Punkt dostępowy Raspberry Pi Zero Wifi z niestandardową anteną PCB: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Co robimy?

Tytuł tego samouczka zawiera wiele terminów technicznych. Rozbijmy to.

Co to jest Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero to mały komputer. Jest to mniejsza wersja komputera jednopłytkowego Raspberry Pi i może zmieścić się w pudełku o wymiarach 30 mm na 65 mm na 5 mm. Oprócz niewielkich rozmiarów jest bardzo tania i ma bardzo niską moc. Jest również wystarczająco potężny, aby uruchomić pełny system operacyjny oparty na Linuksie, Raspbian. Podobnie jak w przypadku każdego innego komputera, możesz używać Rπ0 do przeglądania Internetu, grania w gry, korzystania z narzędzi biurowych, pisania oprogramowania i tak dalej. Ten samouczek wykorzystuje Raspberry Pi Zero Model W, który ma wbudowany adapter Wi-Fi.

Co to jest adapter wifi? Jeśli chcesz używać Wi-Fi do połączenia telefonu komórkowego, tabletu lub laptopa z Internetem, Twoje urządzenie potrzebuje adaptera Wi-Fi. Adapter Wi-Fi zawiera obwody i antenę. Konwertuje sygnały danych na i z fal elektromagnetycznych o częstotliwości bliskiej np. 2,4 GHz. Większość telefonów komórkowych, tabletów i laptopów ma wbudowany adapter Wi-Fi. Można jednak kupić zewnętrzny adapter Wi-Fi, który łączy się z komputerem przez USB. W tym projekcie używamy zarówno wewnętrznego adaptera Wi-Fi Rπ0, jak i zewnętrznego adaptera Wi-Fi.

Co to jest punkt dostępu Wi-Fi? Wiele telefonów komórkowych, tabletów lub komputerów może komunikować się bezprzewodowo z jednym punktem dostępowym Wi-Fi, a dane z tych urządzeń są przesyłane za pośrednictwem punktu dostępowego do Internetu. W tym projekcie Rπ0 jest punktem dostępu Wi-Fi. Dlaczego chcesz mieć własny punkt dostępu Wi-Fi? Aby urządzenia mogły się komunikować, muszą znajdować się w promieniu około 100 metrów od punktu dostępowego. Załóżmy, że w centrum biblioteki znajduje się publiczny punkt dostępu Wi-Fi. Każdy, kto ma laptopa w tej odległości, może użyć punktu dostępu do bezprzewodowego połączenia z Internetem. A jeśli chcesz wejść do parku obok biblioteki, 200 metrów dalej? Możesz umieścić nowy punkt dostępu na skraju posesji biblioteki, 100 m od pierwszego punktu dostępu. Wtedy każdy, kto ma laptopa w promieniu 100 m od nowego punktu dostępowego, również może połączyć się z Internetem. W granicach dostępnej przepustowości te punkty dostępowe można łączyć ze sobą w celu rozłożenia dostępu do Internetu na większym obszarze.

Co to jest niestandardowa płytka drukowana (PCB)? PCB to obwód zbudowany przez nałożenie warstw materiału na płytkę izolacyjną. Miedź jest układana w żądanych miejscach, aby uformować druty, a otwory są wiercone w miejscach, w których zostaną umieszczone komponenty. Niestandardowe płytki drukowane są projektowane przy użyciu specjalistycznego oprogramowania. Na potrzeby tego projektu zaprojektowano niestandardową płytkę drukowaną przy użyciu oprogramowania KiCad o otwartym kodzie źródłowym. Projekt został następnie przesłany do producenta w celu wykonania. Projektowanie i zamawianie niestandardowej płytki drukowanej nie jest ani drogie, ani czasochłonne. Kroki są szczegółowo opisane poniżej. Jeśli ułożysz płytkę drukowaną za pomocą oprogramowania i zlecisz jej wyprodukowanie, otrzymasz obwód, który jest trwały, precyzyjnie wykonany i zaprojektowany zgodnie z dokładnymi specyfikacjami. W tym projekcie wykorzystujemy niestandardową płytkę PCB do wykonania anteny wifi.

