Prístupový bod Raspberry Pi Zero Wifi s vlastnou anténou PCB: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Čo robíme?

Názov tohto tutoriálu obsahuje množstvo odborných výrazov. Poďme to rozobrať.

Čo je to Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero je malý počítač. Je to menšia verzia jednodoskového počítača Raspberry Pi a zmestí sa do škatule s rozmermi 30 mm x 65 mm x 5 mm. Okrem svojej malej veľkosti je veľmi lacný a má veľmi nízky výkon. Je tiež dostatočne výkonný na to, aby fungoval s plným operačným systémom Linux, Raspbian. Rovnako ako na akomkoľvek inom počítači môžete počítač Rπ0 používať na prehliadanie webu, hranie hier, používanie kancelárskych nástrojov, písania softvéru atď. Tento tutoriál používa Raspberry Pi Zero Model W, ktorý má vstavaný wifi adaptér.

Čo je to wifi adaptér? Ak chcete na pripojenie svojho mobilného telefónu, tabletu alebo prenosného počítača k internetu použiť sieť Wi -Fi, vaše zariadenie potrebuje adaptér wifi. Wifi adaptér obsahuje obvody a anténu. Konvertuje dátové signály do a z elektromagnetických vĺn s frekvenciou blízkou napríklad 2,4 GHz. Väčšina mobilných telefónov, tabletov a notebookov obsahuje vstavaný adaptér wifi. Môžete si však tiež kúpiť externý wifi adaptér, ktorý sa k počítaču pripája pomocou USB. V tomto projekte používame interný wifi adaptér Rπ0, ako aj externý wifi adaptér.

Čo je to prístupový bod wifi? Viaceré mobilné telefóny, tablety alebo počítače môžu bezdrôtovo komunikovať s jediným prístupovým bodom wifi a údaje z týchto zariadení sa prenášajú prostredníctvom prístupového bodu na internet. V tomto projekte je Rπ0 prístupový bod wifi. Prečo by ste chceli svoj vlastný prístupový bod k wifi? Na komunikáciu musia byť zariadenia vzdialené približne 100 metrov od prístupového bodu. Predpokladajme, že v strede knižnice je verejný prístupový bod k sieti Wi -Fi. Každý, kto má prenosný počítač v tejto vzdialenosti, môže použiť prístupový bod na bezdrôtové pripojenie online. Čo keby ste chceli prístup do parku vedľa knižnice, vzdialenej 200 metrov? Nové prístupové miesto môžete dať na okraj majetku knižnice, 100 m od prvého prístupového bodu. Potom sa môže pripojiť online každý, kto má notebook do 100 m od tohto nového prístupového bodu. V medziach dostupnej šírky pásma je možné tieto prístupové body spojiť a rozšíriť tak prístup na internet v širšej oblasti.

Čo je to vlastná doska plošných spojov (PCB)? DPS je obvod konštruovaný ukladaním vrstiev materiálu na izolačnú dosku. Meď je na požadovaných miestach vzorovaná tak, aby tvorila drôty, a do ktorých budú umiestnené súčiastky sú vyvŕtané otvory. Vlastné DPS sú navrhnuté pomocou špecializovaného softvéru. Pre tento projekt bola navrhnutá vlastná doska plošných spojov pomocou open source softvéru KiCad. Dizajn bol potom odoslaný výrobcovi na výrobu. Navrhovanie a objednávanie vlastných plošných spojov nie je nákladné ani časovo náročné. Kroky sú podrobne popísané nižšie. Ak rozložíte PCB pomocou softvéru a necháte ho vyrobiť, získate obvod, ktorý je odolný, precízne vyrobený a navrhnutý podľa vašich presných špecifikácií. V tomto projekte používame vlastnú PCB na výrobu wifi antény.

