使用 NRF24L01 模块构建强健的 Arduino 无线 Mesh 网络

概述

在本教程中，我们将学习如何构建一个由多个 NRF24L01 收发模块组成的 Arduino 无线网络。你可以观看下方视频或阅读以下图文教程。

作为示例，我搭建了一个包含 5 个节点的网络，每个节点都能与网络中的任意节点通信，同时可同时作为发射器和接收器工作。此示例的设置方式可扩展为更大规模网络——精确地说，我们可以在单个 RF 信道上让多达 3125 个模块相互通信。下面我们来看看它是如何工作的。

在之前的教程中，我们已经学习了如何使用 NRF24L01 模块和 RF24 库实现两块 Arduino 板之间的无线通信。现在，除了该库，我们还将使用 RF24Network 库，它能以简便的方式构建多块板卡互联的 Arduino 无线网络。以下是网络拓扑的工作原理。

多 NRF24L01 模块通信

单个 NRF24L01 模块可同时主动监听多达 6 个其他模块。

RF24Network 库利用这一能力生成树形拓扑网络：一个节点为基站（根节点），所有其他节点或为基站的子节点，或为其他节点的子节点。每个节点最多可有 5 个子节点，深度可达 5 层，因此总共可创建 3125 个节点的网络。每个节点必须用一个 15 位地址定义，该地址精确描述了节点在树中的位置。

我们可以用八进制格式定义节点地址。基站/主节点地址为 00，基站子节点地址为 01~05，节点 01 的子节点地址为 011~051，以此类推。

注意：若节点 011 要与节点 02 通信，通信必须经过节点 01 和基站节点 00，因此这两个节点必须始终保持活跃，通信才能成功。

基于 RF24Network 库的 Arduino 无线舵机控制

在讲解本教程的主要示例前，为更好理解库的工作原理，我们先用两块 Arduino 板通信做一个更简单的示例。以下是该示例的电路图。

你可以从以下链接获取本教程所需组件：

• NRF24L01 收发模块
• 舵机
• 电位器
• Arduino Nano

我们将使用第一块 Arduino 上的电位器控制第二块 Arduino 上的舵机。现在来看源代码。

电位器端代码（节点 00）

/* Arduino 无线网络 - 多 NRF24L01 教程 == 示例 01 - 舵机控制 / 节点 00 - 电位器 == by Dejan, www.HowToMechatronics.com
Libraries: nRF24/RF24, https://github.com/nRF24/RF24
nRF24/RF24Network, https://github.com/nRF24/RF24Network */
#include <RF24.h>
#include <RF24Network.h>
#include <SPI.h>
RF24 radio(10, 9); // nRF24L01 (CE,CSN)
RF24Network network(radio); // 将 radio 加入网络
const uint16_t this_node = 00; // 八进制格式的节点地址
const uint16_t node01 = 01;
void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node); // (信道, 节点地址)
}
void loop() {
  network.update();
  unsigned long potValue = analogRead(A0); // 读取电位器值
  unsigned long angleValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 180); // 转换为 0-180 适合舵机
  RF24NetworkHeader header(node01); // 目标节点地址
  bool ok = network.write(header, &angleValue, sizeof(angleValue)); // 发送数据
}

首先需包含 RF24、RF24Network 和 SPI 库。创建 RF24 对象并将其加入 RF24Network 对象。用八进制定义节点地址：本节点 00，舵机端节点 01。setup 中初始化网络，设置信道和本节点地址。loop 中不断调用 update() 处理网络动作，读取电位器并映射为 0-180，创建网络头指定目标地址，最后用 write() 发送数据。

舵机端代码（节点 01）

/* Arduino 无线网络 - 多 NRF24L01 教程 == 示例 01 - 舵机控制 / 节点 01 - 舵机 == */
#include <RF24.h>
#include <RF24Network.h>
#include <SPI.h>
#include <Servo.h>
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 01;
Servo myservo;
void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  myservo.attach(3); // 舵机引脚
}
void loop() {
  network.update();
  while ( network.available() ) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long incomingData;
    network.read(header, &incomingData, sizeof(incomingData));
    myservo.write(incomingData);
  }
}

舵机端同样定义库和对象，地址为 01。loop 中用 while 循环和 available() 检查是否有数据到达，若有则创建头对象和变量存储数据，用 read() 读取并存入 incomingData，最后用该数据驱动舵机转动。

多 NRF24L01 模块的 Arduino 无线网络

理解上述示例后，我们进入本教程主示例：构建 5 块 Arduino 互通的无线网络。以下是示例框图。

从基站出发：电位器控制节点 01 的舵机，第二电位器控制节点 022 的 LED，按钮控制节点 012 的 LED，基站的 LED 由节点 02 的电位器控制；节点 012 的红外传感器控制节点 01 的 LED。这展示了如何同时收发数据，以及如何跨分支通信。下面看各节点代码。

