Raspberry Pi Zero Wifi pristupna tačka sa prilagođenom antenom za PCB: 6 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Šta radimo?

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

Šta je Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero je mali računar. To je manja verzija jednokrilnog računara Raspberry Pi i može stati u kutiju dimenzija 30 x 65 x 5 mm. Osim male veličine, vrlo je jeftin i vrlo male snage. Takođe je dovoljno moćan da pokreće potpuno operativni sistem zasnovan na Linuxu, Raspbian. Kao i na svakom drugom računaru, 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.

Šta je WiFi adapter? Ako želite koristiti WiFi za povezivanje vašeg mobilnog telefona, tableta ili prijenosnog računara s internetom, vašem uređaju je potreban WiFi adapter. Wi -Fi adapter sadrži kola i antenu. Pretvara podatkovne signale u i iz elektromagnetskih valova s frekvencijom blizu, na primjer, 2,4 GHz. Većina mobilnih telefona, tableta i prijenosnih računara sadrži ugrađeni WiFi adapter. Međutim, možete kupiti i vanjski WiFi adapter koji se povezuje s računarom putem USB -a. U ovom projektu koristimo i interni WiFi adapter Rπ0, kao i vanjski WiFi adapter.

Šta je WiFi pristupna tačka? Više mobilnih telefona, tableta ili računara može bežično komunicirati s jednom WiFi pristupnom točkom, a podaci s ovih uređaja prenose se putem pristupne točke na internet. U ovom projektu, Rπ0 je WiFi pristupna tačka. Zašto biste htjeli vlastitu WiFi pristupnu točku? Uređaji moraju biti udaljeni oko 100 metara od pristupne tačke za komunikaciju. Pretpostavimo da postoji javna Wi -Fi pristupna tačka u centru biblioteke. Svako s laptopom na toj udaljenosti može koristiti pristupnu tačku za bežično povezivanje na mrežu. Šta ako želite pristup u park pored biblioteke, udaljene 200 metara? Možete postaviti novu pristupnu točku na rub imovine biblioteke, 100 m od prve pristupne točke. Zatim, svi koji imaju laptop u krugu od 100 m od te nove pristupne tačke takođe mogu da se povežu na mrežu. U granicama raspoloživog propusnog opsega, ove pristupne tačke mogu biti povezane lancima kako bi se pristup Internetu proširio na šire područje.

Šta je prilagođena štampana ploča (PCB)? PCB je sklop izgrađen odlaganjem slojeva materijala na izolacijsku ploču. Bakar se uzorkuje na željenim mjestima kako bi stvorio žice, a buše se rupe na koje će se postaviti komponente. Prilagođene PCB -e su dizajnirane pomoću specijaliziranog softvera. Za ovaj projekt, prilagođena PCB ploča je dizajnirana koristeći KiCad softver otvorenog koda. 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 napravite ga, dobit ćete krug koji je izdržljiv, precizno proizveden i dizajniran prema vašim tačnim specifikacijama. U ovom projektu koristimo prilagođenu PCB ploču za izradu WiFi antene.

Šta je antena? Antena je dio hardvera WiFi pristupne tačke koji pretvara signale u i iz elektromagnetskog zračenja. Mnoge antene mogu jednako dobro prenositi i primati signale iz svih smjerova. Druge antene su usmjerene i rade mnogo bolje u određenom smjeru. U ovom projektu odabrali smo upotrebu usmjerene antene. Kada 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 inspirisan je drugim Instructable -om koji je napravio (usmjeren) wifi antenu od (doslovno) spajalica i štapića za sladoled. Taj Instructable sadržavao je uzorak za wifi Yagi antenu, a naša je antena izrađena od tog uzorka s malim izmjenama. Yagi antena, koja se naziva i Yagi-Uda antena, je vrsta usmjerene antene koja je originalno 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 i u zemljama u razvoju. Na primjer, 23% domaćinstava u okrugu Wayne, Michigan, uključujući Detroit, nedostajalo je pristupa internetu 2017. Rješenja ovog problema moraju biti jeftina jer mnogi ljudi bez pristupa računaru 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 uputstava 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 direktno na taj dio vodiča. Datoteke izgleda PCB -a za antenu su uključene.

