nRF24L01+ RF 模組課程
在上一個課程中，我們介紹了ESP8266-01（ESP8266 設定課程）。這是一款小巧的WiFi模組，能夠讓使用者輕鬆地為他們的項目添加WiFi功能。今天，我們將討論 nRF24L01+ RF 模組。該模組是ESP8266 ESP-01的姊妹模組，旨在讓使用者在項目中積體無線射頻通信功能。nRF24L01+和ESP8266 ESP-01具有相似的外形尺寸和引腳佈局（乍一看甚至完全相同）。但是兩者的控制方式和功能完全不同。在本課程中，我們將介紹使用該RF模組所需的基礎知識，同時還會介紹該模組如何與其他RF模組和微控制器通信。就本教材而言，我們將展示該模組如何與Arduino Uno微控制器相連。
nRF24L01+基於Nordic Semiconductor nRF24L01+，是一種“用於2.4GHz ISM（工業、科學和醫療）頻段的RF收發IC”。
規格參數：
2.4GHz ISM 頻段運行
Vcc標稱電壓為3.3V（耐壓輸入5V）
片上穩壓
無線傳輸速率為250kbps、1Mbps、2Mbps
超低運行功耗
低電流消耗 (900nA – 26μA)
6個資料通道
首先，我們來介紹以下該模組的硬體部分。與ESP-01類似，該RF模組配有4×2公頭介面。然而，模組的實際引腳佈局與ESP-01模組不同，這是因為該RF模組利用不同的通信協定——利用不同的與其他裝置通信。如果您想瞭解有關SPI協定的更多資訊，請查看我們的Arduino 通信協議課程!
RF模組的引腳佈局如下圖所示。此資訊來源於Addicore。
圖1. nRF24L01+ RF模組的引腳說明 / ©Addicore
根據設定，該RF模組屬於SPI從器件，這意味著它只能與具有專用SPI通信線路的器件一起工作。因此，圖中顯示的SPI MOSI、MISO和SCK（時脈）引腳必須連接到微控制器上的相應引腳。在Arduino上，這些引腳的定義如下：
- MOSI: Arduino D11
- MISO: Arduino D12
- SCK: Arduino D13
CE和CSN引腳可以連到Arduino上的任何輸出GPIO引腳。在軟體中，SPI通信初始化時系統會指定這些引腳。
RF模組與Arduino之間的連接範例如下：
圖2. CE和CSN引腳（圖中的黃色和綠色線）可以連至任意兩個未使用的數位引腳。在軟體中，您應該在構造RF模組物件時指定這些引腳。
為了連接Arduino與該模組，我們將使用TMRh20的RF24程式館。該程式館能夠方便地將RF模組和MCU之間的低級通信打包成一個易於使用的C++類。
開始使用該模組之前，我們將首先介紹一些背景基礎知識。在美國，射頻裝置能夠使用的頻率僅限於FCC分配的頻率範圍。ISM頻段是為科學和醫療儀器保留的一個頻率範圍，我們的RF模組將使用該ISM範圍內的頻率進行通信。使用RF模組時，我們無需瞭解這些頻率的細節或者通信是如何在這些頻率上發生的。我們將專注於可以控制的無線RF通信內容。
如果滾動瀏覽RF24程式館檔，您會注意到裡面有許多參數可以設定。關鍵參數如下所示：
- 通道： 通信發生的特定頻率通道（頻率映射為0到125之間的整數)
- 讀取通道： 讀取通道是指一個唯一的24位、32位或40位元位址，模組從該位址讀取資料
- 寫入通道： 寫入通道是模組寫入資料的唯一位址
- 功放(PA)級別： PA級別負責設定晶片的功耗，從而設定傳輸功率。就本課程而言（與Arduino一起使用），我們將使用最小功率設定。
RF24程式館文件頁面提供了一些入門的優秀範例代碼。範例項目的位址如下：http://tmrh20.github.io/RF24/examples.html
接下來，我們在“Getting Started”Arduino代碼中查看一下上文列出的參數是如何初始化的。“Getting Started”（入門）代碼的位址如下：
http://tmrh20.github.io/RF24/GettingStarted_8ino-example.html
GettingStarted.ino
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/* * Getting Started example sketch for nRF24L01+ radios * This is a very basic example of how to send data from one node to another * Updated: Dec 2014 by TMRh20 */ #include <SPI.h> #include "RF24.h" /****************** User Config ***************************/ /*** Set this radio as radio number 0 or 1 ***/ bool radioNumber = 0; /* Hardware configuration: Set up nRF24L01 radio on SPI bus plus pins 7 & 8 */ RF24 radio(7,8); /**********************************************************/ byte addresses[][6] = {"1Node","2Node"}; // Used to control whether this node is sending or receiving bool role = 0; void setup() { Serial.begin(115200); Serial.println(F("RF24/examples/GettingStarted")); Serial.println(F("*** PRESS 'T' to begin transmitting to the other node")); radio.begin(); // Set the PA Level low to prevent power supply related issues since this is a // getting_started sketch, and the likelihood of close