Punct de acces Raspberry Pi Zero Wifi cu o antenă PCB personalizată: 6 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Ce facem?

Titlul acestui tutorial conține o mulțime de termeni tehnici. Să o descompunem.

Ce este un Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Un Raspberry Pi Zero este un computer mic. Este versiunea mai mică a computerului de bord unic Raspberry Pi și se poate potrivi într-o cutie de 30 mm pe 65 mm pe 5 mm. În plus față de dimensiunile sale mici, este foarte ieftin și are o putere foarte mică. De asemenea, este suficient de puternic pentru a rula un sistem de operare complet bazat pe Linux, Raspbian. Ca și în cazul oricărui alt computer, puteți utiliza Rπ0 pentru a naviga pe web, pentru a juca jocuri, pentru a utiliza instrumente de birou, pentru a scrie software și așa mai departe. Acest tutorial folosește Raspberry Pi Zero Model W, care are un adaptor wifi încorporat.

Ce este un adaptor wifi? Dacă doriți să utilizați wifi pentru a vă conecta telefonul mobil, tableta sau laptopul la internet, dispozitivul dvs. are nevoie de un adaptor wifi. Un adaptor wifi conține circuite și o antenă. Convertește semnale de date către și de la unde electromagnetice cu frecvență aproape, de exemplu, de 2,4 GHz. Majoritatea telefoanelor mobile, tabletelor și laptopurilor conțin un adaptor wifi încorporat. Cu toate acestea, puteți achiziționa și un adaptor wifi extern care se conectează la un computer prin USB. În acest proiect, folosim atât adaptorul wifi intern al Rπ0, cât și un adaptor wifi extern.

Ce este un punct de acces wifi? Mai multe telefoane mobile, tablete sau computere pot comunica fără fir cu un singur punct de acces wifi, iar datele de pe aceste dispozitive sunt transferate prin punctul de acces către internet. În acest proiect, Rπ0 este punctul de acces wifi. De ce ți-ai dori propriul punct de acces wifi? Dispozitivele trebuie să se afle la aproximativ 100 de metri de un punct de acces pentru a comunica. Să presupunem că există un punct de acces WiFi public în centrul unei biblioteci. Oricine are un laptop la această distanță poate folosi punctul de acces pentru a se conecta wireless. Ce se întâmplă dacă doriți acces în parcul de lângă bibliotecă, la 200 de metri distanță? Puteți pune un nou punct de acces la marginea proprietății bibliotecii, la 100 m de primul punct de acces. Apoi, oricine are un laptop aflat la o distanță de 100 m de acel nou punct de acces se poate conecta și el. În limitele lățimii de bandă disponibile, aceste puncte de acces pot fi înlănțuite pentru a răspândi accesul la internet într-o zonă mai largă.

Ce este o placă de circuite imprimate personalizate (PCB)? Un PCB este un circuit construit prin depunerea straturilor de material pe o placă izolatoare. Cuprul este modelat în locațiile dorite pentru a forma fire, iar găurile sunt găurite acolo unde vor fi plasate componentele. PCB-urile personalizate sunt proiectate folosind software specializat. Pentru acest proiect, a fost proiectat un PCB personalizat utilizând software-ul open source KiCad. Proiectul a fost apoi trimis unui producător pentru a fi produs. Proiectarea și comanda unui PCB personalizat nu este nici costisitoare, nici consumatoare de timp. Pașii sunt detaliați mai jos. Dacă așezați un PCB folosind software și îl fabricați, veți obține un circuit durabil, fabricat cu precizie și proiectat conform specificațiilor dvs. exacte. În acest proiect, folosim un PCB personalizat pentru a crea o antenă wifi.