基站 00 源代码

/* Arduino 无线网络 - 多 NRF24L01 教程 == 基站/主节点 00 == by Dejan, www.HowToMechatronics.com
Libraries: nRF24/RF24, https://github.com/nRF24/RF24
nRF24/RF24Network, https://github.com/nRF24/RF24Network */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>
#define button 2
#define led 3
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 00;
const uint16_t node01 = 01;
const uint16_t node012 = 012;
const uint16_t node022 = 022;
void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  pinMode(button, INPUT_PULLUP);
  pinMode(led, OUTPUT);
}
void loop() {
  network.update();
  //===== 接收 =====//
  while ( network.available() ) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long incomingData;
    network.read(header, &incomingData, sizeof(incomingData));
    analogWrite(led, incomingData); // PWM 调光
  }
  //===== 发送 =====//
  // 节点 01 舵机控制
  unsigned long potValue = analogRead(A0);
  unsigned long angleValue = map(potValue, 0, 1023, 0, 180);
  RF24NetworkHeader header2(node01);
  bool ok = network.write(header2, &angleValue, sizeof(angleValue));
  // 节点 012 LED 控制
  unsigned long buttonState = digitalRead(button);
  RF24NetworkHeader header4(node012);
  bool ok3 = network.write(header4, &buttonState, sizeof(buttonState));
  // 节点 022 LED 控制
  unsigned long pot2Value = analogRead(A1);
  RF24NetworkHeader header3(node022);
  bool ok2 = network.write(header3, &pot2Value, sizeof(pot2Value));
}

基站定义库、对象及所有将发送数据的目标节点。loop 先检查接收数据：若有则读取并用于控制 LED 亮度（数据来自节点 02 电位器）。随后发送三路数据：电位器 A0 控制节点 01 舵机，按钮控制节点 012 LED，电位器 A1 控制节点 022 LED。

节点 02 源代码

/* Arduino 无线网络 - 多 NRF24L01 教程 == 节点 02 (主节点 00 的子节点) == */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 02;
const uint16_t master00 = 00;
const unsigned long interval = 10; // ms
unsigned long last_sent;
void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
}
void loop() {
  network.update();
  //===== 发送 =====//
  unsigned long now = millis();
  if (now - last_sent >= interval) {
    last_sent = now;
    unsigned long potValue = analogRead(A0);
    unsigned long ledBrightness = map(potValue, 0, 1023, 0, 255);
    RF24NetworkHeader header(master00);
    bool ok = network.write(header, &ledBrightness, sizeof(ledBrightness));
  }
}

节点 02 每 10ms 读取电位器，映射为 0-255 PWM 值发送给基站 00。

节点 01 源代码

/* Arduino 无线网络 - 多 NRF24L01 教程 == 节点 01 (主节点 00 的子节点) == */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>
#include <Servo.h>
#define led 2
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 01;
const uint16_t master00 = 00;
Servo myservo;
void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  myservo.attach(3);
  pinMode(led, OUTPUT);
}
void loop() {
  network.update();
  //===== 接收 =====//
  while ( network.available() ) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long incomingData;
    network.read(header, &incomingData, sizeof(incomingData));
    if (header.from_node == 0) { // 来自主节点
      myservo.write(incomingData);
    }
    if (header.from_node == 10) { // 来自节点 012 (八进制 012 = 十进制 10)
      digitalWrite(led, !incomingData);
    }
  }
}

节点 01 同时接收来自基站（舵机控制）和节点 012（LED 控制）的数据，通过 header.from_node 判断来源并分别处理。

节点 012 源代码

/* Arduino 无线网络 - 多 NRF24L01 教程 == 节点 012 (节点 01 的子节点) == */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>
#define led 2
#define IR 3
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 012;
const uint16_t node01 = 01;
void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  pinMode(led, OUTPUT);
  pinMode(IR, INPUT);
}
void loop() {
  network.update();
  //===== 接收 =====//
  while ( network.available() ) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long buttonState;
    network.read(header, &buttonState, sizeof(buttonState));
    digitalWrite(led, !buttonState);
  }
  //===== 发送 =====//
  unsigned long irV = digitalRead(IR);
  RF24NetworkHeader header8(node01);
  bool ok = network.write(header8, &irV, sizeof(irV));
}

节点 012 既接收基站按钮数据控制本地 LED，又发送红外传感器数据给节点 01 控制其 LED。

节点 022 源代码

/* Arduino 无线网络 - 多 NRF24L01 教程 == 节点 022 (节点 02 的子节点) == */
#include <RF24Network.h>
#include <RF24.h>
#include <SPI.h>
#define led1 2
#define led2 3
#define led3 4
#define led4 5
RF24 radio(10, 9);
RF24Network network(radio);
const uint16_t this_node = 022;
const uint16_t master00 = 00;
void setup() {
  SPI.begin();
  radio.begin();
  network.begin(90, this_node);
  radio.setDataRate(RF24_2MBPS);
  pinMode(led1, OUTPUT);
  pinMode(led2, OUTPUT);
  pinMode(led3, OUTPUT);
  pinMode(led4, OUTPUT);
}
void loop() {
  network.update();
  //===== 接收 =====//
  while ( network.available() ) {
    RF24NetworkHeader header;
    unsigned long potValue;
    network.read(header, &potValue, sizeof(potValue));
    // 根据电位器值点亮 LED
    if (potValue > 240) digitalWrite(led1, HIGH); else digitalWrite(led1, LOW);
    if (potValue > 480) digitalWrite(led2, HIGH); else digitalWrite(led2, LOW);
    if (potValue > 720) digitalWrite(led3, HIGH); else digitalWrite(led3, LOW);
    if (potValue > 960) digitalWrite(led4, HIGH); else digitalWrite(led4, LOW);
  }
}

节点 022 接收基站第二电位器数据，根据阈值控制 4 个 LED 亮灭。

总结：若硬件连接正确且所有节点保持活跃，我们只需精确寻址节点，所有繁重的网络路由工作都由强大的 RF24Network 库自动完成。

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