Dostopna točka Raspberry Pi Zero Wifi z anteno za PCB po meri: 6 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Kaj delamo?

Naslov te vadnice vsebuje veliko tehničnih izrazov. Razčlenimo.

Kaj je Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero je majhen računalnik. To je manjša različica enosmernega računalnika Raspberry Pi in se lahko prilega v škatlo 30 mm x 65 mm x 5 mm. Poleg majhnosti je zelo poceni in ima zelo nizko moč. Prav tako je dovolj zmogljiv za izvajanje polnega operacijskega sistema, ki temelji na Linuxu, Raspbian. Kot pri vseh drugih računalnikih lahko tudi z Rπ0 brskate po spletu, igrate igre, uporabljate pisarniška orodja, pišete programsko opremo itd. Ta vadnica uporablja Raspberry Pi Zero Model W, ki ima vgrajen adapter za wifi.

Kaj je adapter za wifi? Če želite uporabiti wifi za povezavo mobilnega telefona, tabličnega računalnika ali prenosnega računalnika z internetom, naprava potrebuje adapter za wifi. Wi -Fi adapter vsebuje vezje in anteno. Pretvarja podatkovne signale v in iz elektromagnetnih valov s frekvenco blizu, na primer 2,4 GHz. Večina mobilnih telefonov, tablic in prenosnih računalnikov vsebuje vgrajen adapter za wifi. Lahko pa kupite tudi zunanji adapter Wi -Fi, ki se poveže z računalnikom prek USB -ja. V tem projektu uporabljamo tako notranji wifi adapter Rπ0 kot zunanji wifi adapter.

Kaj je dostopna točka wifi? Več mobilnih telefonov, tabličnih računalnikov ali računalnikov lahko brezžično komunicira z eno dostopno točko wifi, podatki iz teh naprav pa se prek dostopne točke prenašajo v internet. V tem projektu je Rπ0 dostopna točka wifi. Zakaj bi želeli svojo dostopno točko wifi? Za komunikacijo morajo biti naprave oddaljene približno 100 metrov od dostopne točke. Recimo, da je v središču knjižnice javna dostopna točka Wi -Fi. Vsakdo, ki ima prenosnik na tej razdalji, lahko z dostopno točko brezžično vzpostavi povezavo. Kaj pa, če želite dostop do parka poleg knjižnice, 200 metrov stran? Novo dostopno točko lahko postavite na rob knjižnične knjižnice, 100 m od prve dostopne točke. Nato se lahko povežejo tudi vsi, ki imajo prenosnik na razdalji 100 m od te nove dostopne točke. V mejah razpoložljive pasovne širine lahko te dostopne točke povežete skupaj, da razširite dostop do interneta na širšem območju.

Kaj je tiskana vezja po meri (PCB)? PCB je vezje, zgrajeno z nanašanjem plasti materiala na izolacijsko ploščo. Baker je na želenih mestih oblikovan tako, da tvori žice, in izvrtajo se luknje, kamor se namestijo komponente. PCB -ji po meri so zasnovani s pomočjo specializirane programske opreme. Za ta projekt je bilo z odprtokodno programsko opremo KiCad zasnovano tiskano vezje po meri. Zasnova je bila nato poslana proizvajalcu v izdelavo. Oblikovanje in naročanje PCB po meri ni niti drago niti dolgotrajno. Spodaj so podrobno opisani koraki. Če položite tiskano vezje s programsko opremo in jo izdelate, dobite vezje, ki je trpežno, natančno izdelano in zasnovano po vaših natančnih specifikacijah. V tem projektu uporabljamo PCB po meri za izdelavo wifi antene.