proximity of the devices. RF24_PA_MAX is default. radio.setPALevel(RF24_PA_LOW); // Open a writing and reading pipe on each radio, with opposite addresses if(radioNumber){ radio.openWritingPipe(addresses[1]); radio.openReadingPipe(1,addresses[0]); }else{ radio.openWritingPipe(addresses[0]); radio.openReadingPipe(1,addresses[1]); } // Start the radio listening for data radio.startListening(); } void loop() { /****************** Ping Out Role ***************************/ if (role == 1) { radio.stopListening(); // First, stop listening so we can talk. Serial.println(F("Now sending")); unsigned long start_time = micros(); // Take the time, and send it. This will block until complete if (!radio.write( &start_time, sizeof(unsigned long) )){ Serial.println(F("failed")); } radio.startListening(); // Now, continue listening unsigned long started_waiting_at = micros(); // Set up a timeout period, get the current microseconds boolean timeout = false; // Set up a variable to indicate if a response was received or not while ( ! radio.available() ){ // While nothing is received if (micros() - started_waiting_at > 200000 ){ // If waited longer than 200ms, indicate timeout and exit while loop timeout = true; break; } } if ( timeout ){ // Describe the results Serial.println(F("Failed, response timed out.")); }else{ unsigned long got_time; // Grab the response, compare, and send to debugging spew radio.read( &got_time, sizeof(unsigned long) ); unsigned long end_time = micros(); // Spew it Serial.print(F("Sent ")); Serial.print(start_time); Serial.print(F(", Got response ")); Serial.print(got_time); Serial.print(F(", Round-trip delay ")); Serial.print(end_time-start_time); Serial.println(F(" microseconds")); } // Try again 1s later delay(1000); } /****************** Pong Back Role ***************************/ if ( role == 0 ) { unsigned long got_time; if( radio.available()){ // Variable for the received timestamp while (radio.available()) { // While there is data ready radio.read( &got_time, sizeof(unsigned long) ); // Get the payload } radio.stopListening(); // First, stop listening so we can talk radio.write( &got_time, sizeof(unsigned long) ); // Send the final one back. radio.startListening(); // Now, resume listening so we catch the next packets. Serial.print(F("Sent response ")); Serial.println(got_time); } } /****************** Change Roles via Serial Commands ***************************/ if ( Serial.available() ) { char c = toupper(Serial.read()); if ( c == 'T' && role == 0 ){ Serial.println(F("*** CHANGING TO TRANSMIT ROLE -- PRESS 'R' TO SWITCH BACK")); role = 1; // Become the primary transmitter (ping out) }else if ( c == 'R' && role == 1 ){ Serial.println(F("*** CHANGING TO RECEIVE ROLE -- PRESS 'T' TO SWITCH BACK")); role = 0; // Become the primary receiver (pong back) radio.startListening(); } } } // Loop |