Co to jest antena? Antena jest częścią sprzętu punktu dostępowego Wi-Fi, która konwertuje sygnały do iz promieniowania elektromagnetycznego. Wiele anten może równie dobrze nadawać i odbierać sygnały ze wszystkich kierunków. Inne anteny są kierunkowe i działają znacznie lepiej w określonym kierunku. W tym projekcie zdecydowaliśmy się na zastosowanie anteny kierunkowej. Kiedy antena kierunkowa transmituje sygnał, skupia energię w określonym kierunku, więc dobrze ustawiona antena kierunkowa może komunikować się na większą odległość niż ta, która nie jest kierunkowa. Ten Instructable został zainspirowany innym Instructable, który wykonał kierunkową antenę Wi-Fi z (dosłownie) spinaczy do papieru i patyczków do lodów. Ta instrukcja zawierała wzór anteny wifi Yagi, a nasza antena jest wykonana z tego wzoru z niewielkimi modyfikacjami. Antena Yagi, zwana również anteną Yagi-Uda, to rodzaj anteny kierunkowej zaprojektowanej pierwotnie w 1926 roku. Innym świetnym źródłem konstrukcji anten, jak również innych informacji o antenach, jest książka antenowa ARRL.

Podczas gdy niektórzy ludzie korzystają z Internetu kilka razy dziennie, wielu innym brakuje niezawodnego dostępu do Internetu. Brak dostępu do internetu jest problemem zarówno na obszarach wiejskich, jak i miejskich, zarówno w krajach rozwiniętych, jak i rozwijających się. Na przykład 23% gospodarstw domowych w hrabstwie Wayne w stanie Michigan, w tym w Detroit, nie miało dostępu do internetu w 2017 r. Rozwiązania tego problemu muszą być niedrogie, ponieważ wiele osób bez dostępu do komputera ma ograniczone zasoby. Ponadto rozwiązania muszą działać bez konieczności posiadania infrastruktury, takiej jak układanie przewodów miedzianych lub kabli światłowodowych. W tych instrukcjach pokazujemy, jak zbudować własny punkt dostępu Wi-Fi, abyś mógł samodzielnie rozszerzyć internet.

O tym samouczku

Te instrukcje są modułowe. Możesz postępować zgodnie z częściami tych instrukcji bez konieczności wypełniania części przed lub po niej. Na przykład, jeśli jesteś zainteresowany użyciem Rπ0 jako punktu dostępowego, ale nie jesteś zbyt zainteresowany antenami, możesz użyć dowolnego adaptera Wi-Fi i zignorować kroki związane z wykonaniem anteny. Jeśli jesteś zainteresowany wykonaniem własnej anteny Yagi, przejdź od razu do tej części samouczka. Dołączone są pliki układu PCB dla anteny.

Krok instalacji adaptera Wi-Fi i krok konfiguracji Rπ0 jako punktu dostępowego zostały przetestowane przy użyciu Raspbian Stretch 4.14.52 i 4.14.79. Mam nadzieję, że będą kontynuować pracę z przyszłymi wersjami. Jednak te kroki mogą wymagać modyfikacji, jeśli pliki konfiguracyjne dostępu do Wi-Fi zmienią się w nowszych wersjach systemu operacyjnego.

Krok 1: Zbierz zapasy

Materiały potrzebne do konfiguracji zerowej Raspberry Pi

• Raspberry Pi Zero WUpewnij się, że posiadasz model W, który ma wbudowane wifi.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Karta Micro SD Zdobądź co najmniej 16 GB.https://www.amazon.com/gp/product/B073JWXGNT
• Czytnik kart MicroSD
• Koncentrator USB ze złączem MicroUSBhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• Klawiatura i mysz USBhttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Kabel Mini-HDMI do HDMI Upewnij się, że otrzymujesz rozmiar Mini-HDMI, a nie Micro-HDMI.
• Monitor zgodny z HDMI
• Zasilanie Zamiast tego można użyć akumulatora USB.https://www.adafruit.com/product/1995

Dodatkowe materiały potrzebne do skonfigurowania punktu dostępu Wifi

Amazon Basics Adapter USB Wi-Fi z odłączaną anteną

Dodatkowe materiały potrzebne do niestandardowej anteny PCB

• Złącze kablowe lutowane RG-58 Numer części Digikey CONSMA007-R58-ND
• Niestandardowa płytka drukowana
• Lutownica i mała ilość lutu

Krok 2: Skonfiguruj Raspberry Pi Zero

Pobierz plik zip Raspbian NOOBs Lite z https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs i rozpakuj go.

Podłącz kartę MicroSD do komputera za pomocą czytnika kart MicroSD. Karta MicroSD powinna być nowa lub nowo sformatowana. Skopiuj pliki na kartę MicroSD.

