Raspberry Pi Zero Wifi hozzáférési pont egyedi PCB antennával: 6 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:42

Mit csinálunk?

Ennek az oktatóanyagnak a címe rengeteg szakkifejezést tartalmaz. Bontsuk szét.

Mi az a Raspberry Pi Zero (Rπ0)? A Raspberry Pi Zero egy apró számítógép. Ez a Raspberry Pi egykártyás számítógép kisebb változata, és elfér 30 mm -es 65 mm -es és 5 mm -es dobozban. Kis mérete mellett nagyon olcsó és nagyon alacsony teljesítményű. Elég erős egy teljes Linux alapú operációs rendszer, a Raspbian futtatásához is. Mint minden más számítógép, az Rπ0 segítségével böngészhet az interneten, játszhat, irodai eszközöket használhat, szoftvert írhat stb. Ez az oktatóanyag a Raspberry Pi Zero Model W -t használja, amely beépített wifi adapterrel rendelkezik.

Mi az a wifi adapter? Ha Wi -Fi -t szeretne használni mobiltelefonja, táblagépe vagy laptopja internethez való csatlakoztatásához, akkor eszközének wifi -adapterre van szüksége. A wifi adapter áramkört és antennát tartalmaz. Adatjeleket konvertál elektromágneses hullámokká és azokból, például 2,4 GHz -es frekvenciával. A legtöbb mobiltelefon, táblagép és laptop laptop beépített wifi adaptert tartalmaz. Vásárolhat azonban egy külső wifi adaptert is, amely USB -n keresztül csatlakozik a számítógéphez. Ebben a projektben az Rπ0 belső wifi adapterét és egy külső wifi adaptert használunk.

Mi az a wifi hozzáférési pont? Több mobiltelefon, táblagép vagy számítógép vezeték nélkül kommunikálhat egyetlen wifi hozzáférési ponttal, és ezekről az eszközökről az adatok a hozzáférési ponton keresztül az internetre kerülnek. Ebben a projektben az Rπ0 a wifi hozzáférési pont. Miért szeretne saját wifi hozzáférési pontot? A kommunikációhoz az eszközöknek körülbelül 100 méteren belül kell lenniük a hozzáférési ponttól. Tegyük fel, hogy van egy nyilvános wifi hozzáférési pont a könyvtár közepén. Bárki, akinek laptopja van ezen a távolságon, a hozzáférési pont segítségével vezeték nélkül csatlakozhat az internethez. Mi van, ha hozzáférést szeretne a könyvtár melletti parkban, 200 méterre? Új hozzáférési pontot helyezhet el a könyvtár tulajdonának szélén, 100 m -re az első hozzáférési ponttól. Ezután bárki, akinek laptopja van az új hozzáférési ponttól 100 méteren belül, online is elérheti. A rendelkezésre álló sávszélesség keretein belül ezeket a hozzáférési pontokat össze lehet láncolni, hogy az internet -hozzáférés szélesebb területen terjedjen el.

Mi az egyedi nyomtatott áramköri lap (PCB)? A NYÁK olyan áramkör, amely anyagrétegeket helyez el a szigetelőlemezen. A réz mintázata a kívánt helyeken huzalokat képez, és lyukakat fúrnak az alkatrészek elhelyezéséhez. Az egyedi PCB -ket speciális szoftverek segítségével tervezték. Ehhez a projekthez egy egyedi PCB -t terveztek a nyílt forráskódú KiCad szoftver segítségével. Ezt követően a tervezetet elküldték egy gyártónak. Egyedi NYÁK tervezése és megrendelése sem drága, sem időigényes. A lépéseket az alábbiakban részletezzük. Ha szoftvert használ, és legyártja a nyomtatott áramköri lapot, akkor tartós, precízen gyártott és a pontos előírásoknak megfelelő áramkört kap. Ebben a projektben egyedi PCB -t használunk wifi antenna készítéséhez.

