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ESP32 Wi-Fi 10 公里传输距离测试

德国巴登-符腾堡州
2017年4月28日

近日,德国一名人称“Jeija”的开发者成功在德国霍恩诺伊芬堡 (Hohenneuffen Castle) 附近的开阔地带,利用一款定向天线将 ESP32 的 Wi-Fi 传输距离拓展至 10 km。

近日,德国一名人称“Jeija”的开发者成功在德国霍恩诺伊芬堡 (Hohenneuffen Castle) 附近的开阔地带,利用一款定向天线将 ESP32 的 Wi-Fi 传输距离拓展至 10 km。

“ ESP32 这款小小的 Wi-Fi 芯片居然可以从这么远的地方发送数据,简直太棒了。 ”

简单来说,这位开发者为一块很平价的 OV2640 摄像头模块搭配了一款 ESP32 芯片以实现实时照片传输功能,而后又利用一款定向天线成功将 ESP32 的 Wi-Fi 传输距离增加至 10 km,从而实现了从德国历史遗迹霍恩诺伊芬堡向 10 km 外的位置传输实时图片的功能。最后,尽管实验图像传输的质量并不是非常好,但“ ESP32 这款小小的 Wi-Fi 芯片居然可以从这么远的地方发送数据,简直太棒了。 ”

下面,让我们一起看看他是怎么做的吧!

具体来说,这位开发者首先利用弗林斯传输方程估算了接收信号所需的强度:

Pr = Pt Gt Gr (λ/4πR)² 

其中,λ 代表波长;Pt 和 Pr 分别代表发射器和接收器的信号功率;Gt 和 Gr 则分别代表相应的天线增益;R 代表发射和接收天线之间的距离。基本来说,天线增益可以反映天线在其主要方向的集中程度。一个理想的各向同性辐射器的增益应该为 0 dBi,而常见的全向天线的增益为 8 dBi,辐射方向图呈环形。

首先,由于我们真正关注的部分是弗林斯传输方程中的 R,也就是两根天线之间的距离,因此可以对弗林斯公式的两边同时取对数再乘以 10,从而将 R 从公式中分离出来。其次,由于我们想了解的是功率瓦数随着发射器和接收器距离间隔增加而变化的情况,因此可以继续将该方程写为一个常数减去“R 取 log 再乘以 20dB”的形式。

Pr,dBm = Const. ➖ 20dB log(R)

可以看到,如果我们将传输距离增加 1 倍,那就应该将公式中的 R 增加至 2R,则根据对数性质,这个公式只会多出了一个常量被加数而已,即 2 取对数再乘以 -20 dB,大概在 -6 dB 左右。简单来说,这意味着两处天线之间的传输距离每增加一倍,我们即损失 6 dB 的信号强度。

在这里大家有个很常见的误解,一提到增加传输距离就立刻想到升级发射器的天线。但事实上,由于全球绝大多数国家均对等效全向辐射功率,也就是我们所说的 EIRP 进行了规定,即不得超过 20 dBm。因此,我们并不能直接给 ESP32 芯片搭配一个更好的发射天线,因为这种解决方案会迫使我们不得不降低传输功率。

在这种情况下,我们可以选择升级接收器的天线性能来增加传输距离。这位开发者就选择了一款价值 60 欧的 24 dBi、2.4 GHz 定向天线,覆盖范围比常规天线大 16 倍。

最后,这位开发者成功从 10 km 开外的位置接收到了来自霍恩诺伊芬堡的实时传输图像,尽管质量不是很好,但 ESP32 芯片的信号完全没有问题。

具体实验过程可见这里(中国地区以外的读者,请点击这里)。此外,更多有关利用 ESP32 发送任意数据包的信息,请点击这里

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