Čo je to anténa? Anténa je súčasťou hardvéru prístupového bodu wifi, ktorý prevádza signály na a z elektromagnetického žiarenia. Mnoho antén dokáže rovnako dobre vysielať a prijímať signály zo všetkých smerov. Ostatné antény sú smerové a fungujú oveľa lepšie v určitom smere. V tomto projekte sme sa rozhodli použiť smerovú anténu. Keď smerová anténa vysiela signál, zameriava energiu v určitom smere, takže ak je všetko rovnaké, dobre zarovnaná smerová anténa môže komunikovať na väčšiu vzdialenosť, ako je tá, ktorá nie je smerová. Tento Instructable bol inšpirovaný ďalším Instructable, ktorý vyrobil smerovú wifi anténu z (doslova) kancelárskych sponiek a nanukov. Ten Instructable obsahoval vzor pre wifi anténu Yagi a naša anténa je z tohto vzoru vyrobená s miernymi úpravami. Anténa Yagi, nazývaná tiež anténa Yagi-Uda, je typom smerovej antény, ktorá bola pôvodne navrhnutá v roku 1926. Ďalším veľkým zdrojom anténnych návrhov, ako aj ďalších informácií o anténach, je anténna kniha ARRL.

Zatiaľ čo niektorí ľudia majú prístup na internet viackrát za deň, mnohým ďalším ľuďom chýba spoľahlivý prístup na internet. Nedostatok prístupu na internet je problémom vo vidieckych aj mestských oblastiach a je problémom v rozvinutých aj rozvojových krajinách. Napríklad 23% domácností v grófstve Wayne v štáte Michigan, ktoré zahŕňa Detroit, nemalo v roku 2017 prístup na internet. Riešenie tohto problému musí byť lacné, pretože veľa ľudí bez prístupu k počítaču má obmedzené zdroje. Riešenia navyše musia fungovať bez toho, aby vyžadovali infraštruktúru, ako je kladenie medeného drôtu alebo káblov z optických vlákien. V týchto pokynoch vám ukážeme, ako si vytvoriť vlastný prístupový bod k sieti Wi -Fi, aby ste si mohli internet rozšíriť sami.

O tomto návode

Tieto pokyny sú modulárne. Môžete sa riadiť časťami týchto pokynov bez toho, aby ste ich museli dokončovať pred alebo po nich. Ak vás napríklad zaujíma používanie prístupového bodu Rπ0, ale antény vás príliš nezaujímajú, použite ľubovoľný adaptér wifi a ignorujte kroky súvisiace s výrobou antény. Ak máte záujem o výrobu vlastnej antény Yagi, preskočte priamo na časť tutoriálu. Zahrnuté sú súbory rozloženia PCB pre anténu.

Krok inštalácie wifi adaptéra a krok nastavenia Rπ0 ako prístupového bodu boli testované pomocou Raspbian Stretch 4.14.52 a 4.14.79. Našťastie budú pokračovať v práci s budúcimi verziami. Tieto kroky však možno bude potrebné zmeniť, ak sa v novších verziách operačného systému zmenia konfiguračné súbory pre prístup na wifi.

Krok 1: Zhromaždite zásoby

Potrebný spotrebný materiál pre nastavenie Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero W Uistite sa, že získate model W, ktorý má vstavanú wifi.

  

• Karta Micro SD Získajte jednu najmenej 16 GB.
• Čítačka kariet MicroSD
• Rozbočovač USB s konektorom MicroUSB
• USB klávesnica a myš
• Kábel mini-HDMI na HDMI Uistite sa, že máte veľkosť Mini-HDMI, nie Micro-HDMI.
• Monitor kompatibilný s HDMI
• Napájanie Namiesto toho môžete použiť batériu USB.

Na nastavenie prístupového bodu Wifi je potrebný ďalší spotrebný materiál

Základy Amazonu USB Wifi adaptér s odnímateľnou anténou

Pre vlastnú PCB anténu je potrebný ďalší spotrebný materiál

• Konektor spájkovateľného kábla RG-58Digikey číslo dielu CONSMA007-R58-ND
• Vlastná doska plošných spojov
• Spájkovačka a malé množstvo spájky

Krok 2: Nastavte Raspberry Pi Zero

Stiahnite si zip súbor Raspbian NOOBs Lite z https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs a rozbaľte ho.

Pripojte kartu MicroSD k počítaču pomocou čítačky kariet MicroSD. Karta MicroSD by mala byť buď nová, alebo novo naformátovaná. Skopírujte súbory na kartu MicroSD.

