Module radio nRF24L01+

En bref

Les modules PA+LNA (antenne externe) portent plus loin, mais consomment plus au moment d’émettre et demandent une alimentation bien découplée. Les nRF24L01 sans « + » ne font pas 250 kbit/s.

Câblage

• CE et CSN sont au choix : le code doit seulement correspondre à votre câblage.
• Le brochage du module a 2 × 4 broches : GND et VCC sont d’un côté, repère le carré du connecteur ou la sérigraphie avant de brancher.
• Un adaptateur avec régulateur 3,3 V (sérigraphié « 5V ») permet d’alimenter le module depuis 5 V et stabilise l’alimentation.

SPI

Le nRF24 est un périphérique SPI classique : SCK (horloge), MOSI (données vers le module), MISO (données du module) et CSN (sélection, active à l’état bas). La bibliothèque RF24 utilise le bus SPI par défaut de la carte : sur ESP32, SCK 18, MISO 19 et MOSI 23. CE n’est pas du SPI : à l’état haut, le module émet ou écoute selon son mode.

Si radio.begin() renvoie false, le module ne répond pas sur le SPI : c’est presque toujours un problème de câblage ou d’alimentation.

Alimentation

C’est la première cause de panne. La radio demande des pointes de courant brèves quand elle émet, et une alimentation bruitée provoque des pertes de paquets ou des échecs à l’initialisation.

• Ajoute un condensateur de 10 à 100 µF directement entre VCC et GND, au plus près du module.
• La sortie 3,3 V d’une Arduino Uno est trop faible pour un module PA+LNA : utilise l’adaptateur avec régulateur, ou un régulateur 3,3 V séparé.
• Garde les fils d’alimentation courts et éloigne l’antenne des masses métalliques et des servos.

Émetteur

Un émetteur définit l’adresse d’écriture, passe en mode « émission » avec stopListening(), puis appelle write(). Cette fonction renvoie true si un ACK est revenu (quand l’acquittement est activé).

/*
 * Émetteur nRF24L01+ — Kaihatsu Lab
 * Envoie un compteur et une valeur toutes les secondes.
 * Bibliothèque : RF24 (TMRh20), à installer depuis le gestionnaire de bibliothèques.
 *
 * ESP32 : SCK 18, MISO 19, MOSI 23 (VSPI par défaut). CE et CSN sont au choix.
 */
#include <SPI.h>
#include <RF24.h>

const uint8_t PIN_CE  = 4;
const uint8_t PIN_CSN = 5;
RF24 radio(PIN_CE, PIN_CSN);

const byte ADDRESS[6] = "00001";          // 5 caractères : identique côté récepteur

struct Payload {                          // 8 octets, identique côté récepteur
  uint32_t counter;
  float    value;
};
Payload data = {0, 0};

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  if (!radio.begin()) {
    Serial.println(F("nRF24 introuvable : verifie le cablage et l'alimentation 3,3 V"));
    while (true) delay(1000);
  }
  radio.setChannel(76);                   // 2476 MHz
  radio.setDataRate(RF24_250KBPS);
  radio.setPALevel(RF24_PA_LOW);
  radio.setAutoAck(true);
  radio.setRetries(5, 15);                // attend 1 500 µs entre les essais, 15 essais au plus
  radio.setPayloadSize(sizeof(Payload));
  radio.openWritingPipe(ADDRESS);
  radio.stopListening();                  // mode émetteur
}

void loop() {
  data.counter++;
  data.value = 20.0 + (data.counter % 10) * 0.1;

  bool ok = radio.write(&data, sizeof(data));   // true si l'ACK est revenu
  Serial.print(F("Paquet "));
  Serial.print(data.counter);
  Serial.println(ok ? F(" : recu (ACK)") : F(" : pas d'ACK"));
  delay(1000);
}

Récepteur

Le récepteur ouvre un pipe de lecture avec l’adresse de l’émetteur, passe en écoute avec startListening() et lit chaque paquet avec available() puis read().

/*
 * Récepteur nRF24L01+ — Kaihatsu Lab
 * Affiche chaque paquet reçu. Mêmes réglages que l'émetteur.
 * Bibliothèque : RF24 (TMRh20).
 */
#include <SPI.h>
#include <RF24.h>

const uint8_t PIN_CE  = 4;
const uint8_t PIN_CSN = 5;
RF24 radio(PIN_CE, PIN_CSN);

const byte ADDRESS[6] = "00001";

struct Payload {
  uint32_t counter;
  float    value;
};
Payload data;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  if (!radio.begin()) {
    Serial.println(F("nRF24 introuvable : verifie le cablage et l'alimentation 3,3 V"));
    while (true) delay(1000);
  }
  radio.setChannel(76);
  radio.setDataRate(RF24_250KBPS);
  radio.setPALevel(RF24_PA_LOW);
  radio.setAutoAck(true);
  radio.setPayloadSize(sizeof(Payload));
  radio.openReadingPipe(1, ADDRESS);      // pipe 1 : adresse de l'émetteur
  radio.startListening();                 // mode récepteur
}

void loop() {
  if (radio.available()) {
    radio.read(&data, sizeof(data));
    Serial.print(F("Paquet "));
    Serial.print(data.counter);
    Serial.print(F(" : "));
    Serial.println(data.value, 1);
  }
}

Les réglages de canal, débit, puissance, acquittement et taille de payload doivent être identiques des deux côtés.