Kaj je antena? Antena je del strojne opreme dostopne točke wifi, ki pretvarja signale v in iz elektromagnetnega sevanja. Mnoge antene lahko enako dobro prenašajo in sprejemajo signale iz vseh smeri. Druge antene so usmerjene in delujejo veliko bolje v določeni smeri. V tem projektu smo se odločili za uporabo usmerjene antene. Ko usmerjena antena oddaja signal, energijo usmeri v določeno smer, tako da lahko, če je enako, dobro poravnana usmerjena antena komunicira na daljšo razdaljo kot tista, ki ni usmerjena. Ta Instructable je bil navdihnjen z drugim Instructableom, ki je iz (dobesedno) sponk za papir in paličic naredil usmerjeno wifi anteno. Ta Instructable je vseboval vzorec za wifi anteno Yagi in naša antena je narejena iz tega vzorca z rahlimi spremembami. Antena Yagi, imenovana tudi antena Yagi-Uda, je vrsta usmerjene antene, ki je bila prvotno zasnovana leta 1926. Drug odličen vir zasnove anten in drugih informacij o antenah je antenska knjiga ARRL.

Medtem ko nekateri ljudje dostopajo do interneta večkrat na dan, mnogi drugi nimajo zanesljivega dostopa do interneta. Pomanjkanje dostopa do interneta je problem tako na podeželju kot v urbanih območjih in je problem tako v razvitih državah kot v državah v razvoju. Na primer, 23% gospodinjstev v okrožju Wayne v državi Michigan, ki vključuje Detroit, je leta 2017 izgubilo dostop do interneta. Rešitve tega problema morajo biti poceni, saj ima veliko ljudi brez dostopa do računalnika omejene vire. Poleg tega morajo rešitve delovati brez potrebe po infrastrukturi, kot je polaganje bakrene žice ali optičnih kablov. V teh navodilih vam pokažemo, kako zgraditi lastno dostopno točko wifi, da lahko sami razširite internet.

O tej vadnici

Ta navodila so modularna. Delim teh navodil lahko sledite, ne da bi jih morali dokončati pred ali po njem. Na primer, če vas zanima uporaba Rπ0 kot dostopne točke, vendar vas antene ne zanimajo preveč, uporabite kateri koli vmesnik wifi in prezrite korake, ki vključujejo izdelavo antene. Če vas zanima izdelava Yagi antene po meri, pojdite naravnost na ta del vadnice. Datoteke postavitve tiskanega vezja za anteno so vključene.

Korak za namestitev vmesnika wifi in korak za nastavitev Rπ0 kot dostopne točke sta bila preizkušena z uporabo Raspbian Stretch 4.14.52 in 4.14.79. Upajmo, da bodo še naprej sodelovali s prihodnjimi različicami. Vendar pa bo te korake morda treba spremeniti, če se konfiguracijske datoteke za dostop do wifi spremenijo v novejših različicah operacijskega sistema.

Korak: Zberite zaloge

Potrebni materiali za nastavitev Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero W Prepričajte se, da imate model W, ki ima vgrajen wifi.

  

• Kartica Micro SD Pridobite vsaj 16 GB.
• Bralnik kartic MicroSD
• USB zvezdišče s priključkom MicroUSBhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• USB tipkovnica in miškahttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Kabel Mini-HDMI do HDMI Poskrbite, da boste dobili velikost Mini-HDMI, ne Micro-HDMI.
• Monitor, združljiv s HDMI
• Napajalnik Namesto tega lahko uporabite baterijo USB.

Dodatne potrebščine za nastavitev dostopne točke Wi -Fi

Amazon Osnove USB Wifi adapter z odstranljivo anteno

Dodatne potrebščine za anteno PCB po meri

• Spajalni kabelski priključek RG-58 Številka dela Digikey CONSMA007-R58-ND
• Tiskano vezje po meri
• Spajkalnik in majhna količina spajkanja

2. korak: Nastavite Raspberry Pi Zero

Prenesite zip datoteko Raspbian NOOBs Lite s spletnega mesta https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs in jo razpakirajte.

Kartico MicroSD povežite z računalnikom z bralnikom kartic MicroSD. Kartica MicroSD mora biti nova ali na novo formatirana. Kopirajte datoteke na kartico MicroSD.

