Raspberry Pi Zero Wifi piekļuves punkts ar pielāgotu PCB antenu: 6 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:56

Ko mēs veidojam?

Šīs apmācības nosaukumā ir daudz tehnisku terminu. Sadalīsim to.

Kas ir Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero ir niecīgs dators. Tā ir mazākā Raspberry Pi viena paneļa datora versija, un tā var ietilpt kastē no 30 mm līdz 65 mm līdz 5 mm. Papildus nelielajam izmēram tas ir ļoti lēts un ļoti zems enerģijas patēriņš. Tas ir arī pietiekami spēcīgs, lai darbinātu pilnu Linux balstītu operētājsistēmu Raspbian. Tāpat kā jebkuru citu datoru, varat izmantot Rπ0, lai pārlūkotu tīmekli, spēlētu spēles, izmantotu biroja rīkus, rakstītu programmatūru utt. Šajā apmācībā tiek izmantots Raspberry Pi Zero Model W, kurā ir iebūvēts wifi adapteris.

Kas ir wifi adapteris? Ja vēlaties izmantot wifi, lai savienotu savu mobilo tālruni, planšetdatoru vai klēpjdatoru ar internetu, ierīcei ir nepieciešams wifi adapteris. Wifi adapterī ir shēma un antena. Tas pārveido datu signālus uz un no elektromagnētiskajiem viļņiem, kuru frekvence ir, piemēram, 2,4 GHz. Lielākajā daļā mobilo tālruņu, planšetdatoru un klēpjdatoru ir iebūvēts wifi adapteris. Tomēr jūs varat arī iegādāties ārēju wifi adapteri, kas savieno ar datoru, izmantojot USB. Šajā projektā mēs izmantojam gan Rπ0 iekšējo wifi adapteri, gan ārējo wifi adapteri.

Kas ir wifi piekļuves punkts? Vairāki mobilie tālruņi, planšetdatori vai datori var sazināties bezvadu režīmā, izmantojot vienu Wi -Fi piekļuves punktu, un dati no šīm ierīcēm, izmantojot piekļuves punktu, tiek pārsūtīti uz internetu. Šajā projektā Rπ0 ir wifi piekļuves punkts. Kāpēc jūs vēlaties savu wifi piekļuves punktu? Lai sazinātos, ierīcēm jāatrodas aptuveni 100 metru attālumā no piekļuves punkta. Pieņemsim, ka bibliotēkas centrā ir publisks wifi piekļuves punkts. Ikviens, kuram šajā attālumā ir klēpjdators, var izmantot piekļuves punktu, lai bezvadu režīmā piekļūtu internetam. Ko darīt, ja vēlaties piekļūt parkā, kas atrodas blakus bibliotēkai, 200 metru attālumā? Jūs varat ievietot jaunu piekļuves punktu bibliotēkas īpašuma malā, 100 m attālumā no pirmā piekļuves punkta. Pēc tam ikviens, kuram ir klēpjdators 100 metru attālumā no jaunā piekļuves punkta, var piekļūt tiešsaistē. Pieejamā joslas platuma robežās šos piekļuves punktus var savienot kopā, lai izplatītu piekļuvi internetam plašākā teritorijā.

Kas ir pielāgota iespiedshēmas plate (PCB)? PCB ir ķēde, kas izveidota, nogulsnējot materiāla slāņus uz izolācijas plāksnes. Vara vēlamajās vietās tiek veidots raksts, veidojot vadus, un vietās, kur tiks ievietotas detaļas, tiek urbti caurumi. Pielāgotas PCB ir izstrādātas, izmantojot specializētu programmatūru. Šim projektam pielāgota PCB tika izstrādāta, izmantojot atvērtā pirmkoda KiCad programmatūru. Pēc tam dizains tika nosūtīts ražotājam, lai to ražotu. Pielāgotas PCB izstrāde un pasūtīšana nav ne dārga, ne laikietilpīga. Tālāk ir detalizēti aprakstītas darbības. Ja jūs izkārtojat PCB, izmantojot programmatūru, un to izgatavojat, jūs saņemsiet ķēdi, kas ir izturīga, precīzi izgatavota un izstrādāta atbilstoši jūsu specifikācijām. Šajā projektā mēs izmantojam pielāgotu PCB, lai izveidotu wifi antenu.

