Pristupna točka Raspberry Pi Zero Wifi s prilagođenom antenom za PCB: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:36

Što radimo?

Naslov ovog vodiča sadrži mnogo tehničkih izraza. Hajde da to raščlanimo.

Što je Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero je maleno računalo. To je manja verzija jednokrilnog računala Raspberry Pi i može stati u kutiju dimenzija 30 x 65 x 5 mm. Osim male veličine, vrlo je jeftin i vrlo male snage. Također je dovoljno moćan da pokreće potpuni operacijski sustav temeljen na Linuxu, Raspbian. Kao i sa svakim drugim računalom, možete koristiti Rπ0 za pregledavanje weba, igranje igara, korištenje uredskih alata, pisanje softvera itd. Ovaj vodič koristi Raspberry Pi Zero Model W, koji ima ugrađeni wifi adapter.

Što je WiFi adapter? Ako želite koristiti Wi -Fi za povezivanje mobitela, tableta ili prijenosnog računala s internetom, vaš uređaj treba WiFi adapter. Wi -Fi adapter sadrži strujna kola i antenu. Pretvara podatkovne signale u i iz elektromagnetskih valova s frekvencijom blizu, na primjer, 2,4 GHz. Većina mobitela, tableta i prijenosnih računala sadrži ugrađeni wifi adapter. Međutim, možete kupiti i vanjski WiFi adapter koji se povezuje s računalom putem USB -a. U ovom projektu koristimo i unutarnji WiFi adapter Rπ0 kao i vanjski WiFi adapter.

Što je WiFi pristupna točka? Više mobilnih telefona, tableta ili računala mogu bežično komunicirati s jednom WiFi pristupnom točkom, a podaci s tih uređaja prenose se putem pristupne točke na internet. U ovom projektu, Rπ0 je WiFi pristupna točka. Zašto želite vlastitu WiFi pristupnu točku? Za komunikaciju uređaji moraju biti udaljeni oko 100 metara od pristupne točke. Pretpostavimo da postoji javna Wi -Fi pristupna točka u središtu knjižnice. Svatko s prijenosnim računalom na toj udaljenosti može koristiti pristupnu točku za bežično povezivanje na mrežu. Što ako želite pristup u park pored knjižnice, udaljene 200 metara? Možete postaviti novu pristupnu točku na rub posjeda knjižnice, 100 m od prve pristupne točke. Zatim, svi koji imaju prijenosno računalo udaljeno od 100 m od te nove pristupne točke također mogu pristupiti internetu. U granicama raspoložive propusnosti, ove pristupne točke mogu se povezati radi širenja pristupa internetu na širem području.

Što je prilagođena tiskana ploča (PCB)? PCB je sklop izgrađen odlaganjem slojeva materijala na izolacijsku ploču. Bakar ima uzorke na željenim mjestima da tvori žice, a buše se rupe na koje će se postaviti komponente. Prilagođena PCB -a dizajnirana su pomoću specijaliziranog softvera. Za ovaj projekt, prilagođena PCB je dizajnirana pomoću open source softvera KiCad. Dizajn je zatim poslan proizvođaču na proizvodnju. Dizajniranje i naručivanje prilagođenog PCB -a nije skupo niti dugotrajno. Koraci su detaljno opisani u nastavku. Ako postavite PCB pomoću softvera i date ga proizvesti, dobit ćete krug koji je izdržljiv, precizno proizveden i dizajniran prema vašim točnim specifikacijama. U ovom projektu koristimo prilagođenu PCB za izradu wifi antene.