Naslednji korak je priključitev strojne opreme Rπ0. Kartico MicroSD vstavite v Rπ0. Priključite zvezdišče USB na Rπ0, tipkovnico in miško pa v zvezdišče USB. Priključite Rπ0 na napajalnik in ga vklopite. Vmesnik wifi Amazon Basics v tem koraku ne bo uporabljen, zato ga pustite brez povezave.

Sledite navodilom v čarovniku za namestitev operacijskega sistema Raspbian na Rπ0. Ta korak vključuje:

• Prijava v vzpostavljeno omrežje wifi
• Namestitev Raspbian Full (bodite potrpežljivi, to traja nekaj časa.)
• Nastavitev države, časovnega pasu in jezika
• Nastavitev gesla za uporabnika pi
• Povezava z vzpostavljenim omrežjem WiFi
• Posodabljanje (bodite potrpežljivi, to traja nekaj časa.)
• Ponovni zagon

Na tej točki imamo delujoč računalnik Rπ0 z operacijskim sistemom Raspbian. Kliknite ikono wifi v zgornjem desnem kotu zaslona. Pokazati mora, da je wlan0 povezan z vzpostavljenim omrežjem wifi.

3. korak: Namestite gonilnik adapterja Wifi

Wi -Fi adapter blagovne znamke Amazon Basics je odličen za projekte antene, saj lahko priloženo anteno odvijete, tako da lahko našo anteno privijete. Žal Raspbian ne prepozna tega vmesnika wifi. Gre za adapter Realtek 818b s serijsko številko 70F11C0531F8. Po https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?… čip v njem zahteva gonilnik RTL8192EU. Potreben gonilnik je na voljo na spletu pri MrEngman.

Če želite namestiti gonilnik, priključite Amazon Basic wifi adapter v zvezdišče USB in odprite terminal. V ukazno vrstico vnesite naslednje ukaze:

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 ikono wifi v zgornjem desnem kotu zaslona.

Prikazati mora wlan0 in wlan1, oba pa morata biti povezana z vzpostavljenim omrežjem wifi. Na tej točki imate delujoč računalnik Rπ0, ki deluje z dvema delujočima vmesnikoma wifi, notranjim in zunanjim brezžičnim adapterjem Amazon Basics.

4. korak: Nastavite Rπ0 kot dostopno točko

Naslednji korak je nastavitev Rπ0, da deluje kot dostopna točka wifi. Na koncu tega koraka bo Rπ0 zunanji wifi adapter Amazon Basics imenoval wlan1 in bo komuniciral z vzpostavljenim omrežjem wifi. Notranji wifi adapter bo Rπ0 imenoval wlan0, naprave, kot so mobilni telefoni, tablični računalniki in prenosni računalniki, pa se lahko povežejo z Rπ0 v novem omrežju wifi. Ti mobilni telefoni, tablični računalniki in prenosni računalniki bodo lahko uporabljali to novo dostopno točko wifi za komunikacijo po internetu.

Ta Rπ0 lahko razširi obseg vzpostavljenega omrežja wifi. Recimo, da želimo mobilni telefon povezati z internetom, vendar je mobilni telefon 200 m od vzpostavljene dostopne točke WiFi. Mobilni telefon morda ne bo mogel komunicirati z tako oddaljeno dostopno točko WiFi. Lahko pa Rπ0 z novo dostopno točko postavimo na sredino. Rπ0 lahko nato uporabi zunanji vmesnik wifi za komunikacijo z vzpostavljenim omrežjem wifi, ki je oddaljeno le 100 m, Rπ0 pa lahko uporabi notranji adapter wifi za komunikacijo z mobilnim telefonom, ki je prav tako oddaljen le 100 m.

Adafruit ima odlično vadnico o tem, kako nastaviti Raspberry Pi kot dostopno točko wifi. Vadnica podrobno opisuje korake, ki vključujejo nastavitev dostopne točke wifi, namestitev potrebnih paketov, urejanje konfiguracijskih datotek in zagon storitev. Vendar ima postopek več korakov, zato je treba navodila za naše namene spremeniti. Namesto večje Raspberry Pi uporabljamo Rπ0 in namesto žične in brezžične dostopne točke vzpostavljamo povezavo med dvema brezžičnima dostopnima točkama. Poleg tega so za uspešno nastavitev dostopne točke potrebne nadaljnje spremembe konfiguracijskih datotek.