Mi az antenna? Az antenna a wifi hozzáférési pont hardverének az a része, amely a jeleket elektromágneses sugárzássá alakítja át. Sok antenna minden irányból egyformán képes jeleket továbbítani és fogadni. A többi antenna irányított, sokkal jobban működik egy adott irány mentén. Ebben a projektben az irányított antenna használatát választottuk. Amikor egy irányított antenna jelet továbbít, az energiát egy adott irányba fókuszálja, így minden más egyenlő, egy jól beállított irányított antenna hosszabb távolságon keresztül kommunikálhat, mint egy nem irányított. Ezt az Instructable -t egy másik Instructable ihlette, amely irányított wifi -antennát készített (szó szerint) gemkapcsokból és popsicle botokból. Ez az Instructable tartalmazta a wifi Yagi antenna mintáját, és az antennánk ebből a mintából készült, kis módosításokkal. A Yagi antenna, más néven Yagi-Uda antenna, egyfajta irányított antenna, amelyet eredetileg 1926-ban terveztek. Az antennák másik nagyszerű forrása, valamint az antennákkal kapcsolatos egyéb információk az ARRL antenna könyve.

Míg egyesek naponta többször is hozzáférnek az internethez, sok másnak nincs megbízható internet -hozzáférése. Az internet -hozzáférés hiánya mind a vidéki, mind a városi területeken problémát jelent, és mind a fejlett, mind a fejlődő országokban problémát jelent. Például a Detroitot is magába foglaló Wayne County Michigan háztartások 23% -ának hiányzott az internet -hozzáférése 2017 -ben. A probléma megoldásának olcsónak kell lennie, mert a számítógép -hozzáférés nélkül élők közül sokan korlátozott erőforrásokkal rendelkeznek. Ezenkívül a megoldásoknak infrastruktúra, például rézhuzal vagy száloptikai kábelek fektetése nélkül is működniük kell. Ebben az útmutatóban bemutatjuk, hogyan lehet saját wifi hozzáférési pontot létrehozni, hogy saját maga is kiterjeszthesse az internetet.

Erről a bemutatóról

Ezek az utasítások modulárisak. Követheti ezen utasítások egyes részeit anélkül, hogy feltétlenül befejezné az előtte vagy utána leírt részeket. Például, ha érdekli az Rπ0 hozzáférési pontként való használata, de nem nagyon érdekli az antennák, nyugodtan használjon bármilyen wifi adaptert, és hagyja figyelmen kívül az antenna készítésével kapcsolatos lépéseket. Ha szeretne egyéni Yagi -antennát készíteni, ugorjon egyenesen az oktatóanyag ezen részéhez. Az antenna NYÁK -elrendezési fájljait tartalmazza.

A wifi adapter telepítésének lépését és az Rπ0 hozzáférési pontként történő beállítását a Raspbian Stretch 4.14.52 és 4.14.79 segítségével tesztelték. Remélhetőleg továbbra is dolgozni fognak a jövőbeli verziókkal. Ezeket a lépéseket azonban módosítani kell, ha a wifi -hozzáférés konfigurációs fájljai megváltoznak az operációs rendszer újabb verzióiban.

1. lépés: Gyűjtse össze a kellékeket

A Raspberry Pi Zero Setuphoz szükséges kellékek

• Raspberry Pi Zero W Győződjön meg róla, hogy megkapja a W modellt, amely beépített wifit tartalmaz.

  

• Micro SD kártya Szerezzen be legalább 16 GB -ot.
• MicroSD kártyaolvasó
• USB hub MicroUSB csatlakozóvalhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• USB billentyűzet és egérhttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Győződjön meg róla, hogy a Mini-HDMI, nem pedig a Micro-HDMI méretet választja.
• HDMI -kompatibilis monitor
• Tápegység Ehelyett USB -akkumulátort is használhat.

További kellékek szükségesek a Wifi hozzáférési pont beállításához

Amazon Basics USB Wifi adapter levehető antennával

További kellékek szükségesek az egyedi PCB antennához

• RG-58 forrasztható kábelcsatlakozó Digikey cikkszám CONSMA007-R58-ND
• Egyedi nyomtatott áramkör
• Forrasztópáka és kis mennyiségű forrasztópáka

2. lépés: Állítsa be a Raspberry Pi Zero -t

Töltse le a Raspbian NOOBs Lite zip fájlt a https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs webhelyről, és bontsa ki.

Csatlakoztassa a MicroSD kártyát a számítógéphez a MicroSD kártyaolvasó segítségével. A MicroSD kártyának újnak vagy újonnan formázottnak kell lennie. Másolja a fájlokat a MicroSD kártyára.