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

Korak 1: Prikupite potrepštine

Potrošni materijal potreban za Raspberry Pi Zero Setup

• 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 koncentrator sa MicroUSB konektoromhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• USB tastatura 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 tačke

Amazon Osnove USB Wifi adapter sa odvojivom antenom

Dodatne potrepštine potrebne za prilagođenu antenu od PCB -a

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

Korak 2: Postavite Raspberry Pi Zero

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

Povežite MicroSD karticu sa računarom pomoću čitača MicroSD kartica. MicroSD kartica treba biti nova ili novo formatirana. Kopirajte datoteke na MicroSD karticu.

Sljedeći korak je povezivanje Rπ0 hardvera. Umetnite MicroSD karticu u Rπ0. Priključite USB čvorište na Rπ0, a tastaturu i miš na USB čvorište. Priključite Rπ0 na napajanje i uključite ga. Amazon Basics wifi adapter neće se koristiti u ovom koraku, pa ga ostavite nepovezanim.

Slijedite upute u čarobnjaku za instaliranje Raspbian operativnog sistema 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 na uspostavljenu WiFi mrežu
• Ažuriranje (Budite strpljivi, ovo traje neko vrijeme.)
• Ponovno pokretanje

U ovom trenutku imamo radni Rπ0 računar sa operativnim sistemom Raspbian. Kliknite na ikonu wifi u gornjem desnom kutu ekrana. 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. Unesite sljedeće naredbe u komandnu liniju:

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 ekrana.

Trebao bi prikazati wlan0 i wlan1, a oba bi trebala biti povezana na uspostavljenu WiFi mrežu. U ovom trenutku imate radni Rπ0 računar sa dva radna wifi adaptera, unutrašnjim i vanjskim Amazon Basics wifi adapterom.

Korak 4: Postavite Rπ0 kao pristupnu tačku

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. Interni wifi adapter će se nazvati wlan0 od strane Rπ0, a uređaji poput mobilnih telefona, tableta i prijenosnih računara mogu se spojiti na Rπ0 na novoj WiFi mreži. Ovi mobilni telefoni, 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 mobilni telefon s internetom, ali mobitel se nalazi 200 m od uspostavljene WiFi pristupne točke. Mobitel možda neće moći komunicirati sa tako udaljenom uspostavljenom WiFi pristupnom tačkom. 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 mobilnim telefonom koji je također udaljen samo 100 m.

Adafruit ima odličan vodič o tome kako postaviti Raspberry Pi kao WiFi pristupnu točku. Vodič detaljno opisuje korake koji uključuju postavljanje WiFi pristupne tačke, instaliranje potrebnih paketa, uređivanje konfiguracijskih datoteka i pokretanje usluga. Međutim, postupak ima više koraka i upute je potrebno izmijeniti za naše potrebe. Koristimo Rπ0 umjesto veće Raspberry Pi i uspostavljamo vezu između dvije bežične pristupne tačke umjesto žičane i bežične pristupne tačke. 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 je zasnovan na vodiču Adafruit. Ovaj program izrađuje sigurnosne kopije postojećih konfiguracionih datoteka, kopira ih u nove konfiguracione datoteke sadržane u zip datoteci i dovršava instalaciju pristupne tačke.

Prije upotrebe instalacijske skripte potrebni su neki dodatni paketi. Koristite sljedeće naredbe za instaliranje potrebnog softvera.

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 njenu lozinku. Postavit će novu pristupnu točku pod nazivom PI_AP sa lozinkom Raspberry.