Napisali smo program za poenostavitev postopka namestitve. Priložena datoteka zip vsebuje spremenjene konfiguracijske datoteke in majhen program C, ki avtomatizira nastavitev dostopne točke. Temeljito temelji na vadnici Adafruit. Ta program varnostno kopira obstoječe konfiguracijske datoteke, kopira v nove konfiguracijske datoteke, ki jih vsebuje datoteka zip, in dokonča namestitev dostopne točke.

Preden lahko uporabimo namestitveni skript, potrebujemo nekaj dodatnih paketov. Za namestitev potrebne programske opreme uporabite naslednje ukaze.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Prenesite priloženo datoteko zip in jo shranite v nov imenik. Odprite terminal in se pomaknite v ta imenik. Naslednji korak je, da datoteko razpakirate in zaženete namestitveni skript.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Ta program vas bo pozval, da vnesete ime (vzpostavljenega) omrežja WiFi in njegovo geslo. Vzpostavila bo novo dostopno točko z imenom PI_AP z geslom Raspberry.

Ko je skript končan, znova zaženite Rπ0. Če kliknete ikono omrežja v zgornjem desnem delu zaslona, piše, da brezžični vmesniki niso najdeni. Ne skrbite; obstajajo in delujejo. Na tej točki obstaja prvotno omrežje wifi in imamo novo omrežje wifi z imenom Pi_AP. Vzemite mobilni telefon ali drugo napravo in se poskusite povezati z novo dostopno točko WiFi. Odprite spletni brskalnik v napravi, da preizkusite internetno povezavo med uporabo te nove dostopne točke.

Namestitveni program spremeni naslednjih sedem konfiguracijskih datotek: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd in /etc/sysctl.conf. Te konfiguracijske datoteke boste morda želeli dodatno spremeniti. Zgoraj omenjena vadnica Adafruit ponuja dodatne podrobnosti. Na primer, spremenite datoteko /etc/hostapd/hostapd.conf, če želite spremeniti ime nove dostopne točke ali njeno geslo. Če želite v vzpostavljeno omrežje povezati več dostopnih točk Rπ0, vsaka potrebuje edinstven naslov IP. Namestitveni postopek uporablja 192.168.42.1. Datoteke /etc/dhcp/dhcpd.conf in/etc/network/vmesnike bo treba spremeniti. Poleg tega boste potrebovali ukaz sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, kjer se zz nadomesti z drugim celim številom. Ta dostopna točka je bila preizkušena tudi samo za komunikacijo IPv4. Za komunikacijo IPv4 in IPv6 na dostopni točki bodo morda potrebne dodatne spremembe postopka namestitve ali konfiguracijskih datotek.

5. korak: Oblikujte anteno

Oblikovanje in izdelava antene je lažje, kot se sliši. Naš pristop je bil, da začnemo z vzorcem, ga spremenimo, simuliramo, da zagotovimo, da še vedno zadovoljuje naše potrebe, in ga nato postavimo na tiskano vezje. Če ne želite izdelati lastne antene, uporabite tisto, ki je priložena adapterju wifi. Druga možnost je, če želite izdelati svojo anteno, ne pa jo oblikovati ali simulirati, smo priložili datoteke postavitve tiskanega vezja. Če pa vas zanima zasnova antene, simulacija antene ali postavitev tiskanega vezja, preberite. Antena, ki jo uporabljamo, ni bila optimizirana. Namen tukaj je pokazati, kako lahko naredite lastno anteno, ne pa prikazati idealne antene.

Želeli smo usmerjeno anteno, ki deluje na frekvencah wifi. Instructable, s katerim smo začeli, vsebuje podroben vzorec za usmerjeno Yagi anteno, ki jo lahko izdelamo iz sponk za papir in palčk za popsicle. Naredili smo le eno spremembo. Ta antena je dolga 42 cm in vsebuje 15 prevodnih elementov. Znebili smo se vseh elementov razen štirih, zato bo antena krajša.