Kas ir antena? Antena ir wifi piekļuves punkta aparatūras daļa, kas pārveido signālus uz elektromagnētisko starojumu un no tā. Daudzas antenas var pārraidīt un saņemt signālus vienādi labi no visiem virzieniem. Citas antenas ir virzītas, daudz labāk darbojas noteiktā virzienā. Šajā projektā mēs izvēlējāmies izmantot virziena antenu. Kad virziena antena pārraida signālu, tā koncentrē enerģiju noteiktā virzienā, tāpēc, ja viss pārējais ir vienāds, labi izlīdzināta virziena antena var sazināties ilgākā attālumā nekā tāda, kas nav virziena virziena. Šo pamācību iedvesmoja cits Instructable, kas no (burtiski) saspraudēm un spieķu nūjām izgatavoja virziena wifi antenu. Tajā Instructable bija Wi -Fi Yagi antenas modelis, un mūsu antena ir izgatavota no šī modeļa ar nelielām izmaiņām. Yagi antena, saukta arī par Yagi-Uda antenu, ir virziena antenas veids, kas sākotnēji tika izstrādāts 1926. gadā. Vēl viens lielisks antenu dizaina avots, kā arī cita informācija par antenām ir ARRL antenu grāmata.

Lai gan daži cilvēki piekļūst internetam vairākas reizes dienā, daudziem citiem trūkst uzticamas piekļuves internetam. Interneta piekļuves trūkums ir problēma gan laukos, gan pilsētās, un tā ir problēma gan attīstītajās, gan jaunattīstības valstīs. Piemēram, 23% mājsaimniecību Veina apgabalā Mičiganā, kurā ietilpst Detroita, 2017. gadā nebija piekļuves internetam. Šīs problēmas risinājumiem ir jābūt lētiem, jo daudziem cilvēkiem, kuriem nav piekļuves datoram, ir ierobežoti resursi. Turklāt risinājumiem ir jādarbojas, neprasot tādu infrastruktūru kā vara stieples vai optisko šķiedru kabeļu ieklāšana. Šajos norādījumos mēs parādām, kā izveidot savu wifi piekļuves punktu, lai jūs pats varētu paplašināt internetu.

Par šo pamācību

Šīs instrukcijas ir modulāras. Jūs varat sekot šo instrukciju daļām, nepabeidzot tās pirms vai pēc tās. Piemēram, ja vēlaties izmantot Rπ0 kā piekļuves punktu, bet neesat pārāk ieinteresēts antenās, droši izmantojiet jebkuru wifi adapteri un ignorējiet antenas izgatavošanas darbības. Ja vēlaties izveidot pielāgotu Yagi antenu, pārejiet tieši uz šo apmācības daļu. Iekļauti antenas PCB izkārtojuma faili.

Wifi adaptera instalēšanas un Rπ0 kā piekļuves punkta iestatīšanas solis tika pārbaudīts, izmantojot Raspbian Stretch 4.14.52 un 4.14.79. Cerams, ka viņi turpinās strādāt ar nākamajām versijām. Tomēr šīs darbības, iespējams, būs jāmaina, ja jaunākajās operētājsistēmas versijās mainās wifi piekļuves konfigurācijas faili.

1. darbība: apkopojiet materiālus

Materiāli, kas nepieciešami Raspberry Pi Zero Setup

• Raspberry Pi Zero W Pārliecinieties, ka iegūstat W modeli, kurā ir iebūvēts bezvadu internets.

