В поисках лучшей антенны для ESP32 ZERO
Проверяем на практике: работают ли советы из интернета про проволочные антенны
Аккуратно припаиваем проволочку 31мм к SMD - антенне
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.
Мечи Кратоса с подсветкой
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.
Сравнение ESP32 DevKit и ESP32 S3 Zero
Модуль Minis 1
Идея в макcимальной компактности и «автономности» - припаял батареи, кнопки, ленту - и готово.
Minis 1 что-то среднее по размеру =)
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
Лампы в сборе с Minis1 на основе адресных лент APA102
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.
Картинка по запросу «esp32 s3 zero antenna mod»
Как оказалось, но именно данный мод (31мм, петля 16мм) на моем Zero как-то не заработал. Условно рабочим оказался вариант 62мм без петли.
Условно рабочий вариант проволочной антенны для моего ESP32 S3 Zero
Как тестировал.
Было 14 тестов:
Тесты разных конфиругаций ESP32 и питания
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.
Выдача результатов тестов
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
Вокруг модуля - батареи и провода
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..
Крутите барабан! Сектор Ping за 70
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.
Когда собрал все компоненты для стабильного WI-FI
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)
Видимая разница полигонов под антеннами
Видео, откуда я и взял идею про антенны:
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..
Мистер ESP, я не чувствую сигнал
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.