Następnym krokiem jest podłączenie sprzętu Rπ0. Włóż kartę MicroSD do Rπ0. Podłącz koncentrator USB do Rπ0, a klawiaturę i mysz do koncentratora USB. Podłącz Rπ0 do zasilacza i podłącz go. Adapter Wi-Fi Amazon Basics nie będzie używany w tym kroku, więc pozostaw go niepodłączony.

Postępuj zgodnie z instrukcjami kreatora, aby zainstalować system operacyjny Raspbian na Rπ0. Ten krok obejmuje:

• Logowanie do utworzonej sieci Wi-Fi
• Instalowanie Raspbian Full (Bądź cierpliwy, to trochę potrwa.)
• Ustawianie kraju, strefy czasowej i języka
• Ustawianie hasła dla użytkownika pi
• Łączenie się z ustanowioną siecią Wi-Fi
• Aktualizacja (Bądź cierpliwy, to trochę potrwa.)
• Ponowne uruchamianie

W tym momencie mamy działający komputer Rπ0 z systemem operacyjnym Raspbian. Kliknij ikonę Wi-Fi w prawym górnym rogu ekranu. Powinien pokazywać połączenie wlan0 z twoją ustanowioną siecią Wi-Fi.

Krok 3: Zainstaluj sterownik karty Wifi

Adapter Wi-Fi marki Amazon Basics doskonale nadaje się do projektów antenowych, ponieważ dostarczoną antenę można odkręcić, aby można było przykręcić naszą antenę. Niestety Raspbian nie rozpoznaje tej karty Wi-Fi. Jest to adapter Realtek 818b o numerze seryjnym 70F11C0531F8. Według https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, chip w nim wymaga sterownika RTL8192EU. Potrzebny sterownik jest dostępny online od MrEngman.

Aby zainstalować sterownik, podłącz adapter Wi-Fi Amazon Basic do koncentratora USB i otwórz terminal. Wprowadź następujące polecenia w wierszu poleceń:

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

Kliknij ikonę Wi-Fi w prawym górnym rogu ekranu.

Powinien pokazywać wlan0 i wlan1 i oba powinny być podłączone do ustanowionej sieci Wi-Fi. W tym momencie masz działający komputer Rπ0 z dwoma działającymi adapterami Wi-Fi, wewnętrznym i zewnętrznym adapterem Wi-Fi Amazon Basics.

Krok 4: Skonfiguruj Rπ0 jako punkt dostępowy

Następnym krokiem jest skonfigurowanie Rπ0, aby działał jako punkt dostępu Wi-Fi. Pod koniec tego kroku zewnętrzny adapter Wi-Fi Amazon Basics zostanie nazwany wlan1 przez Rπ0 i będzie komunikował się z ustanowioną siecią Wi-Fi. Wewnętrzny adapter Wi-Fi zostanie nazwany wlan0 przez Rπ0, a urządzenia takie jak telefony komórkowe, tablety i laptopy będą mogły łączyć się z Rπ0 w nowej sieci Wi-Fi. Te telefony komórkowe, tablety i laptopy będą mogły korzystać z tego nowego punktu dostępu Wi-Fi do komunikacji w Internecie.

Ten Rπ0 może rozszerzyć zasięg ustanowionej sieci Wi-Fi. Załóżmy na przykład, że chcemy podłączyć telefon komórkowy do Internetu, ale telefon komórkowy znajduje się 200 m od ustanowionego punktu dostępu Wi-Fi. Telefon komórkowy może nie być w stanie komunikować się z tak odległym punktem dostępu Wi-Fi. Możemy jednak umieścić Rπ0 z nowym punktem dostępowym pośrodku. Następnie Rπ0 może użyć zewnętrznego adaptera Wi-Fi do komunikacji z ustanowioną siecią Wi-Fi, która jest oddalona tylko o 100 m, a Rπ0 może użyć wewnętrznego adaptera Wi-Fi do komunikacji z telefonem komórkowym, który również znajduje się tylko 100 m od hotelu.

Adafruit ma doskonały samouczek, jak skonfigurować Raspberry Pi jako punkt dostępu Wi-Fi. Samouczek szczegółowo opisuje kroki, które obejmują konfigurację punktu dostępu Wi-Fi, instalowanie potrzebnych pakietów, edytowanie plików konfiguracyjnych i uruchamianie usług. Jednak procedura składa się z wielu kroków, a instrukcje muszą zostać zmodyfikowane do naszych celów. Używamy Rπ0 zamiast większego Raspberry Pi i nawiązujemy połączenie między dwoma bezprzewodowymi punktami dostępowymi zamiast przewodowego i bezprzewodowego punktu dostępowego. Ponadto, aby pomyślnie skonfigurować punkt dostępu, potrzebne są dalsze zmiany w plikach konfiguracyjnych.

