Инженериум DIY

Начав работать с ESP32 S3 Zero, заметил что там антенна не встроенная в плату, а в виде SMD элемента. И оказалось что WI-FI на ней слабее. Начитавшись в инете про улучшение связи «проволочкой», решил сделать и себе.. Потратил несколько дней на этот DIY-цирк, сделал кучу тестов и хочу поделиться результатами.

Что я узнал (коротко)

• Проволочка даёт +5.2 dBm RSSI — на обычных открытых платах

• В корпусе антенны-проволочки работают… как захотят. SMD чуть стабильнее.

• Питание и окружение портит WiFi сильнее, чем слабая антенна

• Качество ground plane критично (особенно у модулей ESP32 S3 Zero)

• Интернет-советы работают, но только в идеальных условиях

Начнем издалека

Давно занимаюсь светодиодными приборами и только недавно решил оснастить их удаленным управлением. И вообще сделать красивое веб-приложение (впрочем, это уже совсем другая история). По образованию программист, электронику изучал сам с нуля.

Недавно была коллаборация по крафту мечей Кратоса. В них мы установили esp8266 модуль, простой модуль повербанка и светодиодную ленту. Было очень важно сделать компактную систему электроники.

После этого проекта решил сделать свои компактные модули для подобных будущих проектов. Раньше всегда работал с ESP32 Devkit, но они достаточно большие. Нашел в инете новые очень маленькие ESP32 S3 Zero.. Спроектировал и собрал с ними модули, назвав Minis 1.

Модуль Minis 1

Идея в макcимальной компактности и «автономности» - припаял батареи, кнопки, ленту - и готово.

Что на борту:

• ESP32-S3 Zero

• Система PowerBank на IP5310 (5В 3А)

• 2 разъема под адресные ленты

• 2 разъема под кнопки

• 1 разъем под кнопку включения

• 1 разъем под батареи

Разъемы = отверстия под пайку проводов

Поверив в магию советов из инета, впаял во все модули эти проводки, собрал лампы.. А потом решил проверить, как работает WI-FI. А он не заработал. Решил разобраться в чем дело, что всё таки лучше, сделал разные тесты. Из этого всего родилась эта статья.

Как оказалось, но именно данный мод (31мм, петля 16мм) на моем Zero как-то не заработал. Условно рабочим оказался вариант 62мм без петли.

Как тестировал.

Было 14 тестов:

ESP32 #1 (испытуемый в разных конфигурациях) :

• Создаёт WiFi-сеть

• Сам выбирает наименее нагруженный канал

• Запускает веб-сервер

Перед началом каждого замера модуль автоматически выбирает наименее загруженный канал из 1/6/11, основываясь на сигнале окружающих сетей выше −80 dBm. Это позволило минимизировать влияние сильных помех.

ESP32 #2 (логгер):

• Замеряет RSSI (сети ESP32 #1) каждые 2 секунды

• 90 замеров за 3 минуты

Телефон (измеритель):

• Подключается к ESP32 #1

• Отправляет 240 HTTP-запросов с интервалом 500мс

Что нас интересует из замеров

• Время отклика (чем меньше, тем лучше)

• Джиттер (как сильно плавают значения)

• RSSI (уровень сигнала)

• Стабильность (процент времени когда сигнал не скачет. 100% = связь ровная, 50% = то работает, то тормозит)

Стабильность сигнала рассчитывалась как процент замеров RSSI, оказавшихся в диапазоне ±3 dBm от среднего значения. Чем выше процент — тем более “ровная” и предсказуемая связь.

По окончанию замеров каждый ESP32 выдавал данные для копирования и исследования.

Условия тестов

• Расстояние — ~10 метров через длинный коридор квартиры и комнаты

• Помехи — 4-5 соседских WiFi

• Время — Суббота, 15-17; Воскресенье, 10-11.

Результаты (суббота):

Тест 1: Не модифицированный ESP32, адаптер питания 5V (БП)

Проволочка лучше по RSSI. По по времени отклика — в пределах погрешности.

Тест 2: Влияние питания на ESP32 S3 Zero без проволоки.