A következő lépés az Rπ0 hardver csatlakoztatása. Helyezze be a MicroSD kártyát az Rπ0 -ba. Csatlakoztassa az USB -elosztót az Rπ0 -hoz, a billentyűzetet és az egeret pedig az USB -elosztóhoz. Csatlakoztassa az Rπ0 -t a tápegységhez, és csatlakoztassa. Az Amazon Basics wifi -adaptert ebben a lépésben nem használja, ezért hagyja csatlakoztatva.

Kövesse a varázsló utasításait a Raspbian operációs rendszer Rπ0 -ra történő telepítéséhez. Ez a lépés magában foglalja:

• Belépés a kialakított wifi hálózatba
• A Raspbian Full telepítése (legyen türelmes, ez eltart egy ideig.)
• Az ország, az időzóna és a nyelv beállítása
• Jelszó beállítása pi felhasználónak
• Csatlakozás a kialakított wifi hálózathoz
• Frissítés (légy türelmes, ez eltart egy ideig.)
• Újraindítás

Ezen a ponton van egy működő Rπ0 számítógépünk, amely a Raspbian operációs rendszert futtatja. Kattintson a wifi ikonra a képernyő jobb felső sarkában. Meg kell jelenítenie a wlan0 -t, amely csatlakozik a létrehozott wifi hálózathoz.

3. lépés: Telepítse a Wifi adapter illesztőprogramját

Az Amazon Basics márkájú wifi adapter kiválóan alkalmas antennaprojektekhez, mivel a mellékelt antennát le lehet csavarni, így antennánkat fel lehet csavarni. Sajnos a Raspbian nem ismeri fel ezt a wifi adaptert. Ez egy Realtek 818b adapter, sorozatszámmal 70F11C0531F8. A https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?… szerint a benne lévő chiphez az RTL8192EU illesztőprogram szükséges. A szükséges illesztőprogram online elérhető a MrEngman -től.

Az illesztőprogram telepítéséhez csatlakoztassa az Amazon Basic wifi adaptert az USB hubhoz, és nyisson meg egy terminált. Írja be a következő parancsokat a parancssorba:

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

Kattintson a wifi ikonra a képernyő jobb felső sarkában.

A wlan0 és wlan1 feliratot kell megjelenítenie, és mindkettőt csatlakoztatni kell a létrehozott wifi hálózathoz. Ezen a ponton van egy működő Rπ0 számítógépe két működő wifi adapterrel, a belsővel és a külső Amazon Basics wifi adapterrel.

4. lépés: Az Rπ0 beállítása hozzáférési pontként

A következő lépés az Rπ0 beállítása wifi hozzáférési pontként. E lépés végén a külső Amazon Basics wifi adaptert az Rπ0 wlan1 -nek fogja hívni, és kommunikálni fog a kialakított wifi -hálózattal. A belső wifi -adaptert az Rπ0 wlan0 -nak fogja hívni, és olyan eszközök, mint a mobiltelefonok, táblagépek és laptopok csatlakozhatnak az új wifi -hálózat Rπ0 -jához. Ezek a mobiltelefonok, táblagépek és laptopok képesek lesznek használni ezt az új wifi hozzáférési pontot az interneten való kommunikációhoz.

Ez az Rπ0 kiterjesztheti a kialakított wifi hálózat hatótávolságát. Tegyük fel például, hogy mobiltelefont szeretnénk csatlakoztatni az internethez, de a mobiltelefon 200 méterre van a kialakított wifi hozzáférési ponttól. Előfordulhat, hogy a mobiltelefon nem tud kommunikálni olyan messze található wifi hozzáférési ponttal. Azonban elhelyezhetjük az Rπ0 -t az új hozzáférési ponttal középen. Az Rπ0 ezután a külső wifi adaptert használhatja a kommunikációhoz a csak 100 m -re lévő, kialakított wifi hálózattal, az Rπ0 pedig a belső wifi adapterrel kommunikálhat a szintén 100 méterre lévő mobiltelefonnal.

Az Adafruit kiváló oktatóanyaggal rendelkezik a Raspberry Pi beállításáról wifi hozzáférési pontként. Az oktatóanyag részletezi a wifi hozzáférési pont beállítását, a szükséges csomagok telepítését, a konfigurációs fájlok szerkesztését és a szolgáltatások indítását. Az eljárásnak azonban több lépése van, és az utasításokat módosítani kell céljaink érdekében. Rπ0 -t használunk a nagyobb Raspberry Pi helyett, és kapcsolatot létesítünk két vezeték nélküli hozzáférési pont között vezetékes és vezeték nélküli hozzáférési pont helyett. Ezenkívül további változtatásokra van szükség a konfigurációs fájlokban a hozzáférési pont sikeres beállításához.