Nakon što je skripta gotova, ponovno pokrenite Rπ0. Sada, ako kliknete na ikonu mreže u gornjem desnom dijelu ekrana, kaže se da nisu pronađena bežična sučelja. Ne brinite; oni postoje i rade. U ovom trenutku postoji originalna WiFi mreža, a mi imamo novu WiFi mrežu pod nazivom Pi_AP. Uzmite mobilni telefon ili neki drugi uređaj i pokušajte se povezati s novom WiFi pristupnom tačkom. 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 detalje. Na primjer, izmijenite datoteku /etc/hostapd/hostapd.conf ako želite promijeniti naziv nove pristupne tačke ili njenu lozinku. Ako želite povezati više pristupnih točaka Rπ0 na uspostavljenu mrežu, svakoj je potrebna jedinstvena IP adresa. Proces instalacije koristi 192.168.42.1. Datoteke /etc/dhcp/dhcpd.conf i/etc/network/interfejsi morat će se izmijeniti. Dodatno, trebat će vam naredba sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 gdje je zz zamijenjen drugim cijelim brojem. Takođe, ova pristupna tačka je testirana samo za IPv4 komunikaciju. Dodatne izmjene instalacijske procedure ili konfiguracijskih datoteka mogu biti potrebne za IPv4 i IPv6 komunikaciju na pristupnoj točki.

Korak 5: Dizajnirajte antenu

Dizajniranje i izrada antene lakše je nego što zvuči. Naš pristup je bio da počnemo s uzorkom, modificiramo ga, simuliramo kako bismo bili sigurni da još uvijek zadovoljava naše potrebe, a zatim ga rasporedimo na PCB. Ako ne želite napraviti vlastitu antenu, upotrijebite onu koju ste dobili uz WiFi adapter. Alternativno, ako želite napraviti, ali ne dizajnirati ili simulirati, svoju antenu, priložili smo naše datoteke izgleda PCB -a. Međutim, čitajte dalje ako vas zanima dizajn antene, simulacija antene ili raspored PCB -a. Antena koju koristimo nije optimizirana. Ovdje je svrha pokazati kako možete napraviti vlastitu antenu, a ne pokazati idealnu antenu.

Htjeli 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 antena dugačka je 42 cm i sadrži 15 provodnih 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 sa manje elemenata. EZNECby Roy Lewallen je jednostavan za korištenje alat za simulaciju antene. Koristili smo demo verziju EZNEC -a 6.0. Prvi korak pri korištenju ovog softvera je opisivanje antene. Pritisnite dugme Wires i unesite lokaciju elemenata antene. Veličina i položaj ovih elemenata detaljno su prikazani u uzorku antene. Zatim smo postavili frekvenciju na 2,4 GHz za wifi signale i odabrali smo vrstu tla kao slobodan prostor. U prilogu je datoteka EZNEC koja opisuje antenu, WifiYagi.ez.

Izlaz simulacije EZNEC -a prikazan je dolje i provjerava je li izmijenjena antena još uvijek usmjerena. Lijevi dio slike prikazuje antenu. Crne linije su provodni 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 grafikon veći u smjeru x nego u drugim smjerovima, antena je usmjerena. Većina energije koju prenosi antena ići će u smjeru x. Ako pravilno usmjerimo ovu antenu 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. Štampane ploče se proizvode preciznije i izdržljivije su. Koristili smo program otvorenog koda KiCad. Naše datoteke izgleda PCB -a su priložene, 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 tipku Dodaj grafičke linije i sloj F. Cu i 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 prednjoj masci lemljenja tako da ne pokrije prolazne rupe. Ponovite postupak pomoću sloja B. Mask da nacrtate rupu u masci za lemljenje.
• Dodajte sve željene dodatne oznake ili etikete u slojeve svile.
• Odaberite Datoteka pa Zemljište za generiranje Gerber datoteka.

Korak 6: Napravite antenu

Kupili smo štampane ploče napravljene prema našem rasporedu. Adafruit ima listu proizvođača PCB-a prilagođenih hobistima. Iako smo isprobali nekoliko proizvođača PCB -a, zaista ne znamo koji je najbolji. Prikazani PCB je proizveden od strane Oshpark -a.

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

Isključite Amazon Basics wifi adapter. Odvijte antenu s kojom ste ga dobili i pričvrstite novu PCB antenu. Ponovo priključite WiFi adapter u USB koncentrator. Projekat je sada završen.