Ce este o antenă? Antena este partea hardware-ului punctului de acces wifi care convertește semnalele în și din radiația electromagnetică. Multe antene pot transmite și primi semnale la fel de bine din toate direcțiile. Alte antene sunt direcționale, funcționând mult mai bine de-a lungul unei anumite direcții. În acest proiect, am ales să folosim o antenă direcțională. Când o antenă direcțională transmite un semnal, aceasta focalizează energia într-o anumită direcție, astfel încât, oricum altfel, o antenă direcțională bine aliniată poate comunica pe o distanță mai mare decât una care nu este direcțională. Acest instructabil a fost inspirat de un alt instructabil care a realizat o antenă wifi direcțională din (literalmente) agrafe și bastoane de gheață. Acest instructabil conținea un model pentru o antenă Yagi wifi, iar antena noastră este fabricată din acel model cu ușoare modificări. O antenă Yagi, numită și antenă Yagi-Uda, este un tip de antenă direcțională proiectată inițial în 1926. O altă sursă excelentă de proiecte de antene, precum și alte informații despre antene, este cartea de antene ARRL.

În timp ce unii oameni accesează internetul de mai multe ori pe zi, multe alte persoane nu au acces la internet de încredere. Lipsa accesului la internet este o problemă atât în zonele rurale, cât și în cele urbane și este o problemă atât în țările dezvoltate, cât și în țările în curs de dezvoltare. De exemplu, 23% din gospodăriile din județul Wayne Michigan, care include Detroit, nu aveau acces la internet în 2017. Soluțiile la această problemă trebuie să fie ieftine, deoarece multe dintre persoanele fără acces la computer au resurse limitate. În plus, soluțiile trebuie să funcționeze fără a necesita infrastructură, cum ar fi instalarea de sârmă de cupru sau cabluri de fibră optică. În aceste instrucțiuni vă arătăm cum să vă construiți propriul punct de acces wifi, astfel încât să puteți extinde singur internetul.

Despre acest tutorial

Aceste instrucțiuni sunt modulare. Puteți urma părți din aceste instrucțiuni fără a completa neapărat părțile înainte sau după aceasta. De exemplu, dacă sunteți interesat să utilizați un Rπ0 ca punct de acces, dar nu sunteți prea interesat de antene, nu ezitați să utilizați orice adaptor wifi și ignorați pașii care implică realizarea antenei. Dacă sunteți interesat să creați o antenă Yagi personalizată, treceți direct la acea parte a tutorialului. Sunt incluse fișierele de aspect PCB pentru antenă.

Pasul pentru instalarea adaptorului wifi și pasul pentru configurarea Rπ0 ca punct de acces au fost testate folosind Raspbian Stretch 4.14.52 și 4.14.79. Sperăm că vor continua să lucreze cu versiunile viitoare. Cu toate acestea, acești pași ar putea fi necesari să fie modificați dacă fișierele de configurare pentru accesul wifi se schimbă în versiunile mai noi ale sistemului de operare.

Pasul 1: Strângeți consumabilele

Consumabile necesare pentru configurarea Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero W Asigurați-vă că obțineți modelul W care a încorporat în wifi.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Card Micro SD Obțineți cel puțin 16 GB.
• Cititor de carduri MicroSD
• Hub USB cu conector MicroUSB
• Tastatură USB și mouse
• Cablu Mini-HDMI la HDMI Asigurați-vă că obțineți dimensiunea Mini-HDMI, nu Micro-HDMI.
• Monitor compatibil HDMI
• Sursă de alimentare Puteți utiliza în schimb un acumulator USB.https://www.adafruit.com/product/1995

Consumabile suplimentare necesare pentru configurarea punctului de acces Wifi

Adaptor USB Wifi USB de bază cu antenă detașabilă

Consumabile suplimentare necesare antenei PCB personalizate

• RG-58 Conector de cablu sudabil Număr piesă digitală CONSMA007-R58-ND
• Placă de circuite imprimate personalizate
• Fier de lipit și cantitate mică de lipit

Pasul 2: Configurați Raspberry Pi Zero

Descărcați fișierul zip Raspbian NOOBs Lite de la https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs și dezarhivați-l.

Conectați cardul MicroSD la computer utilizând cititorul de card MicroSD. Cardul MicroSD ar trebui să fie nou sau nou formatat. Copiați fișierele pe cardul MicroSD.