Írtunk egy programot a telepítési folyamat egyszerűsítésére. A mellékelt zip fájl tartalmazza a szükséges módosított konfigurációs fájlokat, valamint egy kis C programot, amely automatizálja a hozzáférési pont beállítását. Szorosan az Adafruit oktatóanyagon alapul. Ez a program biztonsági másolatot készít a meglévő konfigurációs fájlokról, másolja a zip fájlban található új konfigurációs fájlokat, és befejezi a hozzáférési pont telepítését.

A telepítő szkript használatához néhány további csomagra van szükség. Használja a következő parancsokat a szükséges szoftver telepítéséhez.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Töltse le a mellékelt zip fájlt, és mentse egy új könyvtárba. Nyisson meg egy terminált, és váltson arra a könyvtárra. A következő lépések a fájl kicsomagolása és a telepítő szkript futtatása.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Ez a program kéri, hogy írja be a (létrehozott) wifi hálózat nevét és jelszavát. PI_AP nevű új hozzáférési pontot állít be Raspberry jelszóval.

A szkript elkészülte után indítsa újra az Rπ0 -t. Most, ha rákattint a képernyő jobb felső részén található hálózati ikonra, azt mondja, hogy nem találhatók vezeték nélküli interfészek. Ne aggódj; léteznek és működnek. Ezen a ponton létezik az eredeti wifi -hálózat, és van egy új wifi -hálózatunk Pi_AP néven. Fogjon egy mobiltelefont vagy más eszközt, és próbáljon csatlakozni az új wifi hozzáférési ponthoz. Nyisson meg egy böngészőt a készüléken, hogy tesztelje az internetkapcsolatot az új hozzáférési pont használata közben.

A következő hét konfigurációs fájlt módosítja a telepítőprogram: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd és /etc/sysctl.conf. Érdemes további módosításokat végezni ezeken a konfigurációs fájlokon. A fent említett Adafruit oktatóanyag további részleteket tartalmaz. Például módosítsa az /etc/hostapd/hostapd.conf fájlt, ha meg szeretné változtatni az új hozzáférési pont nevét vagy jelszavát. Ha több Rπ0 hozzáférési pontot szeretne csatlakoztatni a létrehozott hálózathoz, mindegyiknek egyedi IP -címre van szüksége. A telepítési folyamat a 192.168.42.1. Az /etc/dhcp/dhcpd.conf és/etc/network/interfaces fájlokat módosítani kell. Ezenkívül szüksége lesz a sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 parancsra, ahol a zz helyére egy másik egész szám kerül. Ez a hozzáférési pont csak IPv4 kommunikációra lett tesztelve. A telepítési eljárás vagy a konfigurációs fájlok további módosítására lehet szükség a hozzáférési pont IPv4 és IPv6 kommunikációjához.

Lépés: Tervezze meg az antennát

Az antenna tervezése és gyártása egyszerűbb, mint amilyennek hangzik. A mi megközelítésünk az volt, hogy egy mintával kezdjük, módosítjuk, szimuláljuk annak biztosítása érdekében, hogy továbbra is kielégítse az igényeinket, majd lefektetjük egy NYÁK -ra. Ha nem szeretne saját antennát készíteni, használja a wifi adapterhez mellékelt antennát. Alternatív megoldásként, ha saját antennát szeretne készíteni, de nem tervezni vagy szimulálni, csatoltuk a NYÁK -elrendezési fájljainkat. Azonban olvasson tovább, ha érdekli az antenna kialakítása, az antennaszimuláció vagy a NYÁK -elrendezés. Az általunk használt antenna nincs optimalizálva. A cél itt az, hogy megmutassa, hogyan készíthet saját antennát, és nem az ideális antennát.

Olyan irányantennát akartunk, amely wifi frekvencián működik. Az Instructable, amellyel kezdtük, tartalmaz egy részletes mintát egy irányított Yagi antenna számára, amely gemkapcsokból és popsicle botokból készülhet. Csak egy módosítást hajtottunk végre. Ez az antenna 42 cm hosszú és 15 vezető elemet tartalmaz. Négy kivételével minden elemtől megszabadultunk, így az antenna rövidebb lesz.

