Como utilizar o módulo NRF24L01 para comunicação sem fio entre Arduinos

Neste tutorial, vamos explorar como utilizar os módulos nRF24L01 para estabelecer uma comunicação sem fio entre dois Arduinos. O objetivo do projeto é criar um circuito em que um Arduino, atuando como transmissor, envia o sinal de um botão para outro Arduino, que funciona como receptor. Quando o botão no circuito transmissor for pressionado, os LEDs no circuito receptor acendem, e quando o botão for solto, os LEDs se apagam. Esse projeto é uma excelente introdução à comunicação sem fio com Arduinos, utilizando um dos módulos de rádio mais populares e acessíveis do mercado.

O módulo NRF24L01 (Figura 1) é uma das opções mais populares para comunicação sem fio de curto e médio alcance, amplamente utilizado em projetos de IoT (Internet das Coisas), automação e robótica. Ele opera na faixa de frequência de 2,4 GHz e é baseado no protocolo de comunicação SPI (Serial Peripheral Interface), que é um padrão amplamente usado para a comunicação entre microcontroladores e dispositivos periféricos.

Características principais:

• Alcance: O módulo pode alcançar até 1000 metros com antena externa (ou cerca de 100 metros sem antena), dependendo das condições do ambiente e da potência configurada.
• Velocidade de transmissão: Suporta taxas de transferência de dados de até 2 Mbps, o que o torna ideal para aplicações que exigem transferência rápida e eficiente de dados.
• Comunicação full-duplex: O módulo suporta comunicação bidirecional, ou seja, ele pode enviar e receber dados simultaneamente, tornando-o adequado para sistemas de comunicação em tempo real.
• Baixo consumo de energia: O nRF24L01 é eficiente em termos de consumo de energia, uma característica valiosa para projetos alimentados por bateria, como dispositivos portáteis e sensores remotos.

Quanto a disposição dos pinos, o módulo possui a configuração mostrada na Figura 2:

Onde os pinos têm a seguinte função:

• GND: pino Ground com referência de tensão de 0V.
• VCC: pino de alimentação que deve estar conectado com uma fonte de 3.3 volts.
• CE, SCK, MISO, CSN e MOSI: pinos responsáveis pela comunicação SPI com o Arduino.
• IRQ: Pino de interrupção.

Materiais necessários:

– 2x Arduino Uno;
– 2x Cabo USB tipo A-B compatível com Arduino Uno;
– 2x Módulos Nrf24l01;
– 2x Resistores 220 ohms;
– 2x Led difuso vermelho;
– 2x Protoboards 400 Furos;
– 1x Resistor 10K ohms;
– 1x Chave push button;
– Jumpers Macho-Macho;
– Jumpers Macho-Fêmea.

ESQUEMÁTICO DE LIGAÇÃO DOS COMPONENTES

Inicialmente certifique-se de que as placas estejam desligas para realizar as montagens apresentadas nas Figuras 3 e 4, lembrando que são dois circuitos distintos, um será o transmissor e o outro será o receptor.

Ligações em comum tanto do esquemático do módulo Transmissor quanto do módulo Receptor:

• VCC: Conecte os pinos VCC dos módulos à entrada de 3.3V dos Arduinos. Atenção: O nRF24L01 não deve ser alimentado com 5V, pois isso pode danificar o módulo. A tensão máxima suportada pelo pino VCC do nRF24L01 é 3.6V. Portanto, utilize sempre 3.3V, como fornecido pelo Arduino ou uma fonte externa.
• GND: Os pinos GND dos módulos devem ser conectados ao pino GND dos Arduinos.
• CE: Os pinos CE dos módulos devem ser conectados à entrada digital 7 dos Arduinos.
• CSN: Os pinos CSN dos módulos devem ser conectados à entrada digital 8 dos Arduinos.
• SCK: Os pinos SCK dos módulos devem ser conectados à entrada digital 13 dos Arduinos.
• MOSI: Os pinos MOSI dos módulos devem ser conectados à entrada digital 11 dos Arduinos.
• MISO: Os pinos MISO dos módulos devem ser conectados à entrada digital 12 dos Arduinos.

