дольше.

Подтверждение. Метод write() возвращает true только если приёмник ответил. Библиотека сама повторит посылку до пятнадцати раз с паузой 1500 мкс — то есть при пропавшей связи скетч простоит на этой строке около двадцати миллисекунд, а если модуль вообще отвалился по SPI, библиотека сдастся через 95 мс. Знать это полезно: «плата иногда подтормаживает» — обычно про это.

433 МГц: две детали и много ручной работы

Комплект из передатчика FS1000A и приёмника MX-RM-5V стоит дешевле обеда и устроен предельно просто. Передатчик — это генератор, который включается, когда на его вход подан единичный уровень. Приёмник — наоборот: выдаёт единицу, пока слышит несущую. Никакого протокола, адресов и подтверждений внутри нет. Всё это должна придумать плата.

Отсюда три следствия, о которых стоит знать до покупки.

Без антенны дальность метры. Длина волны на 433,92 МГц — 691 мм, четверть волны — 172 мм. Ровно такой кусок обычного монтажного провода, припаянный в отверстие ANT, превращает «работает на столе» в «работает через две стены».

Приёмник всегда что-то «слышит». В нём есть автоматическая регулировка усиления: когда сигнала нет, она выкручивает чувствительность на максимум и на выходе появляется случайная чересполосица. Это нормально. Мусор отсеивает контрольная сумма — но плата всё равно тратит время на каждый ложный фронт.

Приёмник боится пульсаций питания. Сервопривод, мигающая лента или преобразователь рядом — и приёмник примет их за сигнал. Помогает отдельное питание или конденсатор по шине.

Библиотеки для 433 МГц: своя и чужая

В каталоге лежат обе. Наша iarduino_RF433 ловит фронты внешним прерыванием, чужая RadioHead — по таймеру, восемь прерываний на каждый бит. На скорости 2000 бит/с это шестнадцать тысяч прерываний в секунду, и заодно занят таймер 1: на Uno перестаёт работать ШИМ на выводах 9 и 10, а вместе с ним — библиотека Servo.

Замеры сделаны одинаково: минимальный скетч, плата Uno, пустой скетч для сравнения весит 9 байт ОЗУ и 444 байта флеша. Разница между двумя библиотеками для одного и того же комплекта деталей — четыре раза по памяти и почти четыре по программе. Один объект RH_ASK занимает 256 байт: восьмая часть всей памяти Uno уходит на буферы.

Честности ради, у нашей библиотеки тоже есть особенность. Блок приёмника — 105 байт с двумя буферами — заводится в памяти всегда, даже если скетч только передаёт. Поэтому передающий скетч и принимающий весят почти одинаково.

Пример: тот же обмен, но на 433 МГц

Скетч устроен так же, как предыдущий: одна программа на обе платы, роль выбирает перемычка. Названия методов у нашей библиотеки специально повторяют RF24 — если вы уже разобрались с 2,4 ГГц, читать нечего.

#include <iarduino_RF433_Transmitter.h>
#include <iarduino_RF433_Receiver.h>

// Одна программа на обе платы, роль выбирает перемычка на выводе 5.
// Передатчик FS1000A сидит на выводе 4, приёмник MX-RM-5V — на выводе 2:
// приёмнику нужен вывод внешнего прерывания, на Uno это только 2 и 3.
const uint8_t PIN_TX = 4;
const uint8_t PIN_RX = 2;
const uint8_t PIN_ROLE = 5;

iarduino_RF433_Transmitter radioTX(PIN_TX);
iarduino_RF433_Receiver radioRX(PIN_RX);

struct Message {
  uint16_t number;
  int16_t value;
};