Što je antena? Antena je dio hardvera wifi pristupne točke koji pretvara signale u i iz elektromagnetskog zračenja. Mnoge antene mogu jednako dobro slati i primati signale iz svih smjerova. Druge antene su usmjerene i rade mnogo bolje u određenom smjeru. U ovom smo projektu odabrali korištenje usmjerene antene. Kad usmjerena antena odašilje signal, ona fokusira energiju u određenom smjeru pa, ako je ostalo jednako, dobro usmjerena antena može komunicirati na većoj udaljenosti od one koja nije usmjerena. Ovaj Instructable inspiriran je drugim Instructable -om koji je od (doslovno) spajalica za papir i štapića od slatkiša napravio usmjerenu wifi antenu. Taj Instructable sadržavao je uzorak za wifi Yagi antenu, a naša je antena izrađena od tog uzorka s malim izmjenama. Yagi antena, koja se također naziva Yagi-Uda antena, vrsta je usmjerene antene koja je izvorno dizajnirana 1926. Još jedan veliki izvor dizajna antena, kao i drugih informacija o antenama, je ARRL antenska knjiga.

Dok neki ljudi pristupaju internetu više puta dnevno, mnogi drugi nemaju pouzdan pristup internetu. Nedostatak pristupa internetu problem je i u ruralnim i u urbanim područjima, a problem je i u razvijenim zemljama iu zemljama u razvoju. Na primjer, 23% kućanstava u okrugu Wayne u Michiganu, uključujući Detroit, nedostajalo je pristupa internetu 2017. Rješenja ovog problema moraju biti jeftina jer mnogi ljudi bez pristupa računalu imaju ograničena sredstva. Osim toga, rješenja moraju raditi bez potrebe za infrastrukturom, poput postavljanja bakrene žice ili optičkih kabela. U ovim uputama pokazujemo kako izgraditi vlastitu WiFi pristupnu točku kako biste sami mogli proširiti internet.

O ovom vodiču

Ove upute su modularne. Možete slijediti dijelove ovih uputa bez da morate dovršiti dijelove prije ili poslije njega. Na primjer, ako ste zainteresirani za korištenje Rπ0 kao pristupne točke, ali niste previše zainteresirani za antene, slobodno upotrijebite bilo koji WiFi adapter i zanemarite korake koji uključuju izradu antene. Ako ste zainteresirani za izradu prilagođene Yagi antene, preskočite izravno na taj dio vodiča. Uključene su datoteke izgleda PCB -a za antenu.

Korak za instaliranje wifi adaptera i korak za postavljanje Rπ0 kao pristupne točke testirani su pomoću Raspbian Stretch 4.14.52 i 4.14.79. Nadajmo se da će nastaviti raditi s budućim verzijama. Međutim, ove će korake možda trebati izmijeniti ako se konfiguracijske datoteke za pristup WiFi -ju promijene u novijim verzijama operacijskog sustava.

Korak 1: Prikupite potrepštine

Potrošni materijal potreban za postavljanje Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero WPobrinite se da nabavite model W koji ima ugrađen wifi.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Micro SD kartica Nabavite najmanje 16 GB. Https: //www.amazon.com/gp/product/B073JWXGNT
• Čitač MicroSD kartica
• USB čvorište s priključkom MicroUSBhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• USB tipkovnica i mišhttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Kabel Mini-HDMI na HDMIProvjerite da nabavite veličinu Mini-HDMI, a ne Micro-HDMI.
• HDMI kompatibilan monitor
• Napajanje Umjesto toga možete koristiti USB bateriju.

Dodatni pribor potreban za postavljanje Wifi pristupne točke

Amazon Osnove USB Wifi adapter sa odvojivom antenom

Dodatne potrepštine potrebne za prilagođenu PCB antenu

• RG-58 Spajljivi kabelski priključakDigikey broj dijela CONSMA007-R58-ND
• Prilagođena tiskana ploča
• Lemilica i mala količina lemljenja

Korak 2: Postavite Raspberry Pi Zero

Preuzmite Raspbian NOOBs Lite zip datoteku s https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs i raspakirajte je.

Povežite MicroSD karticu s računalom pomoću čitača MicroSD kartica. MicroSD kartica mora biti nova ili novo formatirana. Kopirajte datoteke na MicroSD karticu.

Sljedeći korak je povezivanje hardvera Rπ0. Umetnite MicroSD karticu u Rπ0. Spojite USB hub na Rπ0, a tipkovnicu i miš na USB hub. Spojite Rπ0 na izvor napajanja i uključite ga. Amazon Basics wifi adapter neće se koristiti u ovom koraku, pa ga ostavite nepovezanim.