Detalhes das ligações específicas para o circuito do Transmissor:

• Botão: Um terminal do botão deve estar conectado à entrada GND do Arduino que terá a função de emissor.
• O terminal oposto será o pino de sinal do botão e deve estar conectado à entrada digital 4 do Arduino e ao resistor de 10kΩ, que deve ser conectado ao pino 5V do Arduino, que terá a função de emissor.

Detalhes das ligações específicas para o circuito do Receptor:

• LEDs: O polo positivo dos LEDs deve estar conectado às entradas analógicas A0 e A1 do Arduino, que terá a função de receptor.
• O polo negativo dos LEDs deve estar conectado a um resistor de 220Ω e ao pino GND do Arduino receptor.

Elaborando o Código do módulo Transmissor:

Para este projeto, o transmissor terá a função de controlar o botão e emitir a informação para o módulo receptor. Para facilitar o entendimento do código, seguem os passos de lógica de programação utilizados:

1- Incluir biblioteca RF24.h

Na IDE do Arduino, clique no menu Sketch > Incluir Biblioteca > Gerenciar Bibliotecas (atalho: CTRL + Shift + I). Aguarde a janela abrir, digite “RF24”, e após alguns segundos, desça a página até encontrar a biblioteca RF24 e clique em Instalar, conforme mostrado na Figura 5.

2- Definir as entradas digitais que serão utilizadas

Definimos que o pino de sinal do botão será conectado à porta Digital 4 do Arduino. Também foi determinado que o pino CE deve ser conectado à porta digital 7 e o pino CSN à porta digital 8.

3- Declaração de variáveis

Foi declarada a variável botao, que armazenará os dados lidos do botão, indicando se ele foi acionado ou não.

4- Configurações iniciais

Na função setup, declaramos os comandos que serão utilizados na inicialização do código:

– O comando pinMode é utilizado para definir o pino do botão como sendo uma entrada de sinal.
– Os comandos radio.begin, radio.openWritingPipe, radio.setPALevel e radio.stopListening inicializam o módulo RF e configuram a comunicação com o Arduino.

5- Leitura do código e envio do sinal RF

Na função loop, declaramos os comandos que se repetirão durante a execução do código:

– A variável botao armazena as informações lidas do botão

– Utilizando a estrutura condicional if, se o valor do botão for igual a 1, o monitor serial exibirá que o botão não foi acionado. Se o valor for igual a 0, será exibido que o botão foi pressionado.

– O comando radio.write envia toda a informação para o módulo receptor.

Por fim, temos como o resultado o seguinte código para o Transmissor:

// Inclusão das bibliotecas necessárias para facilitar a comunicação com o módulo NRF24L01
#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>

#define pinBotao 4 // Define que o pino do botão está conectado à entrada digital 4 do Arduino transmissor

int botao = 0; // Declaração da variável que armazenará as informações lidas do botão
RF24 radio(7, 8); // Define que os pinos CE e CSN estarão conectados às entradas digitais 7 e 8 do Arduino
const byte address[6] = "00002"; // Define o endereço do módulo receptor

void setup() {
  pinMode(pinBotao, INPUT); // Define o pino do botão como entrada de sinal
  Serial.begin(9600); // Inicia a comunicação serial com a velocidade de dados de 9600 bauds
  radio.begin(); // Inicia a comunicação com o módulo NRF24L01
  radio.openWritingPipe(address); // Define o endereço do módulo receptor para onde os dados serão enviados
  radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); // Define o nível do amplificador de potência como o mínimo
  radio.stopListening(); // Configura o módulo para modo transmissor (parando de escutar)
}

void loop() {
  botao = digitalRead(pinBotao); // Lê o estado do botão e armazena na variável 'botao'
  
  if (botao == 1) { // Se a leitura do botão for 1, significa que o botão não foi pressionado
    botao = 1;
    Serial.println("Botão não acionado");
  }
  else if (botao == 0) { // Se a leitura do botão for 0, significa que o botão foi pressionado
    botao = 0;
    Serial.println("Botão acionado");
  }

  Serial.println(botao); // Exibe o valor da variável 'botao' na comunicação serial

  radio.write(&botao, sizeof(botao)); // Transmite o valor da variável 'botao' para o módulo receptor
}

Elaborando o Código do módulo Receptor:

Para este projeto, o receptor terá a função de acionar os LEDs assim que o botão conectado ao transmissor for pressionado. Para facilitar o entendimento do código, seguem os passos de lógica de programação utilizados:

1- Definir as entradas digitais e analógicas que serão utilizadas:

Neste código, definimos que os pinos Pinled1 e Pinled2 estarão conectados às entradas analógicas A0 e A1, respectivamente. Também foi determinado que o pino CE deve ser conectado à porta digital 7 e o pino CSN à porta digital 8.

