Přístupový bod Raspberry Pi Zero Wifi s vlastní anténou PCB: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Co děláme?

Název tohoto tutoriálu obsahuje spoustu odborných výrazů. Pojďme to rozebrat.

Co je Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero je malý počítač. Jedná se o menší verzi jednodeskového počítače Raspberry Pi a vejde se do krabice 30 mm x 65 mm x 5 mm. Kromě své malé velikosti je velmi levný a má velmi nízkou spotřebu. Je také dostatečně výkonný, aby fungoval s plným operačním systémem Linux, Raspbian. Stejně jako u jiných počítačů můžete pomocí Rπ0 procházet web, hrát hry, používat kancelářské nástroje, psát software atd. Tento tutoriál používá Raspberry Pi Zero Model W, který má vestavěný wifi adaptér.

Co je to wifi adaptér? Pokud chcete k připojení mobilního telefonu, tabletu nebo notebooku k internetu použít wifi, vaše zařízení potřebuje wifi adaptér. Wifi adaptér obsahuje obvody a anténu. Převádí datové signály do a z elektromagnetických vln s frekvencí blízkou například 2,4 GHz. Většina mobilních telefonů, tabletů a notebooků obsahuje vestavěný adaptér wifi. Můžete si však také zakoupit externí wifi adaptér, který se připojuje k počítači přes USB. V tomto projektu používáme jak interní wifi adaptér Rπ0, tak i externí wifi adaptér.

Co je přístupový bod wifi? Více mobilních telefonů, tabletů nebo počítačů může bezdrátově komunikovat s jediným přístupovým bodem wifi a data z těchto zařízení jsou přenášena přes přístupový bod na internet. V tomto projektu je Rπ0 přístupový bod wifi. Proč byste chtěli svůj vlastní přístupový bod wifi? Ke komunikaci musí být zařízení v dosahu přibližně 100 metrů od přístupového bodu. Předpokládejme, že ve středu knihovny je veřejný přístupový bod wifi. Kdokoli s notebookem v této vzdálenosti může přístupový bod používat k bezdrátovému připojení k internetu. Co když chcete přístup do parku vedle knihovny, vzdálené 200 metrů? Nový přístupový bod můžete umístit na okraj majetku knihovny, 100 m od prvního přístupového bodu. Poté se může připojit online kdokoli s notebookem do 100 m od tohoto nového přístupového bodu. V mezích dostupné šířky pásma lze tyto přístupové body zřetězit a rozšířit tak přístup k internetu v širší oblasti.

Co je to vlastní deska plošných spojů (PCB)? DPS je obvod konstruovaný ukládáním vrstev materiálu na izolační desku. Měď je vzorována v požadovaných místech pro vytvoření drátů a jsou vyvrtány otvory, kam budou umístěny součásti. Vlastní desky plošných spojů jsou navrženy pomocí specializovaného softwaru. Pro tento projekt byl navržen vlastní PCB pomocí open source softwaru KiCad. Návrh byl poté odeslán výrobci k výrobě. Navrhování a objednávání vlastních desek plošných spojů není ani nákladné, ani časově náročné. Kroky jsou podrobně popsány níže. Pokud rozložíte desku plošných spojů pomocí softwaru a necháte ji vyrobit, získáte obvod, který je odolný, precizně vyrobený a navržený podle vašich přesných specifikací. V tomto projektu používáme vlastní PCB k výrobě antény wifi.