Ďalším krokom je pripojenie hardvéru Rπ0. Vložte kartu MicroSD do zásuvky Rπ0. Pripojte rozbočovač USB k Rπ0 a klávesnicu a myš pripojte k rozbočovaču USB. Pripojte Rπ0 k zdroju napájania a zapojte ho. V tomto kroku sa wifi adaptér Amazon Basics nepoužije, nechajte ho preto odpojený.

Pri inštalácii operačného systému Raspbian na Rπ0 postupujte podľa pokynov v sprievodcovi. Tento krok zahŕňa:

• Prihlasovanie do zavedenej wifi siete
• Inštalácia Raspbian Full (Buďte trpezliví, chvíľu to trvá.)
• Nastavenie krajiny, časového pásma a jazyka
• Nastavenie hesla pre používateľa pí
• Pripojenie k zavedenej sieti Wi -Fi
• Aktualizuje sa (buďte trpezliví, chvíľu to trvá.)
• Reštartovanie

V tomto mieste máme funkčný počítač Rπ0 s operačným systémom Raspbian. Kliknite na ikonu wifi v pravom hornom rohu obrazovky. Mal by zobrazovať wlan0 pripojený k vašej zavedenej sieti Wi -Fi.

Krok 3: Nainštalujte ovládač adaptéra Wifi

Wifi adaptér značky Amazon Basics je skvelý pre projekty antén, pretože dodanú anténu je možné odskrutkovať, takže je možné naskrutkovať našu anténu. Raspbian bohužiaľ tento wifi adaptér nepozná. Ide o adaptér Realtek 818b so sériovým číslom 70F11C0531F8. Podľa https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, čip v ňom vyžaduje ovládač RTL8192EU. Potrebný ovládač je k dispozícii online od spoločnosti MrEngman.

Ak chcete nainštalovať ovládač, zapojte adaptér Amazon Basic wifi do rozbočovača USB a otvorte terminál. Do príkazového riadka zadajte nasledujúce príkazy:

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 v pravom hornom rohu obrazovky.

Mal by zobrazovať wlan0 a wlan1 a oba by mali byť pripojené k zavedenej sieti Wi -Fi. V tomto okamihu máte funkčný počítač Rπ0 s dvoma funkčnými adaptérmi wifi, interným a externým adaptérom wifi Basics od spoločnosti Amazon.

Krok 4: Nastavte Rπ0 ako prístupový bod

Ďalším krokom je nastavenie Rπ0 tak, aby fungovalo ako prístupový bod wifi. Na konci tohto kroku bude externý wifi adaptér Amazon Basics od Rπ0 nazývaný wlan1 a bude komunikovať so zavedenou wifi sieťou. Rπ0 bude interný wifi adaptér nazývať wlan0 a zariadenia ako mobilné telefóny, tablety a notebooky sa budú môcť pripojiť k Rπ0 v novej wifi sieti. Tieto mobilné telefóny, tablety a prenosné počítače budú môcť používať tento nový prístupový bod wifi na komunikáciu na internete.

Tento Rπ0 môže predĺžiť dosah zavedenej siete Wi -Fi. Predpokladajme napríklad, že chceme pripojiť mobilný telefón k internetu, ale mobilný telefón je vzdialený 200 m od zavedeného prístupového bodu wifi. Mobilný telefón nemusí tak ďaleko komunikovať so zavedeným prístupovým bodom wifi. Rπ0 s novým prístupovým bodom však môžeme umiestniť do stredu. Rπ0 potom môže používať externý wifi adaptér na komunikáciu so zavedenou wifi sieťou, ktorá je vzdialená iba 100 m, a Rπ0 môže používať vnútorný wifi adaptér na komunikáciu s mobilným telefónom, ktorý je tiež vzdialený iba 100 m.

Adafruit má vynikajúci návod, ako nastaviť Raspberry Pi ako prístupový bod wifi. Tento tutoriál podrobne popisuje kroky, ktoré zahŕňajú nastavenie prístupového bodu wifi, inštaláciu potrebných balíkov, úpravu konfiguračných súborov a spustenie služieb. Tento postup má však niekoľko krokov a pokyny je potrebné pre naše účely upraviť. Namiesto väčšieho Raspberry Pi používame Rπ0 a nadväzujeme spojenie medzi dvoma bezdrôtovými prístupovými bodmi namiesto káblového a bezdrôtového prístupového bodu. Na úspešné nastavenie prístupového bodu sú navyše potrebné ďalšie zmeny v konfiguračných súboroch.