Napisaliśmy program upraszczający proces instalacji. Załączony plik zip zawiera zmodyfikowane pliki konfiguracyjne potrzebne, a także mały program w C, który automatyzuje konfigurację punktu dostępowego. Jest ściśle oparty na samouczku Adafruit. Ten program tworzy kopie zapasowe istniejących plików konfiguracyjnych, kopiuje nowe pliki konfiguracyjne zawarte w pliku zip i kończy instalację punktu dostępu.

Niektóre dodatkowe pakiety są potrzebne, zanim będziemy mogli użyć skryptu instalacyjnego. Użyj następujących poleceń, aby zainstalować potrzebne oprogramowanie.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Pobierz załączony plik zip i zapisz go w nowym katalogu. Otwórz terminal i przejdź do tego katalogu. Kolejne kroki to rozpakowanie pliku i uruchomienie skryptu instalacyjnego.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Ten program poprosi o podanie nazwy (ustanowionej) sieci Wi-Fi i jej hasła. Skonfiguruje nowy punkt dostępowy o nazwie PI_AP z hasłem Raspberry.

Po zakończeniu skryptu uruchom ponownie Rπ0. Teraz, jeśli klikniesz ikonę sieci w prawej górnej części ekranu, oznacza to, że nie znaleziono żadnych interfejsów bezprzewodowych. Nie martw się; istnieją i działają. W tym momencie istnieje oryginalna sieć Wi-Fi i mamy nową sieć Wi-Fi o nazwie Pi_AP. Weź telefon komórkowy lub inne urządzenie i spróbuj połączyć się z nowym punktem dostępu Wi-Fi. Otwórz przeglądarkę internetową na urządzeniu, aby przetestować połączenie internetowe podczas korzystania z tego nowego punktu dostępu.

Następujące siedem plików konfiguracyjnych jest modyfikowanych przez program instalacyjny: /etc/dhcp/dhcpd.conf, /etc/default/isc-dhcp-server, /etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf, /etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd i /etc/sysctl.conf. Możesz chcieć wprowadzić dodatkowe modyfikacje w tych plikach konfiguracyjnych. Wspomniany powyżej samouczek Adafruit zawiera dodatkowe szczegóły. Na przykład zmodyfikuj plik /etc/hostapd/hostapd.conf, jeśli chcesz zmienić nazwę nowego punktu dostępu lub jego hasło. Jeśli chcesz podłączyć wiele punktów dostępowych Rπ0 do utworzonej sieci, każdy z nich potrzebuje unikalnego adresu IP. Proces instalacji wykorzystuje 192.168.42.1. Pliki /etc/dhcp/dhcpd.conf i /etc/network/interfaces będą musiały zostać zmodyfikowane. Dodatkowo będziesz potrzebować polecenia sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, gdzie zz jest zastępowane inną liczbą całkowitą. Ponadto ten punkt dostępu został przetestowany wyłącznie pod kątem komunikacji IPv4. Dodatkowe modyfikacje procedury instalacji lub plików konfiguracyjnych mogą być potrzebne do komunikacji IPv4 i IPv6 w punkcie dostępowym.

Krok 5: Zaprojektuj antenę

Zaprojektowanie i wykonanie anteny jest łatwiejsze niż się wydaje. Nasze podejście polegało na tym, aby zacząć od wzoru, zmodyfikować go, zasymulować, aby nadal spełniał nasze potrzeby, a następnie rozłożyć go na płytce drukowanej. Jeśli nie chcesz robić własnej anteny, użyj tej dołączonej do adaptera Wi-Fi. Alternatywnie, jeśli chcesz wykonać własną antenę, ale nie zaprojektować lub symulować, załączyliśmy nasze pliki z układami PCB. Jednak czytaj dalej, jeśli interesuje Cię projektowanie anteny, symulacja anteny lub układ PCB. Stosowana przez nas antena nie została zoptymalizowana. Celem tutaj jest pokazanie, jak można zrobić własną antenę, a nie pokazanie idealnej anteny.

Chcieliśmy anteny kierunkowej, która działa na częstotliwościach Wi-Fi. Instructable, od którego zaczęliśmy, zawiera szczegółowy wzór anteny kierunkowej Yagi, którą można wykonać ze spinaczy do papieru i patyczków do lodów. Dokonaliśmy tylko jednej modyfikacji. Antena ta ma długość 42 cm i zawiera 15 elementów przewodzących. Pozbyliśmy się wszystkich elementów oprócz czterech, więc antena będzie krótsza.