Co je to anténa? Anténa je součástí hardwaru přístupového bodu wifi, který převádí signály do a z elektromagnetického záření. Mnoho antén může vysílat a přijímat signály stejně dobře ze všech směrů. Ostatní antény jsou směrové, operují mnohem lépe v určitém směru. V tomto projektu jsme se rozhodli použít směrovou anténu. Když směrná anténa vysílá signál, zaměřuje energii v určitém směru, takže pokud je vše ostatní stejné, dobře zarovnaná směrová anténa může komunikovat na delší vzdálenost, než je ta, která není směrová. Tento Instructable byl inspirován dalším Instructable, který vyrobil směrovou wifi anténu z (doslova) kancelářských sponek a nanuků. Ten Instructable obsahoval vzor pro wifi Yagi anténu a naše anténa je z tohoto vzoru vyrobena s mírnými úpravami. Anténa Yagi, nazývaná také anténa Yagi-Uda, je typem směrové antény původně navržené v roce 1926. Dalším velkým zdrojem anténních návrhů a dalších informací o anténách je anténní kniha ARRL.

Zatímco někteří lidé přistupují k internetu vícekrát denně, mnoha dalším lidem chybí spolehlivý přístup k internetu. Nedostatek přístupu k internetu je problémem ve venkovských i městských oblastech a je problémem jak v rozvinutých, tak v rozvojových zemích. Například 23% domácností ve státě Wayne County Michigan, který zahrnuje Detroit, nemělo v roce 2017 přístup k internetu. Řešení tohoto problému musí být levné, protože mnoho lidí bez přístupu k počítači má omezené zdroje. Řešení navíc musí fungovat bez nutnosti infrastruktury, jako je pokládka měděných drátů nebo optických kabelů. V těchto pokynech vám ukážeme, jak si vytvořit vlastní přístupový bod k wifi, abyste si mohli internet rozšířit sami.

O tomto tutoriálu

Tyto pokyny jsou modulární. Můžete se řídit částmi těchto pokynů, aniž byste je museli nutně dokončit před nebo po něm. Pokud vás například zajímá použití Rπ0 jako přístupového bodu, ale antény vás příliš nezajímají, použijte libovolný adaptér wifi a ignorujte kroky zahrnující výrobu antény. Pokud máte zájem o výrobu vlastní antény Yagi, přeskočte přímo na tuto část tutoriálu. Součástí jsou soubory rozvržení desky plošných spojů pro anténu.

Krok instalace wifi adaptéru a krok nastavení Rπ0 jako přístupového bodu byly testovány pomocí Raspbian Stretch 4.14.52 a 4.14.79. Doufejme, že budou i nadále pracovat s budoucími verzemi. Tyto kroky však může být nutné upravit, pokud se v novějších verzích operačního systému změní konfigurační soubory pro přístup k wifi.

Krok 1: Shromážděte zásoby

Spotřební materiál potřebný pro nastavení Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero W Ujistěte se, že máte model W, který má vestavěnou wifi.

  

• Micro SD Získejte alespoň 16 GB.
• Čtečka karet MicroSD
• Rozbočovač USB s konektorem MicroUSB
• USB klávesnice a myš
• Kabel mini-HDMI na HDMI Ujistěte se, že máte velikost Mini-HDMI, ne Micro-HDMI.
• Monitor kompatibilní s HDMI
• Napájení Místo toho můžete použít baterii USB.

Další nastavení potřebné k nastavení přístupového bodu Wifi

Amazon Basics USB Wifi adaptér s odnímatelnou anténou

Pro vlastní PCB anténu je zapotřebí další zásoby

• Pájecí konektor RG-58Digikey číslo dílu CONSMA007-R58-ND
• Vlastní deska s plošnými spoji
• Páječka a malé množství pájky

Krok 2: Nastavte Raspberry Pi Zero

Stáhněte si zip soubor Raspbian NOOBs Lite z https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs a rozbalte jej.

Připojte kartu MicroSD k počítači pomocí čtečky karet MicroSD. Karta MicroSD by měla být buď nová, nebo nově naformátovaná. Zkopírujte soubory na kartu MicroSD.

Dalším krokem je připojení hardwaru Rπ0. Vložte kartu MicroSD do Rπ0. Připojte rozbočovač USB k Rπ0 a klávesnici a myš připojte k rozbočovači USB. Připojte Rπ0 k napájecímu zdroji a zapojte jej. V tomto kroku nebude použit wifi adaptér Amazon Basics, takže jej nechte odpojený.