Ezután szimuláltuk az antennát annak biztosítására, hogy még mindig irányított legyen, még kevesebb elem esetén is. Az EZNECby Roy Lewallen egy könnyen használható antenna szimulációs eszköz. Az EZNEC 6.0 demó verzióját használtuk. A szoftver használatának első lépése az antenna leírása. Kattintson a Vezetékek gombra, és adja meg az antennaelemek helyét. Ezen elemek méretét és elhelyezkedését az antenna minta részletezi. Ezután a frekvenciát 2,4 GHz -re állítottuk be a wifi jelekhez, és a talajtípust választottuk szabad helynek. Az antennát leíró EZNEC fájl, WifiYagi.ez, mellékelve.

Az EZNEC szimuláció kimenete az alábbiakban látható, és ellenőrzi, hogy a módosított antenna továbbra is irányított. Az ábra bal oldalán az antenna látható. A fekete vonalak a vezető elemek, a második körön pedig a piros kör, ahol a wifi adapter csatlakozik. Az ábra jobb része a 3D sugárzási minta diagramja. Az ábra a jel relatív erősségét mutatja az adóantennától rögzített távolságban, különböző szögekben. Mivel a diagram x irányban nagyobb, mint más irányokban, az antenna irányított. Az antenna által továbbított energia nagy része x irányba megy. Ha megfelelően irányítjuk ezt az antennát, és ha feltételezzük, hogy minden más egyenlő, akkor ennek az antennának képesnek kell lennie nagyobb távolságok közötti kommunikációra x irányban, mintha nem használnánk irányított antennát.

A következő lépés az egyedi NYÁK lefektetése. Míg az antenna mintát, amellyel kezdtünk, könnyű felépíteni, nehéz pontosan megkonstruálni. A nyomtatott áramköri lapokat pontosabban gyártják és tartósabbak. Mi a nyílt forráskódú KiCad programot használtuk. NYÁK -elrendezési fájljaink a wifi_pcb.tar.gz fájlban vannak csatolva. A fájl kibontásához használja a következő parancsot:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

A PCB elhelyezésének lépései a következők:

• Nyisson meg egy új KiCad projektet.
• Lépjen a NYÁK -elrendezés szerkesztőbe.
• Válassza a Grafikus vonalak hozzáadása gombot és az Edge. Cuts réteget, és határozza meg a NYÁK kerületét.
• Válassza a Grafikus vonalak hozzáadása gombot és az F. Cu réteget, és rajzolja be az antennaelemeket az elülső rézrétegbe.
• Válassza a Vias hozzáadása gombot, és helyezzen be két lyukat a wifi adapter csatlakoztatásához.
• Válassza a Grafikus sokszög hozzáadása gombot és az F. Maszk réteget, és rajzoljon egy lyukat az elülső forrasztómaszkba, hogy ne takarja el az átmenő lyukakat. Ismételje meg a B. Mask réteg használatával, hogy lyukat rajzoljon a hátsó forrasztómaszkba is.
• Adjon hozzá további jelzéseket vagy címkéket a selyemszövet rétegekhez.
• A Gerber fájlok létrehozásához válassza a Fájl, majd a Plot lehetőséget.

6. lépés: Készítse el az antennát

Az elrendezésünkből készült PCB -ket vásároltunk. Az Adafruit rendelkezik a hobbibarát PCB-gyártók listájával. Bár kipróbáltunk néhány PCB gyártót, valójában nem tudjuk, melyik a legjobb. A bemutatott NYÁK -ot az Oshpark gyártotta.

A PCB megérkezése után a következő lépés az RG-58 koax csatlakozó forrasztása. A NYÁK két átmenő lyukkal rendelkezik. A csatlakozóhoz tartozó csap túl rövid, ezért forrasztjon egy kis huzaldarabot az egyik átmenő lyukba. Tegyen egy nagy pont forrasztót, amely összeköti a héjat a másik átmenő lyukkal. Most van egy irányított Yagi wifi antennája, amely egyedi PCB -ből készült.

Húzza ki az Amazon Basics wifi adaptert. Csavarja le a mellékelt antennát, és csavarja be az új NYÁK -antennát. Csatlakoztassa a wifi adaptert az USB hubhoz. A projekt most befejeződött.