Message message;
bool transmitter = false;
unsigned long lastSend = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(PIN_ROLE, INPUT_PULLUP);
  transmitter = digitalRead(PIN_ROLE) == LOW;

  if (transmitter) {
    radioTX.begin(1000);         // 1000 бит в секунду: медленно, зато цепко
    radioTX.openWritingPipe(3);  // труба — это адрес, у обеих плат один
    Serial.println("Эта плата передаёт");
  } else {
    radioRX.begin(1000);
    radioRX.openReadingPipe(3);
    radioRX.startListening();
    Serial.println("Эта плата принимает");
  }
}

void loop() {
  if (transmitter) {
    if (millis() - lastSend >= 500) {
      lastSend = millis();
      message.number++;
      message.value = analogRead(A0);

      // Отправка четырёх байт на скорости 1000 бит/с занимает 67 мс, и всё
      // это время скетч стоит: библиотека отбивает импульсы сама.
      radioTX.write(&message, sizeof(message));
    }
  } else {
    uint8_t pipe = 0;

    // Номер трубы стоит спрашивать всегда: так видно, кто прислал посылку.
    if (radioRX.available(&pipe)) {
      radioRX.read(&message, sizeof(message));
      Serial.println("Труба " + String(pipe) +
                     ", номер " + String(message.number) +
                     ", значение " + String(message.value));
    }
  }
}

«Труба» здесь — это адрес, только очень короткий: три бита, то есть восемь возможных значений. Ещё пять бит того же байта хранят длину посылки — отсюда предел в 32 байта за раз, ровно как у nRF24, хотя причины совсем разные. Достоверность проверяется контрольной суммой CRC16, её библиотека считает и на передаче, и на приёме.

Главная особенность — время. Библиотека выдаёт каждый полубит вручную, а значит на время передачи скетч не делает ничего другого. Сколько именно это длится, легко посчитать по её же исходнику:

Четыре байта на самой медленной скорости — это 67 миллисекунд молчания платы. Если в примере отправлять посылку каждые 200 мс, треть времени плата занята радио. Полные 32 байта на той же скорости — почти треть секунды. Поэтому на 433 МГц шлют коротко и редко: команду, а не поток.

И одно замечание про вызов available. У него есть форма без параметра — не пользуйтесь ею. В версии 1.0.2 библиотека всё равно пытается записать номер трубы по указателю, которого нет. Форма с переменной, как в примере, и безопаснее, и полезнее: сразу видно, какой передатчик прислал посылку.

HC-12: радио, которое притворяется проводом

Если возиться с пакетами не хочется, есть третий путь. HC-12 — это модуль с обычным портом UART: что отправили в него на одной плате, то и появится из второго модуля на другой. Никаких библиотек, адресов и контрольных сумм — всё внутри. По паспорту до километра связи и чувствительность до −117 дБм, то есть заметно дальше, чем у пары за 144 рубля.

Настраивается модуль AT-командами, и для этого на выводе SET должен быть низкий уровень. Пока он там — модуль слушает команды и в эфир ничего не отдаёт.

#include <SoftwareSerial.h>

// HC-12 — это провод по воздуху: что отправили в его порт на одной плате,
// то и вылезет из порта на другой. Обе платы получают эту программу.
const uint8_t PIN_RX = 10;  // к выводу TXD модуля
const uint8_t PIN_TX = 11;  // к выводу RXD модуля
const uint8_t PIN_SET = 9;  // низкий уровень — модуль слушает AT-команды

SoftwareSerial radio(PIN_RX, PIN_TX);
unsigned long lastSend = 0;

// Отправляем модулю команду и показываем его ответ в мониторе порта.
void command(const char *text) {
  radio.println(text);
  delay(100);
  while (radio.available()) {
    Serial.write(radio.read());
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  radio.begin(9600);

  pinMode(PIN_SET, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_SET, LOW);
  delay(50);

  command("AT+C001");  // канал 1 — это 433,4 МГц, шаг каналов 400 кГц
  command("AT+P5");    // 11 дБм вместо заводских 20 дБм
  command("AT+FU3");   // обычный режим работы
  command("AT+RX");    // показать все настройки разом

  digitalWrite(PIN_SET, HIGH);
  delay(100);
  Serial.println("Модуль настроен");
}

void loop() {
  // Всё, что пришло по радио, показываем в мониторе порта.
  while (radio.available()) {
    Serial.write(radio.read());
  }