Następnie przeprowadziliśmy symulację anteny, aby upewnić się, że nadal jest kierunkowa, nawet przy mniejszej liczbie elementów. EZNECby Roy Lewallen to łatwe w użyciu narzędzie do symulacji anteny. Wykorzystaliśmy wersję demo EZNEC 6.0. Pierwszym krokiem do korzystania z tego oprogramowania jest opisanie anteny. Kliknij przycisk Przewody i wprowadź lokalizację elementów anteny. Rozmiar i położenie tych elementów są szczegółowo opisane we wzorze anteny. Następnie ustawiliśmy częstotliwość na 2,4 GHz dla sygnałów Wi-Fi i wybraliśmy rodzaj ziemi jako wolną przestrzeń. W załączniku znajduje się plik EZNEC opisujący antenę, WifiYagi.ez.

Wynik symulacji EZNEC jest pokazany poniżej i sprawdza, czy zmodyfikowana antena jest nadal kierunkowa. Lewa część rysunku przedstawia antenę. Czarne linie to elementy przewodzące, a czerwone kółko na drugim elemencie to miejsce, w którym łączy się adapter wifi. Prawa część rysunku to wykres promieniowania 3D. Rysunek pokazuje względną siłę sygnału w stałej odległości od anteny nadawczej pod różnymi kątami. Ponieważ wykres jest większy w kierunku x niż w innych kierunkach, antena jest kierunkowa. Większość energii transmitowanej przez antenę pójdzie w kierunku x. Jeśli odpowiednio zorientujemy tę antenę i zakładając, że wszystko inne jest równe, antena ta powinna być w stanie komunikować się na większe odległości w kierunku x, niż gdybyśmy nie używali anteny kierunkowej.

Następnym krokiem jest ułożenie niestandardowej płytki drukowanej. Chociaż wzorzec anteny, od którego zaczęliśmy, jest łatwy do skonstruowania, trudno jest go precyzyjnie skonstruować. Obwody drukowane są produkowane dokładniej i są trwalsze. Użyliśmy programu open source KiCad. Nasze pliki układów PCB są załączone w wifi_pcb.tar.gz. Aby rozpakować plik, użyj polecenia:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Etapy układania PCB to:

• Otwórz nowy projekt KiCad.
• Przejdź do Edytora układu PCB.
• Wybierz przycisk Dodaj linie graficzne i warstwę Edge. Cuts i zdefiniuj obwód PCB.
• Wybierz przycisk Dodaj linie graficzne i warstwę F. Cu i narysuj elementy anteny w przedniej warstwie miedzi.
• Wybierz przycisk Dodaj przelotki i wstaw dwa otwory, w których zostanie podłączony adapter Wi-Fi.
• Wybierz przycisk Dodaj wielokąt graficzny i warstwę F. Mask i narysuj otwór w przedniej masce lutowniczej, aby nie zakrywał otworów przelotowych. Powtórz, używając warstwy B. Mask, aby narysować również otwór w tylnej masce lutowniczej.
• Dodaj dowolne dodatkowe znaki lub etykiety do warstw sitodruku.
• Wybierz Plik, a następnie Drukuj, aby wygenerować pliki Gerber.

Krok 6: Zrób antenę

Kupiliśmy płytki PCB wykonane z naszej makiety. Adafruit posiada listę producentów PCB przyjaznych hobbystom. Chociaż wypróbowaliśmy kilku producentów PCB, naprawdę nie wiemy, który jest najlepszy. Pokazana płytka drukowana została wyprodukowana przez firmę Oshpark.

Po dostarczeniu płytki, kolejnym krokiem jest przylutowanie złącza koncentrycznego RG-58. Płytka posiada dwa przelotki. Pin dołączony do złącza jest za krótki, więc wlutuj mały kawałek drutu do jednego z otworów przelotowych. Umieść dużą kropkę lutowia łączącą powłokę z drugą przez otwór. Masz teraz kierunkową antenę wifi Yagi wykonaną z niestandardowej płytki drukowanej.

Odłącz adapter Wi-Fi Amazon Basics. Odkręć dostarczoną z nią antenę i przykręć nową antenę PCB. Podłącz ponownie adapter Wi-Fi do koncentratora USB. Projekt jest teraz ukończony.