Adresses

Une adresse est une suite de 3 à 5 octets (5 par défaut). Le récepteur n’accepte un paquet que si l’adresse correspond à l’un de ses pipes de lecture. En C++ Arduino, const byte ADDRESS[6] = "00001"; donne les 5 octets « 0 », « 0 », « 0 », « 0 », « 1 » (plus le zéro de fin, ignoré).

• Évite les adresses très régulières (0x00… ou 0xAA…) : elles ressemblent trop au bruit ambiant.
• Deux montages voisins avec la même adresse et le même canal reçoivent les paquets l’un de l’autre : choisis des adresses différentes.

Pipes

Avec un seul récepteur et jusqu’à cinq capteurs, donne à chaque capteur un dernier octet différent et ouvre un pipe par capteur : radio.openReadingPipe(1, addr1), radio.openReadingPipe(2, addr2), etc. radio.available(&pipe) vous dit quel pipe a reçu le paquet.

ACK

Avec setAutoAck(true) (réglage par défaut), le récepteur renvoie automatiquement un accusé de réception. L’émetteur sait ainsi si son paquet est arrivé. Sans ACK, l’émission part « dans le vide » : plus rapide, mais vous ne savez rien du résultat.

• Un ACK peut transporter des données : enableAckPayload() côté émetteur et récepteur, puis writeAckPayload() côté récepteur. Cette fonction demande les payloads dynamiques.
• L’ACK confirme la réception, pas que votre programme a traité le paquet.

Retransmission

Quand l’ACK n’arrive pas, l’émetteur réessaie tout seul. setRetries(delai, nombre) règle deux choses :

Le délai doit laisser le temps à l’ACK de revenir : en 250 kbit/s, ne descendez pas sous environ 500 µs (valeur 1), et prenez davantage si l’ACK contient des données. Plus vous autorisez d’essais, plus la liaison est fiable, mais plus write() peut durer longtemps quand le récepteur est absent.

Payload

Un paquet transporte de 1 à 32 octets. Deux modes :

• Taille fixe : setPayloadSize(n), la même des deux côtés. Simple et rapide.
• Taille dynamique : enableDynamicPayloads(). Chaque paquet a sa taille, lisible avec getDynamicPayloadSize(). Nécessaire pour les ACK avec données.

Le plus propre est de décrire les données dans une struct partagée par l’émetteur et le récepteur, comme dans les exemples : write(&data, sizeof(data)). Deux ESP32 utilisent le même agencement mémoire ; entre cartes de types différents (ESP32 et Uno, par exemple), la taille de int et l’alignement changent : préfère des types de taille fixe (uint8_t, int16_t, uint32_t).

Canal

Le canal c correspond à la fréquence 2400 + c MHz. En Europe, la bande ISM 2,4 GHz s’arrête à 2483,5 MHz : reste sur les canaux 0 à 83. Les canaux 84 à 125, accessibles techniquement, sortent de la bande autorisée.

Choisis un canal loin de votre Wi-Fi. Les canaux 74 à 83 sont souvent plus calmes, sauf si un point d’accès utilise les canaux Wi-Fi 12 ou 13.

Débit

Un paquet de 32 octets dure de l’ordre de 0,16 ms à 2 Mbit/s, 0,3 ms à 1 Mbit/s et 1,3 ms à 250 kbit/s. Un débit plus bas allonge le temps d’antenne mais gagne environ 9 dB de sensibilité, soit à peu près trois fois plus de portée en champ libre.

Puissance

• Sur un module PA+LNA, l’amplificateur ajoute de l’ordre de 20 dB : à « MAX », la puissance rayonnée peut dépasser la limite de 100 mW (20 dBm) de la bande 2,4 GHz en Europe. Utilise « LOW » ou « MIN » pour des tests à courte distance.
• Plus de puissance ne corrige pas une mauvaise alimentation. Traite d’abord le découplage.
• Sur un module PA+LNA, une alimentation faible se traduit par des redémarrages quand vous passez en « HIGH » ou « MAX ».

Configurateur

Règle la liaison et récupère le code de l’émetteur ou du récepteur. Les mêmes valeurs doivent être saisies des deux côtés.

// Le code apparaît ici.

Simulateur de liaison

Deux cartes virtuelles s’échangent des paquets. Le modèle combine la perte en espace libre, le débit choisi (sensibilité du récepteur) et les retransmissions. Ce n’est pas une mesure : la portée réelle dépend de l’antenne, des obstacles et de l’alimentation.

Dépannage

Projets

Projets Kaihatsu Lab qui utilisent ce composant :

PRJ-04

NRF24 Jammer

Plateforme d'étude du module nRF24L01+ dans la bande ISM 2,4 GHz.

nRF24RF2.4GHzExpérimental

Projet expérimental. Usage uniquement autorisé, sur votre matériel, en environnement contrôlé.

Découvrir →

Émets uniquement dans le cadre de la réglementation de votre région (bande ISM 2,4 GHz, puissance limitée) et ne perturbe pas les communications des autres.

Idées à construire

• Télécommande à plusieurs boutons pour un robot ou un éclairage.
• Capteurs de température ou d’humidité dans plusieurs pièces qui remontent vers un seul récepteur (un pipe par capteur).
• Sonnette sans fil avec un écran OLED côté récepteur.
• Réseau de plusieurs cartes avec la bibliothèque RF24Network ou RF24Mesh.

Le PCB et les composants pour reproduire les projets arriveront avec la boutique. Être prévenu