Při instalaci operačního systému Raspbian na Rπ0 postupujte podle pokynů v průvodci. Tento krok zahrnuje:

• Přihlášení do zavedené wifi sítě
• Instalace Raspbian Full (Buďte trpěliví, chvíli to trvá.)
• Nastavení země, časového pásma a jazyka
• Nastavení hesla pro pi uživatele
• Připojení k zavedené wifi síti
• Aktualizace (buďte trpěliví, chvíli to trvá.)
• Restartování

V tomto okamžiku máme fungující počítač Rπ0 s operačním systémem Raspbian. Klikněte na ikonu wifi v pravém horním rohu obrazovky. Měl by zobrazovat wlan0 připojený k vaší zavedené síti Wi -Fi.

Krok 3: Nainstalujte ovladač adaptéru Wifi

Wifi adaptér Amazon Basics je skvělý pro projekty antén, protože dodávanou anténu lze odšroubovat, takže naši anténu lze našroubovat. Raspbian bohužel tento wifi adaptér nerozpozná. Jedná se o adaptér Realtek 818b se sériovým číslem 70F11C0531F8. Podle https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?… čip v něm vyžaduje ovladač RTL8192EU. Potřebný ovladač je k dispozici online od společnosti MrEngman.

Chcete -li nainstalovat ovladač, zapojte adaptér Wi -Fi Amazon Basic do rozbočovače USB a otevřete terminál. Na příkazovém řádku zadejte následující příkazy:

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

Klikněte na ikonu wifi v pravém horním rohu obrazovky.

Měl by ukazovat wlan0 a wlan1 a oba by měli být připojeni k zavedené síti Wi -Fi. V tomto okamžiku máte funkční počítač Rπ0 se dvěma funkčními wifi adaptéry, interním a externím wifi adaptérem Amazon Basics.

Krok 4: Nastavte Rπ0 jako přístupový bod

Dalším krokem je nastavení Rπ0 tak, aby fungovalo jako přístupový bod wifi. Na konci tohoto kroku bude externí wifi adaptér Amazon Basics od Rπ0 nazýván wlan1 a bude komunikovat se zavedenou wifi sítí. Rπ0 bude interní wifi adaptér nazývat wlan0 a zařízení jako mobilní telefony, tablety a notebooky se mohou k Rπ0 v nové wifi síti připojit. Tyto mobilní telefony, tablety a notebooky budou moci tento nový přístupový bod wifi používat ke komunikaci na internetu.

Tento Rπ0 může rozšířit dosah zavedené wifi sítě. Předpokládejme například, že chceme připojit mobilní telefon k internetu, ale mobilní telefon je 200 m od zavedeného přístupového bodu wifi. Mobilní telefon nemusí tak daleko komunikovat se zavedeným přístupovým bodem wifi. Můžeme však umístit Rπ0 s novým přístupovým bodem doprostřed. Rπ0 pak může pomocí externího wifi adaptéru komunikovat se zavedenou wifi sítí, která je vzdálena pouze 100 m, a Rπ0 může používat interní wifi adaptér pro komunikaci s mobilním telefonem, který je také jen 100 m daleko.

Adafruit má vynikající návod, jak nastavit Raspberry Pi jako přístupový bod wifi. Tento tutoriál podrobně popisuje kroky, které zahrnují nastavení přístupového bodu wifi, instalaci potřebných balíčků, úpravu konfiguračních souborů a spouštění služeb. Tento postup má však několik kroků a pokyny je třeba pro naše účely upravit. Místo většího Raspberry Pi používáme Rπ0 a navazujeme spojení mezi dvěma bezdrátovými přístupovými body místo kabelového a bezdrátového přístupového bodu. K úspěšnému nastavení přístupového bodu jsou navíc zapotřebí další změny konfiguračních souborů.