Următorul pas este conectarea hardware-ului Rπ0. Introduceți cardul MicroSD în Rπ0. Conectați hub-ul USB la Rπ0 și conectați tastatura și mouse-ul la hub-ul USB. Conectați Rπ0 la sursa de alimentare și conectați-l. Adaptorul wifi Amazon Basics nu va fi utilizat în acest pas, așa că lăsați-l neconectat.

Urmați instrucțiunile din expert pentru a instala sistemul de operare Raspbian pe Rπ0. Acest pas implică:

• Conectarea la rețeaua wifi stabilită
• Instalarea Raspbian Full (Aveți răbdare, durează puțin.)
• Setarea țării, fusului orar și a limbii
• Setarea unei parole pentru utilizatorul pi
• Conectarea la rețeaua wifi stabilită
• Actualizare (Aveți răbdare, durează puțin.)
• Repornirea

În acest moment, avem un computer Rπ0 funcțional care rulează sistemul de operare Raspbian. Faceți clic pe pictograma wifi din colțul din dreapta sus al ecranului. Ar trebui să arate wlan0 conectat la rețeaua dvs. wifi stabilită.

Pasul 3: Instalați driverul adaptorului Wifi

Adaptorul wifi marca Amazon Basics este excelent pentru proiectele de antenă, deoarece antena furnizată poate fi deșurubată, astfel încât antena noastră să poată fi înșurubată. Din păcate, Raspbian nu recunoaște acest adaptor wifi. Este un adaptor Realtek 818b cu numărul de serie 70F11C0531F8. Conform https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, cipul din acesta necesită driverul RTL8192EU. Șoferul necesar este disponibil online de la MrEngman.

Pentru a instala driverul, conectați adaptorul wifi Amazon Basic la hub-ul USB și deschideți un terminal. Introduceți următoarele comenzi pe linia de comandă:

sudo wget https://fars-robotics.net/install-wifi -O / usr / bin / install-wifi

sudo chmod + x / usr / bin / install-wifi sudo install-wifi -h sudo install-wifi

Faceți clic pe pictograma wifi din colțul din dreapta sus al ecranului.

Ar trebui să afișeze wlan0 și wlan1 și ambele ar trebui să fie conectate la rețeaua wifi stabilită. În acest moment, aveți un computer Rπ0 funcțional care rulează cu două adaptoare wifi funcționale, unul intern și adaptorul extern Amazon Basics wifi.

Pasul 4: Configurați Rπ0 ca punct de acces

Următorul pas este să configurați Rπ0 pentru a acționa ca un punct de acces wifi. La sfârșitul acestui pas, adaptorul extern Amazon Basics va fi numit wlan1 de Rπ0 și va comunica cu rețeaua wifi stabilită. Adaptorul WiFi intern va fi numit wlan0 de către Rπ0, iar dispozitivele precum telefoanele mobile, tabletele și laptopurile se pot conecta la Rπ0 pe noua rețea wifi. Aceste telefoane mobile, tablete și laptopuri vor putea utiliza acest nou punct de acces wifi pentru a comunica pe internet.

Acest Rπ0 poate extinde gama unei rețele wifi stabilite. De exemplu, să presupunem că vrem să conectăm un telefon mobil la internet, dar telefonul mobil este la 200 m de punctul de acces wifi stabilit. Este posibil ca telefonul mobil să nu poată comunica cu punctul de acces wifi stabilit atât de departe. Cu toate acestea, putem plasa Rπ0 cu noul punct de acces în mijloc. Rπ0 poate utiliza apoi adaptorul wifi extern pentru a comunica cu rețeaua wifi stabilită, care este la numai 100 m distanță, iar Rπ0 poate utiliza adaptorul wifi intern pentru a comunica cu telefonul mobil, care este, de asemenea, la doar 100 m distanță.

Adafruit are un tutorial excelent despre cum să configurați un Raspberry Pi ca punct de acces wifi. Tutorialul detaliază pașii care includ configurarea punctului de acces wifi, instalarea pachetelor necesare, editarea fișierelor de configurare și pornirea serviciilor. Cu toate acestea, procedura are mai mulți pași, iar instrucțiunile trebuie modificate în scopul nostru. Folosim un Rπ0 în locul celui mai mare Raspberry Pi și stabilim o conexiune între două puncte de acces fără fir în loc de un punct de acces prin cablu și fără fir. În plus, sunt necesare modificări suplimentare la fișierele de configurare pentru a configura cu succes punctul de acces.