2- Declaração de variáveis:

Foi declarada a variável botao, que armazenará os dados enviados do transmissor, indicando se o botão foi acionado ou não.

3- Configurações iniciais

Na função setup, declaramos os comandos que serão utilizados na inicialização do código:

– O comando Serial.begin inicializa a comunicação com o monitor serial na velocidade de dados de 9600.

– O comando pinMode define os pinos dos LEDs como OUTPUT, ou seja, como saídas.

– O comando digitalWrite é utilizado para acionar um valor HIGH nos pinos dos LEDs, acendendo-os.

-Os comandos radio.begin, radio.openReadingPipe e radio.setPALevel são responsáveis por inicializar o módulo e configurar sua comunicação com o Arduino.

5- Recebimento do sinal RF

Na função loop, declaramos os comandos que serão executados repetidamente durante o funcionamento do código:

– Os comandos radio.startListening e radio.read são responsáveis por receber as informações enviadas pelo módulo transmissor.

– O comando Serial.println envia para o monitor serial o valor recebido da variável botao.

– Utilizando a estrutura condicional if, verificamos se o valor da variável botao é igual a 1 (o que significa que o botão não foi pressionado). Nesse caso, os LEDs permanecem apagados. Se o valor for igual a 0, os LEDs são acesos.  

Por fim, temos como o resultado o seguinte código para o Receptor:

// Inclusão das bibliotecas necessárias para facilitar a comunicação com o módulo NRF24L01
#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>

#define Pinled1 A0 // Define que o pino do LED 1 está conectado à entrada analógica A0
#define Pinled2 A1 // Define que o pino do LED 2 está conectado à entrada analógica A1

int botao = 0; // Declaração da variável que armazenará as informações recebidas do botão
RF24 radio(7, 8); // Define que os pinos CE e CSN estão conectados às entradas digitais 7 e 8 do Arduino
const byte address[6] = "00002";  // Define o endereço do módulo (o endereço é uma string de 5 caracteres)

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inicia a comunicação serial com a velocidade de 9600 bauds
  pinMode(Pinled1, OUTPUT); // Define o pino do LED 1 como saída
  pinMode(Pinled2, OUTPUT); // Define o pino do LED 2 como saída
  digitalWrite(Pinled1, HIGH); // Acende o LED 1 (valor HIGH)
  digitalWrite(Pinled2, HIGH); // Acende o LED 2 (valor HIGH)
  radio.begin(); // Inicia a comunicação com o módulo NRF24L01
  radio.openReadingPipe(0, address); // Define o endereço do receptor, que será o mesmo configurado no transmissor
  radio.setPALevel(RF24_PA_MIN); // Define o nível do amplificador de potência como o mínimo
}

void loop() {
  radio.startListening(); // Coloca o módulo em modo de escuta, aguardando dados
  radio.read(&botao, sizeof(botao)); // Lê os dados enviados pelo transmissor e armazena na variável 'botao'
  while (!radio.available()); // Espera até que os dados estejam disponíveis
  Serial.println(botao); // Exibe o valor recebido na comunicação serial

  if (botao == 1) { // Se o valor recebido for 1, os LEDs serão apagados
    digitalWrite(Pinled1, LOW); // Apaga o LED 1
    digitalWrite(Pinled2, LOW); // Apaga o LED 2
  }
  else if (botao == 0) { // Se o valor recebido for 0, os LEDs serão acesos
    digitalWrite(Pinled1, HIGH); // Acende o LED 1
    digitalWrite(Pinled2, HIGH); // Acende o LED 2
  }
}

Quando o botão no circuito do transmissor for pressionado, os dois LEDs no circuito receptor devem acender. Ao soltar o botão, os LEDs no receptor devem apagar. Esse comportamento é o resultado esperado para o projeto descrito acima.

Espero que tenha gostado deste tutorial. Em caso de dúvidas deixe seu comentário abaixo.

Atenciosamente, Kleber Bastos.