  // Раз в секунду отправляем строку в эфир.
  if (millis() - lastSend >= 1000) {
    lastSend = millis();
    radio.println("Привет от соседней платы");
  }
}

Две команды в этом скетче важнее остальных. AT+C001оставляет модуль на 433,4 МГц: каналы идут с шагом 400 кГц, и уже пятый выходит за разрешённую полосу. AT+P5 снижает мощность с заводских 20 дБм до 11 — то есть со ста милливатт до двенадцати с половиной. На дальность в квартире это не влияет никак.

Заводской режим FU3 — компромисс: он подстраивает скорость эфира под скорость порта. Если нужна максимальная дальность, есть FU4, но там между посылками придётся выдерживать больше двух секунд. Если нужно питание от батарейки — FU2 с током покоя 80 мкА, ценой полусекундной задержки.

LoRa: когда нужны километры

LoRa решает другую задачу. Вместо того чтобы передавать быстро, она размазывает сигнал по полосе и передаёт медленно — зато приёмник вылавливает его из-под уровня собственных шумов. Чувствительность SX1276 доходит до −148 дБм при бюджете линии 168 дБ. Для сравнения: лучшее, что может nRF24L01+, это −94 дБм. Разница в 54 децибела — это уже не «подальше», а другой класс задач: датчик на дальнем поле, счётчик в подвале, метка на пасеке.

Платят за это скоростью: реальный поток измеряется сотнями бит в секунду, а посылки шлют раз в минуту или реже. И ценой: модуль стоит дороже, чем плата, к которой его подключают.

В нашем магазине LoRa-модулей нет, поэтому ссылок на товар в этом разделе не будет. Но библиотека в каталоге лежит — LoRa 0.8.0, самая распространённая, и она удивительно скромная: 71 байт ОЗУ и 2202 байта программы. Если возьмётесь, помните про мощность: по умолчанию библиотека выставляет 17 дБм, а для полосы 433 МГц это втрое больше разрешённого.

Что купить

Минимальный комплект для 2,4 ГГц — два модуля nRF24L01+ (арт. 83, 162 ₽) и, если не хочется паять конденсаторы, два переходника со стабилизатором (арт. 688, 144 ₽). Тот же модуль в формате Trema с готовым питанием — арт. 1083, 342 ₽. Если нужна дальность за пределами квартиры — версия с усилителем и внешней антенной, арт. 352, 491 ₽; только следите, чтобы излучаемая мощность осталась в разрешённых ста милливаттах.

Для 433 МГц берут комплект передатчик плюс приёмник (арт. 351, 144 ₽) — для двусторонней связи нужны два таких комплекта, по одному на каждую сторону. Вариант «просто чтобы работало» — HC-12 (арт. 1188, 711 ₽), антенна в комплекте.

Не работает — что проверить

Общее правило для всех трёх семейств: сначала проверяют питание, потом настройки, и только потом грешат на эфир. Радио почти никогда не виновато.

Частые вопросы

Читайте также

• DHT11 и DHT22: температура и влажностьЧем DHT22 лучше DHT11, куда девать третью ножку, зачем резистор 10 кОм и почему датчик отвечает nan.
• HC-SR04: ультразвуковой дальномерКак модуль меряет расстояние звуком, скетч без библиотек в 20 строк и почему на морозе он завышает.
• DS18B20: термометр на шине 1-WireТермометр для воды и улицы: резистор 4,7 кОм, несколько датчиков на одном проводе и загадочные 85 °C.
• SD-карта и логгер данных на ArduinoЧетыре провода, формат FAT32, имена по восемь символов — и половина памяти Uno, которой больше нет.

• Bluetooth и Arduino: HC-05 и телефон
• UART: как связать две платы проводом
• Wi-Fi для Arduino: ESP8266 и ESP32