arduino笔记32：nRF24l01模块使用电磁波频率距离限制掉电模式热待机模式

野性酷女 2023-02-14 06:51 44阅读 0赞

最近再arduino中文社区看到了一篇介绍nrf24l01基本原理的帖子，内容感觉蛮不错的，学习一下，记录一下学习笔记。

大部分内容都是Arduino中文社区的帖子，附上自己的一点点体会。

**目录**

一、无线传输基础：电磁波

二、通信距离限制

1.2.4G高频电磁波的物理特性导致

2.发射功率太小，这是主要原因

三、省电的策略

掉电模式

热待机模式（Standby）

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开场白：  
在讨论区里已经不止一次看到有同学求助有关使用nrf24l01+通信的问题，也看到不少高手发过相关库的使用教程或demo。  
但事实证明效果不怎么好，还是时不时有人发帖问这个问题，甚至直接照抄高手的代码也通不了。  
即使抄代码搞通了，但按自己的需求稍微修改代码之后又不通了，有的同学甚至都怀疑自己的硬件有问题。  
  
这个无线模块真的这么难用么？并不是。

开场白结束，下面加几个声明：  
1. 帖子里不会就某个具体的nrf24的库进行讲解或展示demo，至少在模块工作原理彻底写完之前不会，因为这不重要，如果你搞明白了原理，还怕不会使用封装接口库么？

2. 大家在帖子里不要问"两个模块一对一传输某某格式的数据，代码该怎么写"之类的问题，如果你对工作原理不理解，我说了你也只是一知半解，当然我更没时间给每个类似问题写代码了。

3. 抛开具体代码，讨论基本工作原理的问题可以随便问，知道的我会回答，不知道的我会明确告知，不会乱说。

4. 新来的同学有问题先翻翻帖子，看看之前有没有已经被解答的类似问题，尽量不要伸手就要。解决问题时保持一定的独立性，这是提高自己的好习惯。

一切问题的**根本原因**在于你没真正的搞懂这个模块，没彻底明白它的工作原理。遇到问题的，有仔细阅读过官方的datasheet么？

[https://gitee.com/alicedodo/arduino-nrf2401-bootloader][https_gitee.com_alicedodo_arduino-nrf2401-bootloader]

这是我在码云上开源的arduino无线下载bootloader，使用nrf24l01+作为无线模块，希望它可以让大家对这个帖子的质量保持期待。

同样是无线模块，从技术实现上说，蓝牙模块要比nrf2401复杂的多得多，但为什么蓝牙模块用起来这么简单?  
原因很简单，蓝牙协议是国际标准，数不清的公司为其添砖加瓦，趟平任何技术难题，将复杂的协议包了一层又一层，最后提供了一个非常傻瓜化的使用接口，简单到当串口用就可以了。  
而nrf2401只是Nordic这个公司自己的产品，不是通用标准，虽然简单许多，但我们普通使用者需要直接面对模块，最多只有Mirf这样的简单封装库可以使用，而且这些库也只是让我们操作模块的时候少撸几行代码，里面并没有封装什么通用型的通信协议，所以本质上还是在直接操作nrf2401模块，如果你对这个模块不熟悉，自然也就对封装库提供的接口一知半解，似是而非。  
  
  
好了，闲言少叙，开始正题：  
道生一 一生二 三生万物  
nrf2401是一个无线模块，通过电磁波传输数据。  
不要认为这是一句废话。这是这个帖子后续所有内容的起点，或者说所有的讨论都是对这句话的丰富和细化。慢慢往后看你会明白的。

# 一、无线传输基础：电磁波 #

既然是无线传输，那肯定要占用电磁波频段了。对模块稍微有了解的都知道，这个模块使用的是2.4GHz附近的频率，可是为什么偏偏要用这个波段？  
答案是: 这是一个技术问题，更是一个法律问题.  
距离相近的两个电台不能使用同一波段，因为会相互干扰，结果就是谁也没法正常通信，所以你占了这个波段我就不能用了，因此电磁波频段是稀缺资源。这种好东西肯定要归国家所有啊，于是全世界所有国家无一例外都纷纷立法，非政府批准，不得随意占用无线电频段。  
但总归该留点儿汤吧，于是2.4G附近的频段就成了民间自由使用的极少数频段资源之一了，这也是为什么WiFi/ZigBee/蓝牙/nrf2401都使用这个频段的重要原因。  
由此可以推导出第一个问题：  
为什么nrf2401有时候会莫名其妙的出现很高的丢包率、时好时坏？  
答案是很可能是受WiFi的干扰，2.4G WiFi的频段和nrf2401有很大一块频带是重叠的，如果你家有wifi信号，那很容易会受干扰而导致丢包严重，将nrf2401的频段设置为高于2490MHz可以显著降低丢包率。

