使用nRF24L01模块进行无线射频通信

设计人员使用许多无线通信系统，如蓝牙低功耗（BLE 4.0）、Zigbee、ESP8266 Wi-Fi模块、433MHz射频模块、Lora、nRF等。传输介质的选择取决于它所使用的应用类型。其中一种流行的局地网络通信无线通信是nRF24L01。这些模块工作在2.4GHz（ISM频段），波特率从250Kbps到2Mbps，这在许多国家是合法的，可用于工业和医疗应用。通过适当的天线，这些模块可以在它们之间发送和接收长达100米的信号。

在本篇文章中，我们将使用nRF24L01-2.4GHz RF收发器模块与Arduino UNO和Raspberry Pi建立无线通信。 Raspberry pi将充当发射器，Arduino Uno将监听Raspberry Pi，并使用nRF24L01在16x2 LCD上打印Raspberry Pi发送的消息。 nRF24L01还具有内置BLE功能，还可以使用BLE进行无线通信。

本文分为两个部分。第一部分将包括nRF24L01与Arduino进行连接作为接收器，第二部分将包括nRF24L01与Raspberry Pi进行连接作为发送器。

nRF24L01射频模块

nRF24L01模块是收发器模块，这意味着每个模块都可以发送和接收数据，但由于它们是半双工的，因此它们可以一次发送或接收数据。该模块使用Nordic半导体的通用nRF24L01，负责数据的传输和接收。 IC使用SPI协议进行通信，因此可以轻松与任何微控制器连接。使用Arduino可以轻松实现，因为库很容易获得。标准nRF24L01模块的引脚排列如下所示

该模块工作电压为1.9V至3.6V（通常为3.3V），在正常工作期间仅消耗12mA的电流，这使其具有电池效率，因此甚至可以在纽扣电池上运行。即使工作电压为3.3V，大多数引脚都具有5V容限，因此可以直接与Arduino等5V微控制器连接。使用这些模块的另一个优点是，每个模块有6个管道。意思是，每个模块可以与其他6个模块通信以传输或接收数据。这使得该模块适用于在物联网应用中创建星形或网状网络。它们还具有125个唯一ID的广泛地址范围，因此在封闭区域中，我们可以使用这些模块中的125个而不会相互干扰。

电路原理图

Arduino与nRF24L01的连接：

nRF24L01与Arduino连接的电路图很简单，没有太多元件。 nRF24l01将通过SPI接口连接，16x2 LCD通过I2C协议连接，仅使用两条线。

nRF24L01与Raspberry Pi的连接：

将nRF24L01与Raspberry Pi连接的电路图也非常简单，只有SPI接口用于连接Raspberry Pi和nRF24l01。

编程Raspberry Pi使用nRF24l01发送消息

Raspberry Pi的编程将使用Python3完成。您也可以使用C / C ++。但是在python中已经有一个可用于nRF24l01的库，可以从github页面下载。请注意，python程序和库应该在同一个文件夹上，否则python程序将无法找到该库。下载库后，只需解压缩并创建一个文件夹，其中将存储所有程序和库文件。完成库安装后，只需开始编写程序即可。该程序首先包含库，这些库将用于代码，如导入GPIO库，用于访问Raspberry Pi GPIO和导入时间以访问与时间相关的函数。

1. import RPi.GPIO as GPIO 
2. import time     
3. import spidev
4. from lib_nrf24 import NRF24

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在“Broadcom SOC通道”中设置GPIO模式。这意味着您通过“Broadcom SOC通道”编号引用引脚，这些是“GPIO”之后的数字（例如GPIO01，GPIO02 ......）。这些不是电路板的编号。

1. GPIO.setmode(GPIO.BCM)  

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接下来我们将它设置为管道地址。该地址对于与Arduino接收器通信很重要。地址将以十六进制代码表示。

1. pipes = [[0xE0, 0xE0, 0xF1, 0xF1, 0xE0], [0xF1, 0xF1, 0xF0, 0xF0, 0xE0]]

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使用GPIO08作为CE，GPIO25作为CSN引脚开始使用无线射频。

1. radio.begin(0, 25)  

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将有效负载大小设置为32位，通道地址设置为76，数据速率为1 mbps，功率级别最小。

1. radio.setPayloadSize(32)  
2. radio.setChannel(0x76) 
3. radio.setDataRate(NRF24.BR_1MBPS)    
4. radio.setPALevel(NRF24.PA_MIN)