Napsali jsme program pro zjednodušení procesu instalace. Přiložený zip soubor obsahuje potřebné konfigurační soubory a také malý C program, který automatizuje nastavení přístupového bodu. Je úzce založen na tutoriálu Adafruit. Tento program zálohuje stávající konfigurační soubory, zkopíruje nové konfigurační soubory obsažené v souboru zip a dokončí instalaci přístupového bodu.

Než budeme moci použít instalační skript, jsou zapotřebí některé další balíčky. K instalaci potřebného softwaru použijte následující příkazy.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Stáhněte si přiložený zip soubor a uložte jej do nového adresáře. Otevřete terminál a přejděte do tohoto adresáře. Dalším krokem je rozbalení souboru a spuštění instalačního skriptu.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Tento program vás vyzve k zadání názvu (zavedené) wifi sítě a jejího hesla. Nastaví nový přístupový bod s názvem PI_AP s heslem Raspberry.

Po dokončení skriptu restartujte Rπ0. Nyní, když kliknete na ikonu sítě v pravé horní části obrazovky, říká, že nebyla nalezena žádná bezdrátová rozhraní. Nebojte se; existují a fungují. V tuto chvíli existuje původní wifi síť a máme novou wifi síť s názvem Pi_AP. Vezměte si mobilní telefon nebo jiné zařízení a zkuste se připojit k novému přístupovému bodu wifi. Otevřete v zařízení webový prohlížeč a vyzkoušejte připojení k internetu při používání tohoto nového přístupového bodu.

Instalačním programem bylo upraveno následujících sedm konfiguračních souborů: /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 těchto konfiguračních souborech můžete chtít provést další úpravy. Výukový program Adafruit uvedený výše poskytuje další podrobnosti. Pokud například chcete změnit název nového přístupového bodu nebo jeho heslo, upravte soubor /etc/hostapd/hostapd.conf. Pokud chcete k vaší zavedené síti připojit více přístupových bodů Rπ0, každý z nich potřebuje jedinečnou IP adresu. Proces instalace používá 192.168.42.1. Bude třeba upravit soubory /etc/dhcp/dhcpd.conf a/etc/network/interfaces. Kromě toho budete potřebovat příkaz sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, kde je zz nahrazeno jiným celým číslem. Tento přístupový bod byl také testován pouze pro komunikaci IPv4. Pro komunikaci IPv4 a IPv6 na přístupovém bodu mohou být zapotřebí další úpravy instalačního postupu nebo konfiguračních souborů.

Krok 5: Navrhněte anténu

Navrhování a výroba antény je jednodušší, než se zdá. Náš přístup byl začít se vzorem, upravit jej, simulovat, abychom zajistili, že stále splňuje naše potřeby, a poté jej rozložit na desku plošných spojů. Pokud si nechcete vyrábět vlastní anténu, použijte tu, která je dodávána s adaptérem wifi. Alternativně, pokud chcete vytvořit, ale ne navrhnout nebo simulovat, vlastní anténu, připojili jsme naše soubory rozvržení DPS. Pokud vás však zajímá design antény, simulace antény nebo rozložení DPS, čtěte dále. Anténa, kterou používáme, nebyla optimalizována. Účelem je ukázat, jak si můžete vyrobit vlastní anténu, ne ukázat ideální anténu.

Chtěli jsme směrovou anténu, která pracuje na wifi frekvencích. Instructable, se kterým jsme začali, obsahuje podrobný vzor pro směrovou anténu Yagi, která může být vyrobena z kancelářských sponek a nanuků. Provedli jsme pouze jednu úpravu. Tato anténa je dlouhá 42 cm a obsahuje 15 vodivých prvků. Zbavili jsme se všech prvků kromě čtyř, takže anténa bude kratší.