Am scris un program pentru a simplifica procesul de instalare. Fișierul zip atașat conține fișierele de configurare modificate necesare, precum și un mic program C care automatizează configurarea punctului de acces. Se bazează îndeaproape pe tutorialul Adafruit. Acest program face backup pentru fișierele de configurare existente, copiază în noile fișiere de configurare conținute în fișierul zip și finalizează instalarea punctului de acces.

Sunt necesare câteva pachete suplimentare înainte de a putea folosi scriptul de instalare. Utilizați următoarele comenzi pentru a instala software-ul necesar.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Descărcați fișierul zip atașat și salvați-l într-un director nou. Deschideți un terminal și treceți la acel director. Pașii următori sunt dezarhivarea fișierului și rularea scriptului de instalare.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

cd install-rpiAP sudo./install-rpiAP.o

Acest program vă va solicita să introduceți numele rețelei wifi (stabilite) și parola acesteia. Va configura un nou punct de acces numit PI_AP cu parolă Raspberry.

După terminarea scriptului, reporniți Rπ0. Acum, dacă faceți clic pe pictograma de rețea din partea dreaptă sus a ecranului, se spune că nu se găsesc interfețe wireless. Nu vă faceți griji; există și funcționează. În acest moment, rețeaua wifi originală există și avem o nouă rețea wifi numită Pi_AP. Luați un telefon mobil sau alt dispozitiv și încercați să vă conectați la noul punct de acces wifi. Deschideți un browser web pe dispozitiv pentru a testa conexiunea la internet în timp ce utilizați acest nou punct de acces.

Următoarele șapte fișiere de configurare sunt modificate de programul de instalare: /etc/dhcp/dhcpd.conf, / etc / default / isc-dhcp-server, / etc / network / interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf, / etc / default / hostapd, /etc/init.d/hostapd și /etc/sysctl.conf. Poate doriți să faceți modificări suplimentare la aceste fișiere de configurare. Tutorialul Adafruit menționat mai sus oferă detalii suplimentare. De exemplu, modificați fișierul /etc/hostapd/hostapd.conf dacă doriți să schimbați numele noului punct de acces sau parola acestuia. Dacă doriți să conectați mai multe puncte de acces Rπ0 la rețeaua stabilită, fiecare are nevoie de o adresă IP unică. Procesul de instalare utilizează 192.168.42.1. Fișierele /etc/dhcp/dhcpd.conf și / etc / network / interfaces vor trebui modificate. În plus, veți avea nevoie de comanda sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 unde zz este înlocuit cu un alt număr întreg. De asemenea, acest punct de acces a fost testat numai pentru comunicarea IPv4. Este posibil să fie necesare modificări suplimentare la procedura de instalare sau la fișierele de configurare atât pentru comunicarea IPv4, cât și pentru IPv6 pe punctul de acces.

Pasul 5: Proiectați antena

Proiectarea și realizarea unei antene este mai ușoară decât pare. Abordarea noastră a fost să începem cu un model, să-l modificăm, să-l simulăm pentru a ne asigura că încă ne satisface nevoile și apoi să-l așezăm pe un PCB. Dacă nu doriți să vă creați propria antenă, utilizați cea care vine cu adaptorul wifi. Alternativ, dacă doriți să creați, dar nu să proiectați sau să simulați, propria antenă, am atașat fișierele noastre de aspect PCB. Cu toate acestea, citiți mai departe dacă sunteți interesat de proiectarea antenei, simularea antenei sau aspectul PCB. Antena pe care o folosim nu a fost optimizată. Scopul aici este de a arăta cum puteți crea propria antenă, nu de a arăta o antenă ideală.