Источники питания: БП, PowerBank, Батареи через IP5310

При питании от модуля с батареями сигнал ухудшается, его не только шатает (джиттер), но и мощность падает.

Тест 3: ESP S3 Zero (Minis 1) в сборе с лампой

Заметил, что прямая проволока глушит сеть, если окружить её батареями. Если батареи отнести на небольшое расстояние - прямая проволока работает. Так же не глушит сеть проволока параллельно лампе и батареям.

Бонус: графики Ping и RSSI для разных конфигураций

Стабильность замеров между днями.

Замеры в субботу показались странными, и решил перемерить на утро следующего дня. Результаты меня удивили..

Что показали таблицы:

ESP32 DevKit - единственный стабильный

• Ping и джиттер в пределах погрешности измерений.

• RSSI стабилен

• Единственный модуль который остался предсказуемым

S3 модули нестабильны

• Тесты S3 модулей показали изменения RSSI

• S3 модули оказались чувствительнее к условиям

Проволочные антенны = рулетка

• Могут резко улучшиться или ухудшиться

• Результат непредсказуем

SMD антенны чуть стабильнее

• Большинство изменений в небольших пределах

• Более предсказуемое поведение чем проволочки

Влияние времени и условий

• Возможно в воскресенье утром эфир был другой

• Компактные модули чувствительнее к внешним факторам

Питание влияет на стабильность

• Разные источники питания дают разные результаты между днями

• IP5310 показывает нестабильные результаты

• PowerBank стабильнее встроенного питания

Главный вывод

"Чуть изменились условия - и результаты другие"

Проволочные антенны могут выстрелить или провалиться по связи. SMD антенны более менее предсказуемые. Качественные модули (DevKit) устойчивы к изменениям, дешевые (S3) чувствительны к любым факторам.

Что у нас в итоге:

DevKit — чемпион стабильности.
Почти не реагировал на смену условий, всегда показывал отличную стабильность и минимальный разброс.

S3 модули скачут независимо от антенны — и с SMD, и с проволочными результаты менялись день ото дня. Дешево, но непредсказуемо.

SMD — скучно, но стабильно.
Там, где использовались SMD-антенны без проволочек и внешних воздействий,
связь оказалась наиболее предсказуемой — метрики менялись в пределах погрешности даже между разными днями.

Проволочки = лотерея — сегодня работает отлично, завтра хуже. Чуть повернул — и связи нет. Долго подбирать длину и ориентацию. Классические 31мм в корпусе могут вообще не работать.

Питание и окружение влияют сильнее антенн.
В корпусе - Minis 1, батареи, длинные провода, корпус - похоже всё это может “прибить” даже идеальную антенну.
Особенно в компактных модулях, где почти нет ground plane.

Магия “31 мм проволочки” из форумов — работает только на открытых платах.
В корпусе проволочная антенна вела себя непредсказуемо: в лучшем случае не помогала, в худшем — глушила связь.

Еще немного о модуле Minis 1 и лампах.

Получается железо работает, адрески светятся, но вот стабильность WI-FI, видимо не только моя вина. Как я понимаю, в текущих лампах рядом с процом металлический профиль, батареи, куча проводов и тд. Возможно, с моей стороны не идеальная разводка материнской платы влияет на результат. Ну и сам модуль S3 Zero с его мини антенной тоже влияет на связь. Похоже еще повезло взять самый не удачный Зеро, с малым полигоном земли для антенны.

Но всё равно, такой модуль можно использовать:

• Косплей и декоративные проекты

• Автономные светильники

• Локальные проекты где связь нужна редко (или управление не далеко)

Видео, откуда я и взял идею про антенны:

https://www.youtube.com/watch?v=UHTdhCrSA3g

Сделать компактный модуль для управления чем-либо (ленты, моторы, экранчики и т.д.) не так сложно, но когда сталкиваешься со радиосвязью, там вылезают вот такие всякие особенности..

Исходные данные: Excel таблицы с результатами всех тестов и код для ESP32 могу прислать если кому нужно будет =)

P.S. На всякий случай повторю, что я самоучка в плане электроники, и могу не знать каких-то нюансов, особенно про радиосвязь.