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打开管道开始写入数据并打印nRF24l01的基本细节。

1. radio.openWritingPipe(pipes[0])     
2. radio.printDetails()

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以字符串形式准备消息。此消息将发送给Arduino UNO。

1. sendMessage = list("Hi..Arduino UNO")  
2. while len(sendMessage) < 32:    
3.     sendMessage.append(0)

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开始写入无线射频并继续写完整的字符串直到无线射频可用。与此同时，记下时间并打印消息传递的调试语句。

1. while True:
2.     start = time.time()      
3.     radio.write(sendMessage)   
4.     print("Sent the message: {}".format(sendMessage))  
5. send
6.     radio.startListening()  

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如果字符串已完成且管道已关闭，则打印超时的调试消息。

1. while not radio.available(0):
2.         time.sleep(1/100)
3.         if time.time() - start > 2:
4.             print("Timed out.")  # print error message if radio disconnected or not functioning anymore
5.             break

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停止收听广播并关闭通信并在3秒后重新开始通信以发送另一条消息。

1.   radio.stopListening()     # close radio
2.     time.sleep(3)  # give delay of 3 seconds

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如果您了解python的基础知识，那么Raspberry程序很容易理解。完整的Python程序在文章末尾处给出。

在Raspberry Pi中执行Python程序：

按照以下步骤执行程序非常简单：

●    将Python程序和库文件保存在同一文件夹中。

●    我的Sender程序文件名是nrfsend.py，并且每个文件都在同一个文件夹中

●    转到Raspberry Pi的命令终端。 并使用“cd”命令找到python程序文件。

●    然后打开文件夹并编写命令“sudo python3 your_program.py”并按Enter键。 您将能够看到nRf24的基本详细信息，并且广播将在每3秒后开始发送消息。 发送完所有字符后，将显示消息调试。

编程Arduino UNO使用nRF24l01接收消息

对Arduino UNO进行编程类似于对Raspberry Pi进行编程。我们将遵循类似的方法，但使用不同的编程语言和步骤。可以从github页面下载Arduino的nRF24l01库。首先包括必要的库。我们使用I2C Shield使用1602 LCD，因此包括Wire.h库；nRF24l01使用SPI连接，因此包括SPI库。

1. #include<SPI.h>                   
2. #include <Wire.h>

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包括RF24和LCD库，用于访问RF24和LCD函数。

1. #include<RF24.h>                  
2. #include <LiquidCrystal_I2C.h>

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I2C的LCD地址为27，它是一个16x2 LCD，因此请将这些信息写入该函数。

1. LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

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RF24使用标准SPI连接，引脚9作为CE，引脚10为CSN。

1. RF24 radio(9, 10) ;  

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启动无线射频，设置功率级别并将通道设置为76.同时将管道地址设置为与Raspberry Pi相同并打开管道进行读取。

1. radio.begin();        
2.   radio.setPALevel(RF24_PA_MAX) ;   
3.   radio.setChannel(0x76) ;            
4.   const uint64_t pipe = 0xE0E0F1F1E0LL ;    
5.   radio.openReadingPipe(1, pipe) ;

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开始I2C通信并初始化LCD显示屏。

1. Wire.begin();                 
2.   lcd.begin();                    
3.   lcd.home();                       
4.   lcd.print("Ready to Receive");

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开始收听收音机的传入消息，并将消息长度设置为32个字节。

1. radio.startListening() ;        
2.   char receivedMessage[32] = {0}

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如果附加了radio，则开始读取该消息并保存。将消息打印到串行监视器，并打印到显示屏，直到下一条消息到达。停止广播收听并在一段时间后重试。

1. if (radio.available()) {       
2.     radio.read(receivedMessage, sizeof(receivedMessage));        Serial.println(receivedMessage) ;    
3.     Serial.println("Turning off the radio.") ;   
4.     radio.stopListening() ;   
5.     String stringMessage(receivedMessage) ;     
6.     lcd.clear();    
7.     delay(1000);    
8.     lcd.print(stringMessage);   
9.   }

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将最终给出的完整代码上传到Arduino UNO并等待收到消息。

以上就是使用Raspberry Pi和nRf24l01发送消息，并使用Arduino UNO和nRF24l01接收消息的完整内容。 该信息将打印到1602 LCD上。 管道地址在Arduino UNO和Raspberry Pi中都非常重要。

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