# 二、通信距离限制 #

接着再引出第二个问题：为什么这个无线模块有效通信距离这么近？

TB上最便宜、最常见的nrf2401模块，上面只有一个nrf2401芯片而且天线还是附着在PCB上的铜线的那种。

空旷无遮挡的地方大约也就100米左右，即使是那种加了功率放大芯片的模块，有效距离也就一两千米。为啥会这么短、而且穿墙能力这么弱？  
有两方面原因：

## 1.2.4G高频电磁波的物理特性导致 ##

电磁波频率越高越容易被物体遮挡，复杂地形位置传输距离越短。

## 2.发射功率太小，这是主要原因 ##

任何向周围空间均匀传播的能量形式，能量密度都会随着距离的增加而显著的衰减，典型的如声波，好比两个人隔空讲话，对方嗓门不变时，你离得越远听得越不清楚，远到一定程度就什么也听不见了。电磁波也不例外，频率不变的前提下，想要增大传输距离，只能增大发射功率。而nrf2401的功率发射信号时，最大电流也不过11毫安左右，换算成功率也就十几毫瓦，自然传不远，即使那种加了功率增强芯片的模块，发射电流也就一百几十毫安。

功率意味着能量的消耗。

# 三、省电的策略 #

十万块对王思聪来说是毛毛雨，但对我等DS来说就是巨款了。同理，nrf2401号称是超低功率，发射信号时最大电流也就十几毫安，貌似是很小，但那要看使用条件。

## 掉电模式 ##

如果你的arduino通过充电器接在了电网上，有海一样的能源供应，那无线模块这点儿消耗绝对是小意思，但是如果你只有两节南孚电池，那这十几毫安的消耗就很可观了，几天就给你搞没电了。而同时呢，我们并不是时时刻刻都有数据要传送，为了省电，多数情况下可以让模块关机嘛，等有数据要发的时候再开机就好了。英雄所见略同，nrf2401的设计者和我们想到一块儿去了，他们给nrf2401设计了一个**掉电模式(**专业词 PowerDown mode)，这个模式下nrf2401消耗多少电流呢？ 900nA，整整比火力全开的状态低4个数量级，勤俭节约的典范啊。

可是理想很丰满，现实很骨感。

nrf2401在掉电模式为什么这么省电？因为它把包括射频电路在内的绝大部分子模块都关闭了，只有SPI接口的相关电路还能工作（这个不难理解，SPI部分要是关闭了，我们就没办法操作它了）。如果我们要让它从掉电模式进入火力全开模式，nrf2401有很多工作要做，依次开启各个关闭的模块，等待进入稳定状态，这个过程比较耽误时间，大约几个毫秒，当我们对数据传输有较高实时性要求时，这个过程明显太慢了。

## 热待机模式（Standby） ##

于是贴心的设计者又帮我们想到了好办法：在掉电模式和火力全开之间再增加【热待机模式】(Standby)(其实有两种待机模式 Standby-I和 Standby-II，此等细节我们后面再详细讨论)，这个模式下只有射频模块的电路是关闭了，其他部分保持激活状态，一旦我们要发送数据，nrf2401只需要很短的准备时间就可以火力全开。但这样做也不是没代价的，由于更多的模块处于激活状态，热待机模式的耗电量和掉电模式相比显著增加，大约在30-300uA这个范围，但是也算很省电了。  
  
  
除此之外，本着好人做到底的原则，nrf2401设计者在火力全开模式下也为我们增加了功耗控制的手段。在这个模式下射频部分的功耗占整个芯片功耗的绝对大头，自然要拿它开刀了，射频部分的功耗被划分为4档次，由低到高代号分别为0/1/2/3，一般射频功率用**dBm**这个单位来表示，0/1/2/3分别对应-18/-12/-6/0dBm(是不是有点儿眼熟？大家在使用模块是配置发射功率其实就是这么回事儿)，自然功率越好耗电越少啦，对应的，其他方面同等条件下，功率越小传输距离越小，大家在实际应用的时候可以根据自己的情况自行选择使用什么功率配置。  
  
  
提醒一句，nrf2401模块不管是**对外发送数据**(TX mode)还是**接收数据**(RX mode)都是要大幅耗电的，但上一段提到的射频功率控制只能控制对外发送数据，接收数据的功率是没办法控制的，这个一定要记住。

来源：

[https://www.arduino.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86275&extra=&authorid=175094&page=1][https_www.arduino.cn_forum.php_mod_viewthread_tid_86275_extra_authorid_175094_page_1]

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[https_www.arduino.cn_forum.php_mod_viewthread_tid_86275_extra_authorid_175094_page_1]: https://www.arduino.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=86275&extra=&authorid=175094&page=1