Dále jsme simulovali anténu, abychom zajistili, že bude stále směrová, dokonce i s menším počtem prvků. EZNECby Roy Lewallen je snadno použitelný nástroj pro simulaci antény. Použili jsme demo verzi EZNEC 6.0. Prvním krokem k použití tohoto softwaru je popsat anténu. Klikněte na tlačítko Dráty a zadejte umístění prvků antény. Velikost a umístění těchto prvků jsou podrobně popsány ve vzoru antény. Dále jsme nastavili frekvenci 2,4 GHz pro signály wifi a vybrali jsme typ země jako volné místo. Soubor EZNEC popisující anténu WifiYagi.ez je připojen.

Výstup simulace EZNEC je uveden níže a ověřuje, zda je upravená anténa stále směrová. Levá část obrázku ukazuje anténu. Černé čáry jsou vodivé prvky a červený kruh na druhém prvku je místo, kde se připojuje adaptér wifi. Pravá část obrázku je diagram 3D vyzařovacího diagramu. Obrázek ukazuje relativní sílu signálu v pevné vzdálenosti od vysílací antény v různých úhlech. Protože graf je ve směru x větší než v jiných směrech, je anténa směrová. Většina energie přenášené anténou půjde ve směru x. Pokud tuto anténu správně nasměrujeme a za předpokladu, že je vše ostatní stejné, měla by tato anténa komunikovat na delší vzdálenosti ve směru x, než kdybychom nepoužili směrovou anténu.

Dalším krokem je rozložení vlastní desky plošných spojů. Zatímco vzor antény, se kterým jsme začali, je snadno konstruovatelný, je obtížné jej přesně konstruovat. Desky s plošnými spoji jsou vyráběny přesněji a jsou odolnější. Použili jsme open source program KiCad. Naše soubory rozvržení desky plošných spojů jsou přiloženy v souboru wifi_pcb.tar.gz. Chcete -li soubor rozbalit, použijte příkaz:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Kroky k rozložení desky plošných spojů jsou následující:

• Otevřete nový projekt KiCad.
• Přejděte do editoru rozvržení desky plošných spojů.
• Vyberte tlačítko Přidat grafické čáry a vrstvu Edge. Cuts a definujte obvod desky plošných spojů.
• Vyberte tlačítko Přidat grafické čáry a vrstvu F. Cu a nakreslete prvky antény do přední měděné vrstvy.
• Vyberte tlačítko Přidat Vias a vložte dva otvory, kam bude připojen wifi adaptér.
• Vyberte tlačítko Přidat grafický mnohoúhelník a vrstvu F. Maska a do přední masky pájky nakreslete otvor, aby nezakrýval průchozí otvory. Opakujte pomocí vrstvy B. Mask a nakreslete otvor i v zadní masce pájky.
• Do vrstev sítotisku přidejte požadované další značky nebo štítky.
• Chcete -li generovat soubory Gerber, vyberte Soubor a poté Plot.

Krok 6: Vyrobte anténu

Koupili jsme PCB vyrobené z našeho rozvržení. Adafruit má seznam výrobců PCB přátelských k fanouškům. I když jsme vyzkoušeli několik výrobců PCB, opravdu nevíme, který je nejlepší. Zobrazená DPS vyrobila společnost Oshpark.

Jakmile PCB dorazí, dalším krokem je pájení na koaxiálním konektoru RG-58. DPS má dva průchozí otvory. Kolík dodávaný s konektorem je příliš krátký, takže do jednoho z průchozích otvorů připájejte malý kousek drátu. Vložte velkou pájku spojující plášť s druhým průchozím otvorem. Nyní máte směrovou wifi anténu Yagi vyrobenou z vlastní desky plošných spojů.

Odpojte adaptér Wi -Fi Amazon Basics. Odšroubujte dodanou anténu a našroubujte novou anténu DPS. Zapojte adaptér wifi zpět do rozbočovače USB. Projekt je nyní dokončen.