Ne-am dorit o antenă direcțională care să funcționeze la frecvențe wifi. Instrucțiunea cu care am început include un model detaliat pentru o antenă direcțională Yagi care poate fi făcută din agrafe de hârtie și bastoane de gheață. Am făcut o singură modificare. Această antenă are 42 cm lungime și conține 15 elemente conductoare. Am scăpat de toate elementele, cu excepția celor patru, astfel încât antena să fie mai scurtă.

Apoi, am simulat antena pentru a ne asigura că este încă direcțională, chiar și cu mai puține elemente. EZNECby Roy Lewallen este un instrument de simulare a antenei ușor de utilizat. Am folosit versiunea demo a EZNEC 6.0. Primul pas pentru utilizarea acestui software este descrierea antenei. Faceți clic pe butonul Wires și introduceți locația elementelor antenei. Dimensiunea și locația acestor elemente sunt detaliate în modelul antenei. Apoi, am setat frecvența la 2,4 GHz pentru semnalele wifi și am ales tipul de sol pentru a fi spațiu liber. Fișierul EZNEC care descrie antena, WifiYagi.ez, este atașat.

Ieșirea simulării EZNEC este prezentată mai jos și verifică dacă antena modificată este încă direcțională. Partea stângă a figurii arată antena. Liniile negre sunt elementele conductoare, iar cercul roșu de pe al doilea element se conectează adaptorul wifi. Partea dreaptă a figurii este graficul modelului de radiație 3D. Figura arată puterea relativă a semnalului la o distanță fixă de o antenă de transmisie la unghiuri diferite. Deoarece graficul este mai mare în direcția x decât în alte direcții, antena este direcțională. Cea mai mare parte a energiei transmise de antenă va merge în direcția x. Dacă orientăm corect această antenă și presupunând că orice altceva este egal, această antenă ar trebui să poată comunica pe distanțe mai mari în direcția x decât dacă nu am fi folosit o antenă direcțională.

Următorul pas este de a stabili PCB-ul personalizat. În timp ce modelul de antenă cu care am început este ușor de construit, este dificil de construit cu precizie. Plăcile cu circuite imprimate sunt fabricate mai precis și sunt mai durabile. Am folosit programul open source KiCad. Fișierele noastre de aspect PCB sunt atașate, în wifi_pcb.tar.gz. Pentru a dezarhiva fișierul, utilizați comanda:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Pașii pentru stabilirea PCB-ului sunt:

• Deschideți un nou proiect KiCad.
• Mergeți la PCB Layout Editor.
• Selectați butonul Adăugați linii grafice și stratul Edge. Cuts și definiți perimetrul PCB-ului.
• Selectați butonul Adăugați linii grafice și stratul F. Cu și desenați elementele antenei în stratul frontal de cupru.
• Selectați butonul Adăugare Vias și introduceți două găuri unde va fi conectat adaptorul wifi.
• Selectați butonul Adăugare poligon grafic și stratul F. Mask și trageți o gaură în masca de lipit din față, astfel încât să nu acopere găurile prin intermediul. Repetați folosind stratul B. Mask pentru a desena și o gaură în masca de lipit din spate.
• Adăugați orice mărci sau etichete suplimentare dorite straturilor de serigrafie.
• Selectați Fișier apoi Plot pentru a genera fișiere Gerber.

Pasul 6: Faceți antena

Am cumpărat PCB-uri realizate din aspectul nostru. Adafruit are o listă de producători de PCB prietenoși cu hobby-ii. Deși am încercat câțiva producători de PCB, chiar nu știm care este cel mai bun. PCB-ul prezentat a fost fabricat de Oshpark.

Odată ce PCB ajunge, următorul pas este să lipiți pe conectorul coaxial RG-58. PCB-ul are două găuri prin intermediul. Știftul care vine cu conectorul este prea scurt, așa că lipiți o bucată mică de sârmă într-unul dintre orificiile de conectare. Puneți un punct mare de lipit conectând coaja la cealaltă prin gaură. Aveți acum o antenă Yagi direcțională, realizată dintr-un PCB personalizat.

Deconectați adaptorul WiFi Amazon Basics. Deșurubați antena cu care a venit și înșurubați noua antenă PCB. Conectați din nou adaptorul wifi la hub-ul USB. Proiectul este acum finalizat.