Napísali sme program na zjednodušenie procesu inštalácie. Pripojený súbor zip obsahuje potrebné upravené konfiguračné súbory a malý program C, ktorý automatizuje nastavenie prístupového bodu. Je úzko založený na návode Adafruit. Tento program zálohuje existujúce konfiguračné súbory, skopíruje nové konfiguračné súbory obsiahnuté v súbore zip a dokončí inštaláciu prístupového bodu.

Pred použitím inštalačného skriptu sú potrebné ďalšie balíčky. Na nainštalovanie potrebného softvéru použite nasledujúce príkazy.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Stiahnite si priložený súbor zip a uložte ho do nového adresára. Otvorte terminál a prejdite do tohto adresára. Ďalším krokom je rozbalenie súboru a spustenie inštalačného skriptu.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Tento program vás vyzve na zadanie názvu (zavedenej) wifi siete a jej hesla. Nastaví nový prístupový bod s názvom PI_AP s heslom Raspberry.

Po dokončení skriptu reštartujte Rπ0. Ak teraz kliknete na ikonu siete v pravej hornej časti obrazovky, zobrazí sa hlásenie, že sa nenašli žiadne bezdrôtové rozhrania. Nebojte sa; existujú a pracujú. V tomto mieste existuje pôvodná sieť Wi -Fi a máme novú sieť Wi -Fi s názvom Pi_AP. Vezmite si mobil alebo iné zariadenie a skúste sa pripojiť k novému prístupovému bodu wifi. Otvorte na zariadení webový prehliadač a vyskúšajte si internetové pripojenie pri používaní tohto nového prístupového bodu.

Inštalačným programom bolo upravených nasledujúcich sedem konfiguračných súborov: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd a /etc/sysctl.conf. V týchto konfiguračných súboroch môžete chcieť vykonať ďalšie úpravy. Vyššie uvedený návod na používanie programu Adafruit poskytuje ďalšie podrobnosti. Ak napríklad chcete zmeniť názov nového prístupového bodu alebo jeho heslo, upravte súbor /etc/hostapd/hostapd.conf. Ak chcete k svojej zavedenej sieti pripojiť viac prístupových bodov Rπ0, každý z nich potrebuje jedinečnú IP adresu. Inštalačný proces používa 192.168.42.1. Súbory /etc/dhcp/dhcpd.conf a/etc/network/interfaces bude potrebné upraviť. Okrem toho budete potrebovať príkaz sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, kde zz je nahradené iným celým číslom. Tento prístupový bod bol testovaný iba na komunikáciu IPv4. Na komunikáciu IPv4 aj IPv6 na prístupovom bode môžu byť potrebné ďalšie úpravy postupu inštalácie alebo konfiguračných súborov.

Krok 5: Navrhnite anténu

Navrhovanie a výroba antény je jednoduchšie, ako sa zdá. Našim prístupom bolo začať so vzorom, upraviť ho, simulovať, aby sme zaistili, že stále uspokojuje naše potreby, a potom ho vyskladať na PCB. Ak si nechcete vyrábať vlastnú anténu, použite tú, ktorá sa dodáva s adaptérom wifi. Prípadne, ak si chcete vytvoriť vlastnú anténu, ale nie ju navrhnúť alebo simulovať, priložili sme súbory s rozložením DPS. Ak vás však zaujíma dizajn antény, simulácia antény alebo rozloženie PCB, čítajte ďalej. Anténa, ktorú používame, nebola optimalizovaná. Cieľom je ukázať, ako si môžete vytvoriť vlastnú anténu, a nie ukázať ideálnu anténu.

Chceli sme smerovú anténu, ktorá pracuje na frekvenciách wifi. Pokyny, s ktorými sme začali, obsahujú podrobný vzor smerovej antény Yagi, ktorý je možné vyrobiť z kancelárskych sponiek a nanukov. Vykonali sme iba jednu úpravu. Táto anténa je dlhá 42 cm a obsahuje 15 vodivých prvkov. Zbavili sme všetkých prvkov okrem štyroch, takže anténa bude kratšia.