Slijedite upute u čarobnjaku za instaliranje Raspbian operacijskog sustava na Rπ0. Ovaj korak uključuje:

• Prijava na uspostavljenu WiFi mrežu
• Instaliranje Raspbian Full (Budite strpljivi, ovo traje neko vrijeme.)
• Postavljanje zemlje, vremenske zone i jezika
• Postavljanje lozinke za korisnika pi
• Povezivanje s uspostavljenom WiFi mrežom
• Ažuriranje (Budite strpljivi, ovo traje neko vrijeme.)
• Ponovno pokretanje

U ovom trenutku imamo radno računalo Rπ0 s operacijskim sustavom Raspbian. Kliknite na ikonu wifi u gornjem desnom kutu zaslona. Trebao bi pokazati wlan0 povezan s vašom uspostavljenom WiFi mrežom.

Korak 3: Instalirajte upravljački program za WiFi adapter

WiFi adapter marke Amazon Basics odličan je za projekte antena jer se isporučena antena može odvrnuti pa se naša antena može pričvrstiti. Nažalost, Raspbian ne prepoznaje ovaj WiFi adapter. Radi se o adapteru Realtek 818b sa serijskim brojem 70F11C0531F8. Prema https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, čip u njemu zahtijeva upravljački program RTL8192EU. Potreban upravljački program dostupan je na mreži od MrEngmana.

Da biste instalirali upravljački program, priključite Amazon Basic wifi adapter u USB čvorište i otvorite terminal. U naredbeni redak unesite sljedeće naredbe:

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

Kliknite na ikonu wifi u gornjem desnom kutu zaslona.

Trebao bi prikazati wlan0 i wlan1, a oba bi trebala biti povezana na uspostavljenu WiFi mrežu. U ovom trenutku imate radno računalo Rπ0 koje radi s dva radna wifi adaptera, unutarnjim i vanjskim Amazon Basics wifi adapterom.

Korak 4: Postavite Rπ0 kao pristupnu točku

Sljedeći korak je postavljanje Rπ0 da djeluje kao WiFi pristupna točka. Na kraju ovog koraka vanjski Amazon Basics wifi adapter će se nazvati wlan1 od strane Rπ0 i komunicirat će s uspostavljenom WiFi mrežom. Unutarnji wifi adapter će se nazvati wlan0 od strane Rπ0, a uređaji poput mobitela, tableta i prijenosnih računala mogu se spojiti na Rπ0 na novoj WiFi mreži. Ovi mobiteli, tableti i prijenosna računala moći će koristiti ovu novu WiFi pristupnu točku za komunikaciju na internetu.

Ovaj Rπ0 može proširiti raspon uspostavljene WiFi mreže. Na primjer, pretpostavimo da želimo povezati mobitel s internetom, ali mobitel se nalazi 200 m od uspostavljene Wi -Fi pristupne točke. Mobitel možda neće moći komunicirati s tako udaljenom uspostavljenom WiFi pristupnom točkom. Međutim, možemo postaviti Rπ0 s novom pristupnom točkom u sredinu. Rπ0 tada može koristiti vanjski WiFi adapter za komunikaciju s uspostavljenom WiFi mrežom koja je udaljena samo 100 m, a Rπ0 može koristiti unutarnji WiFi adapter za komunikaciju s mobitelom koji je također udaljen samo 100 m.

Adafruit ima izvrstan vodič o tome kako postaviti Raspberry Pi kao WiFi pristupnu točku. Vodič detaljno opisuje korake koji uključuju postavljanje Wi -Fi pristupne točke, instaliranje potrebnih paketa, uređivanje konfiguracijskih datoteka i pokretanje usluga. Međutim, postupak ima više koraka, a upute je potrebno izmijeniti za naše potrebe. Koristimo Rπ0 umjesto veće Raspberry Pi i uspostavljamo vezu između dvije bežične pristupne točke umjesto žičane i bežične pristupne točke. Osim toga, potrebne su daljnje promjene konfiguracijskih datoteka za uspješno postavljanje pristupne točke.