Nato smo simulirali anteno, da zagotovimo, da je še vedno usmerjena, tudi z manj elementi. EZNECby Roy Lewallen je preprosto orodje za simulacijo antene. Uporabili smo demo različico EZNEC 6.0. Prvi korak pri uporabi te programske opreme je opis antene. Kliknite gumb Wires in vnesite lokacijo elementov antene. Velikost in lokacija teh elementov sta podrobno opisana v vzorcu antene. Nato smo za signale wifi nastavili frekvenco 2,4 GHz in izbrali vrsto tal za prosti prostor. Priložena je datoteka EZNEC, ki opisuje anteno, WifiYagi.ez.

Izhod simulacije EZNEC je prikazan spodaj in preverja, ali je spremenjena antena še vedno usmerjena. Levi del slike prikazuje anteno. Črne črte so prevodni elementi, rdeči krog na drugem elementu pa je mesto, kjer se poveže adapter wifi. Desni del slike je grafikon vzorca 3D sevanja. Slika prikazuje relativno moč signala na fiksni razdalji od oddajne antene pod različnimi koti. Ker je ploskev v smeri x večja kot v drugih smereh, je antena usmerjena. Večina energije, ki jo oddaja antena, bo šla v smeri x. Če anteno pravilno usmerimo in ob predpostavki, da je vse ostalo enako, bi morala ta antena komunicirati na daljše razdalje v smeri x, kot če ne bi uporabljali usmerjene antene.

Naslednji korak je postavitev tiskanega vezja po meri. Čeprav je vzorec antene, s katerim smo začeli, enostavno sestaviti, je težko natančno sestaviti. Tiskana vezja so izdelana natančneje in so bolj trpežna. Uporabili smo odprtokodni program KiCad. Naše datoteke postavitve tiskanega vezja so priložene na wifi_pcb.tar.gz. Če želite datoteko razpakirati, uporabite ukaz:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Koraki za postavitev PCB so naslednji:

• Odprite nov projekt KiCad.
• Pojdite v urejevalnik postavitve tiskane plošče.
• Izberite gumb Dodaj grafične črte in plast Edge. Cuts ter določite obod tiskanega vezja.
• Izberite gumb Dodaj grafične črte in plast F. Cu ter narišite antenske elemente v sprednji bakreni plasti.
• Izberite gumb Dodaj vias in vstavite dve luknji, kamor bo priključen adapter wifi.
• Izberite gumb Dodaj grafični poligon in plast F. Maska ter v sprednji maski za spajkanje narišite luknjo, da ne bo pokrila vmesnih lukenj. Ponovite s plastjo B. Mask, da narišete luknjo tudi v maski za zadnjo spajkanje.
• Plastem svilenega sita dodajte morebitne dodatne oznake ali nalepke.
• Če želite ustvariti Gerberjeve datoteke, izberite Datoteka in nato Uredi.

6. korak: Naredite anteno

Kupili smo PCB -je, narejene po naši postavitvi. Adafruit ima seznam ljubiteljem prijaznih proizvajalcev PCB. Čeprav smo preizkusili nekaj proizvajalcev PCB, res ne vemo, kateri je najboljši. Prikazano tiskano vezje je izdelal Oshpark.

Ko prispe PCB, je naslednji korak spajkanje koaksialnega priključka RG-58. PCB ima dve vmesni luknji. Zatič, ki je priložen konektorju, je prekratek, zato spajkajte majhen kos žice v eno od vmesnih lukenj. Postavite veliko piko spajkanja, ki povezuje lupino z drugo skozi luknjo. Zdaj imate usmerjeno Yagi wifi anteno iz tiskanega vezja po meri.

Odklopite wifi adapter Amazon Basics. Odvijte anteno, ki je priložena, in privijte novo anteno za tiskano vezje. Ponovno priključite adapter Wi -Fi v zvezdišče USB. Projekt je zdaj zaključen.