Ďalej sme simulovali anténu, aby sme zaistili, že bude stále smerová, dokonca aj s menším počtom prvkov. EZNECby Roy Lewallen je ľahko použiteľný nástroj na simuláciu antény. Použili sme demo verziu EZNEC 6.0. Prvým krokom k použitiu tohto softvéru je popísanie antény. Kliknite na tlačidlo Drôty a zadajte umiestnenie prvkov antény. Veľkosť a umiestnenie týchto prvkov sú podrobne uvedené v schéme antény. Ďalej sme pre wifi signály nastavili frekvenciu na 2,4 GHz a ako voľný priestor sme vybrali typ zeme. Súbor EZNEC popisujúci anténu WifiYagi.ez je priložený.

Výstup simulácie EZNEC je uvedený nižšie a overuje, či je upravená anténa stále smerová. Ľavá časť obrázku zobrazuje anténu. Čierne čiary sú vodivé prvky a červený kruh na druhom prvku je miesto, kde sa pripája adaptér wifi. Pravá časť obrázku je graf vzoru 3D žiarenia. Obrázok ukazuje relatívnu silu signálu v pevnej vzdialenosti od vysielacej antény v rôznych uhloch. Pretože graf je v smere x väčší než v iných smeroch, anténa je smerová. Väčšina energie prenášanej anténou pôjde v smere x. Ak správne nasmerujeme túto anténu a predpokladáme, že všetko ostatné je rovnaké, táto anténa by mala byť schopná komunikovať na dlhšie vzdialenosti v smere x, ako keby sme nepoužili smerovú anténu.

Ďalším krokom je rozloženie vlastnej dosky plošných spojov. Aj keď je vzor antény, s ktorým sme začali, ľahko zostaviteľný, je ťažké ho postaviť presne. Dosky s plošnými spojmi sa vyrábajú presnejšie a sú odolnejšie. Použili sme open source program KiCad. Naše súbory rozloženia DPS sú priložené na adrese wifi_pcb.tar.gz. Na rozbalenie súboru použite príkaz:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Kroky na rozloženie PCB sú tieto:

• Otvorte nový projekt KiCad.
• Prejdite do editora rozloženia DPS.
• Vyberte tlačidlo Pridať grafické čiary a vrstvu Edge. Cuts a definujte obvod DPS.
• Vyberte tlačidlo Pridať grafické čiary a vrstvu F. Cu a nakreslite prvky antény do prednej medenej vrstvy.
• Vyberte tlačidlo Pridať Vias a vložte dva otvory, ku ktorým bude pripojený wifi adaptér.
• Vyberte tlačidlo Pridať grafický mnohouholník a vrstvu F. Maska a do prednej masky spájky nakreslite otvor, aby neprekrýval priechodné otvory. Opakujte pomocou vrstvy B. Mask a nakreslite otvor aj v zadnej maske spájky.
• Do vrstiev sieťotlače pridajte akékoľvek požadované požadované značky alebo štítky.
• Na generovanie súborov Gerber vyberte Súbor a potom Plot.

Krok 6: Vyrobte si anténu

Kúpili sme PCB vyrobené z nášho rozloženia. Adafruit má zoznam výrobcov plošných spojov priateľských k fanúšikom. Aj keď sme vyskúšali niekoľko výrobcov PCB, skutočne nevieme, ktorý je najlepší. Zobrazenú DPS vyrobila spoločnosť Oshpark.

Hneď ako dorazí DPS, ďalším krokom je spájkovanie koaxiálneho konektora RG-58. Doska plošných spojov má dva priechodné otvory. Kolík, ktorý je súčasťou konektora, je príliš krátky, takže do jedného z priechodných otvorov zapájajte malý kúsok drôtu. Vložte veľkú bodku spájky spájajúcu škrupinu s druhou priechodným otvorom. Teraz máte smerovú wifi anténu Yagi vyrobenú z vlastnej dosky plošných spojov.

Odpojte wifi adaptér Amazon Basics. Odskrutkujte anténu, ktorá bola dodaná, a naskrutkujte novú anténu plošného spoja. Pripojte adaptér wifi späť k rozbočovaču USB. Projekt je teraz dokončený.