Napisali smo program za pojednostavljenje procesa instalacije. Priložena zip datoteka sadrži potrebne izmijenjene konfiguracijske datoteke, kao i mali C program koji automatizira postavljanje pristupne točke. Usko se temelji na vodiču Adafruit. Ovaj program izrađuje sigurnosne kopije postojećih konfiguracijskih datoteka, kopira ih u nove konfiguracijske datoteke sadržane u zip datoteci i dovršava instalaciju pristupne točke.

Prije upotrebe instalacijske skripte potrebni su neki dodatni paketi. Pomoću sljedećih naredbi instalirajte potreban softver.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Preuzmite priloženu zip datoteku i spremite je u novi direktorij. Otvorite terminal i promijenite se u taj direktorij. Sljedeći koraci su raspakiranje datoteke i pokretanje instalacijske skripte.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Ovaj program će od vas zatražiti da unesete naziv (uspostavljene) WiFi mreže i njezinu lozinku. Postavit će novu pristupnu točku pod nazivom PI_AP s lozinkom Raspberry.

Nakon što je skripta gotova, ponovno pokrenite Rπ0. Sada, ako kliknete na ikonu mreže u gornjem desnom dijelu zaslona, piše da nema bežičnih sučelja. Ne brinite; oni postoje i rade. U ovom trenutku postoji izvorna WiFi mreža, a mi imamo novu WiFi mrežu pod nazivom Pi_AP. Uzmite mobitel ili neki drugi uređaj i pokušajte se povezati s novom WiFi pristupnom točkom. Otvorite web -preglednik na uređaju da biste testirali internetsku vezu dok koristite ovu novu pristupnu točku.

Sljedećih sedam konfiguracijskih datoteka mijenja instalacijski program: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/sučelja, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd i /etc/sysctl.conf. Možda ćete htjeti unijeti dodatne izmjene u ove konfiguracijske datoteke. Gore navedeni vodič Adafruit pruža dodatne pojedinosti. Na primjer, izmijenite datoteku /etc/hostapd/hostapd.conf ako želite promijeniti naziv svoje nove pristupne točke ili njezinu lozinku. Ako želite povezati više pristupnih točaka Rπ0 na uspostavljenu mrežu, svaka od njih treba jedinstvenu IP adresu. Postupak instalacije koristi 192.168.42.1. Datoteke /etc/dhcp/dhcpd.conf i/etc/network/sučelja morat će se izmijeniti. Dodatno, trebat će vam naredba sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 gdje je zz zamijenjen drugim cijelim brojem. Također, ova pristupna točka testirana je samo za IPv4 komunikaciju. Za IPv4 i IPv6 komunikaciju na pristupnoj točki možda će biti potrebne dodatne izmjene instalacijskog postupka ili konfiguracijskih datoteka.

Korak 5: Dizajnirajte antenu

Dizajniranje i izrada antene lakše je nego što zvuči. Naš pristup bio je započeti s uzorkom, izmijeniti ga, simulirati kako bi se osiguralo da još uvijek zadovoljava naše potrebe, a zatim ga postaviti na PCB. Ako ne želite napraviti vlastitu antenu, upotrijebite onu koja dolazi s wifi adapterom. Alternativno, ako želite napraviti, ali ne dizajnirati ili simulirati svoju antenu, priložili smo naše datoteke izgleda PCB -a. No, čitajte dalje ako vas zanima dizajn antene, simulacija antene ili izgled PCB -a. Antena koju koristimo nije optimizirana. Ovdje je svrha pokazati kako možete napraviti vlastitu antenu, a ne pokazati idealnu antenu.

Željeli smo usmjerenu antenu koja radi na WiFi frekvencijama. Instructable s kojim smo započeli uključuje detaljan uzorak usmjerene Yagi antene koja se može napraviti od spajalica i štapića za sladoled. Napravili smo samo jednu izmjenu. Ova je antena duga 42 cm i sadrži 15 vodljivih elemenata. Riješili smo se svih elemenata osim četiri pa će antena biti kraća.