首先，我們需要注意檔頂部的兩個C++ #include指令：一個用於包含Arduino SPI程式館（前文提到RF模組使用SPI與Arduino通信），另一個用於包含RF24程式館。
#include <SPI.h>
#include “RF24.h”
接下來，我們需要注意構造RF24物件的這行代碼：RF24 radio(7,8); 傳遞給構造函數的兩個參數是連至模組的CE和CSN數位引腳。MOSI、MISO和SCK引腳必須分別是數位引腳11、12和13，可是CE和CSN引腳可以連接任意兩個數位引腳！
接下來，我們來看一下讀寫通道位址。您可能猜到了，寫入和讀取通道位址在兩個彼此通信的無線裝置之間是互換的，因為一個無線裝置的寫入通道是另一個的讀取通道。無線通訊位址的大小為24位、32位或40位。在範例代碼中，這些位址是從C++字串文字轉換而來，但您也可以以二進位或十六進位格式指定它們。比如，指定為十六進位的40位位址可以是0xF0F0F0F0F0。存儲寫入和讀取通道位址時，一個良好的程式設計實踐是將兩個值放在一個陣列中。在範例代碼中，寫入和讀取通道的位址存儲在名為“位址”的位元組陣列中。
在 void setup() 方法中，我們需要說明如何使用位址通道參數和其他參數初始化無線裝置。
首先，系統調用 RF24::begin() 方法。針對 radio 物件調用其它RF24程式館之方法之前，必須先調用begin() ，這是因為該方法負責初始化RF晶片的運行。
接下來，系統調用 RF24::setPALevel() 方法，以設定功放(PA)級別。為了指定功放級別，RF24程式館提供了不同的常數值。更高的PA級別意味著模組可以實現更長距離的通信，但是在運行期間會消耗更多的電流。作為入門程式，我們將 RF_24_LOW 常數作為一個參數傳遞給 setPALevel() 方法，因為兩個通信模組之間的距離不會很大。一般來講，該RF模組與Arduino板配合使用時，我們應該保持PA級別盡可能地低，從而減少Arduino穩壓電源的電流消耗。
接下來，我們將討論如何初始化寫入和讀取通道。我們已經將寫入和讀取通道定義為一些位元組值。現在，我們必須將這些定義傳遞給 radio 物件，這樣它才會知道寫入和讀取通道位址。系統用 openWritingPipe() 方法設定寫入通道；用 openReadingPipe() 方法設定讀取通道。打開寫入和讀取通道的範例如下：
radio.openWritingPipe(addresses[1]);
radio.openReadingPipe(1, addresses[0]);
請注意，我們還必須為 openReadingPipe() 方法傳遞一個額外的整數參數，指明初始化哪個讀取通道。這是因為RF模組在給定時間最多可以打開6個讀取通道！
範例代碼透過一個role布林值來適當分配讀取和寫入通道值。根據role的值，程式確定RF模組是ping裝置還是pong裝置。您的其他項目也可以使用類似代碼。但是，要確保兩個裝置的讀寫位址互換，否則無法實現資料傳輸或讀取！
調用 RF24::startListening() 方法之後，無線模組開始偵聽。需要注意的是，指示RF模組開始監聽資料之前必須初始化讀取通道（即調用 startListening() 方法之前必須先調用 openReadingPipe() 方法！）
類似地，RF24類還提供了一個 stopListening() 方法，無線模組開始寫入之前必須首先調用該方法。
在範例代碼中，您可能會注意到程式利用 RF24::available() 方法告知無線電模組檢查傳入的資料。這與我們之前見過的 Serial::available() 和 SoftwareSerial::available() 方法類似——如果RF連接上的資料可用，那麼 available() 方法返回真，然後就可以讀取資料了。
最後，RF24類提供了實際資料寫入和讀取的方法。RF24::write() 與 RF24::read() 方法的參數包括（1）指向與傳輸資料類型相同的變數的指標，以及（2）傳輸資料的大小。在 read() 方法中，指標指向的變數負責接收正在讀取的資料。在 write() 方法中，指標指向的變數負責保存正在寫入的資料。在這兩種方法中，我們必須確保指標指向與傳輸資料類型相同的變數，並且傳遞給方法的大小實際上反映了資料的大小。將不正確的類型或大小值傳遞給 read() 和 write() 方法可能會產生不希望的值截斷，從而導致傳輸的資料無用。在“Getting Started”代碼中，需要傳輸的資料是一個 unsigned long 類型。因此，傳遞給 read() 和 write() 方法的指標參數也應該指向一個 unsigned long 型的變數。很明顯，傳輸資料的大小始終是unsigned long類型變數的大小。在這種情況下，大小並不需要用一個整數進行傳遞，大小（size）參數可以簡單地寫為sizeof(unsigned long)。
“Getting Started”（入門）代碼中唯一沒有涉及的參數是通道（communication channel）。如果需要指定具體通道（比如您有多個RF網路，不希望彼此干擾），那麼可以將一個8位元的整數參數傳遞給 RF24::setChannel() 方法，以設定通道。其代碼範例如下：radio.setChannel(10);
請將兩個RF模組連到兩個獨立的Arduino板上，並且都上傳“Getting Started”（入門）代碼（您必須將其中一塊板的 role 布林值改為1）。您現在應該能夠根據相應的ping時間發送消息並且接收返回的消息了！下圖是“ping”和“pong”兩個串口監視器的並排截圖：
圖3. 左：“ping”監視器語句（裝置1）；右：“pong”監視器語句（裝置0）
恭喜您完成nRF24L01+課程的學習！您現在已經掌握了使用這些漂亮RF模組研發相關專案的技能和知識了！要瞭解涉及這些RF模組的專案，您可以瀏覽Device Plus部落格！