Zatim smo simulirali antenu kako bismo osigurali da je i dalje usmjerena, čak i s manje elemenata. EZNECby Roy Lewallen alat je za simulaciju antene jednostavan za korištenje. Koristili smo demo verziju EZNEC -a 6.0. Prvi korak pri korištenju ovog softvera je opis antene. Pritisnite gumb Wires i unesite mjesto elemenata antene. Veličina i mjesto ovih elemenata detaljno su prikazani u uzorku antene. Zatim smo postavili frekvenciju na 2,4 GHz za wifi signale, a vrstu tla smo odabrali kao slobodan prostor. U privitku je datoteka EZNEC koja opisuje antenu, WifiYagi.ez.

Izlaz simulacije EZNEC -a prikazan je u nastavku i provjerava je li izmijenjena antena još uvijek usmjerena. Lijevi dio slike prikazuje antenu. Crne linije su vodljivi elementi, a crveni krug na drugom elementu je mjesto gdje se povezuje wifi adapter. Desni dio slike je dijagram uzorka 3D zračenja. Slika prikazuje relativnu jačinu signala na fiksnoj udaljenosti od odašiljačke antene pod različitim kutovima. Budući da je grafika veća u smjeru x nego u drugim smjerovima, antena je usmjerena. Većina energije koju prenosi antena ići će u smjeru x. Ako ovu antenu pravilno orijentiramo i pod pretpostavkom da je sve ostalo jednako, ova bi antena trebala komunicirati na veće udaljenosti u smjeru x nego da nismo koristili usmjerenu antenu.

Sljedeći korak je postavljanje prilagođene PCB -a. Iako je uzorak antene s kojim smo počeli lako konstruirati, teško ga je izgraditi precizno. Tiskane ploče izrađuju se točnije i izdržljivije su. Koristili smo program otvorenog koda KiCad. Naše datoteke izgleda PCB -a nalaze se u privitku, na wifi_pcb.tar.gz. Da biste raspakirali datoteku, upotrijebite naredbu:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Koraci za postavljanje PCB -a su sljedeći:

• Otvorite novi KiCad projekt.
• Idite u uređivač izgleda PCB -a.
• Odaberite gumb Dodaj grafičke linije i sloj Edge. Cuts te definirajte opseg PCB -a.
• Odaberite gumb Dodaj grafičke linije i sloj F. Cu te nacrtajte elemente antene u prednjem sloju bakra.
• Odaberite gumb Dodaj vias i umetnite dvije rupe u koje će se spojiti WiFi adapter.
• Odaberite gumb Dodaj grafički poligon i sloj F. maske te nacrtajte rupu u masci prednjeg lemljenja tako da ne pokrije prolazne rupe. Ponovite postupak pomoću sloja B. Mask da nacrtate rupu i na stražnjoj maski za lemljenje.
• Dodajte sve željene dodatne oznake ili oznake na slojeve sitotiska.
• Odaberite Datoteka pa Zemljište za generiranje Gerberovih datoteka.

Korak 6: Napravite antenu

Kupili smo PCB -e napravljene prema našem rasporedu. Adafruit ima popis proizvođača PCB-a prilagođenih hobistima. Iako smo isprobali nekoliko proizvođača PCB -a, stvarno ne znamo koji je najbolji. Prikazani PCB proizveo je Oshpark.

Nakon što stigne PCB, sljedeći korak je lemljenje koaksijalnog priključka RG-58. PCB ima dvije prolazne rupe. Pin koji dolazi s priključkom je prekratak, pa lemite mali komad žice u jednu od prolaznih rupa. Stavite veliku točku lema koja povezuje ljusku s drugom kroz otvor. Sada imate usmjerenu Yagi wifi antenu napravljenu od prilagođenog PCB -a.

Isključite bežični adapter Amazon Basics. Odvijte antenu s kojom ste ga dobili i pričvrstite novu PCB antenu. Priključite WiFi adapter natrag u USB koncentrator. Projekt je sada završen.