  

• Micro SD karte Iegūstiet vienu vismaz 16 GB.
• MicroSD karšu lasītājs
• USB centrmezgls ar MicroUSB savienotājuhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• USB tastatūra un pele
• Pārliecinieties, ka iegūstat Mini-HDMI, nevis Micro-HDMI izmēru.
• Ar HDMI saderīgs monitors
• Barošanas avots Tā vietā varat izmantot USB akumulatoru.

Papildu piederumi, kas nepieciešami Wifi piekļuves punkta iestatīšanai

Amazon Basics USB Wifi adapteris ar noņemamu antenu

Papildu piederumi, kas nepieciešami pielāgotajai PCB antenai

• RG-58 lodējams kabeļa savienotājsDigikey daļas numurs CONSMA007-R58-ND
• Pielāgota iespiedshēmas plate
• Lodāmurs un neliels lodēšanas daudzums

2. darbība: iestatiet Raspberry Pi Zero

Lejupielādējiet Raspbian NOOBs Lite zip failu no vietnes https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs un izpakojiet to.

Pievienojiet MicroSD karti datoram, izmantojot MicroSD karšu lasītāju. MicroSD kartei jābūt jaunai vai nesen formatētai. Kopējiet failus uz MicroSD karti.

Nākamais solis ir savienot Rπ0 aparatūru. Ievietojiet MicroSD karti Rπ0. Pievienojiet USB centrmezglu Rπ0 un tastatūru un peli USB centrmezglam. Pievienojiet Rπ0 strāvas padevei un pievienojiet to. Amazon Basics wifi adapteris šajā solī netiks izmantots, tāpēc atstājiet to nesavienotu.

Izpildiet vedņa norādījumus, lai instalētu Raspbian operētājsistēmu Rπ0. Šis solis ietver:

• Piesakoties izveidotajā wifi tīklā
• Raspbian Full instalēšana (esiet pacietīgs, tas aizņem kādu laiku.)
• Valsts, laika joslas un valodas iestatīšana
• Paroles iestatīšana lietotājam pi
• Savienojuma izveide ar izveidoto wifi tīklu
• Atjaunināšana (esiet pacietīgs, tas aizņem kādu laiku.)
• Atsāknēšana

Šajā brīdī mums ir strādājošs Rπ0 dators, kurā darbojas Raspbian operētājsistēma. Ekrāna augšējā labajā stūrī noklikšķiniet uz wifi ikonas. Tam vajadzētu parādīt wlan0, kas savienots ar jūsu izveidoto wifi tīklu.

3. darbība: instalējiet Wifi adaptera draiveri

Amazon Basics zīmola wifi adapteris ir lieliski piemērots antenu projektiem, jo komplektā iekļauto antenu var atskrūvēt, lai mūsu antenu varētu pieskrūvēt. Diemžēl Raspbian neatpazīst šo wifi adapteri. Tas ir Realtek 818b adapteris ar sērijas numuru 70F11C0531F8. Saskaņā ar https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, tajā esošajai mikroshēmai ir nepieciešams RTL8192EU draiveris. Nepieciešamais draiveris ir pieejams tiešsaistē no MrEngman.

Lai instalētu draiveri, pievienojiet Amazon Basic wifi adapteri USB centrmezglam un atveriet termināli. Komandrindā ievadiet šādas komandas:

sudo wget https://fars-robotics.net/install-wifi -O/usr/bin/install-wifi

sudo chmod +x/usr/bin/install-wifi sudo instalēt-wifi -h sudo instalēt-wifi

Ekrāna augšējā labajā stūrī noklikšķiniet uz wifi ikonas.

Tam vajadzētu parādīt wlan0 un wlan1, un abiem jābūt savienotiem ar izveidoto wifi tīklu. Šajā brīdī jums ir strādājošs Rπ0 dators, kurā darbojas divi strādājoši wifi adapteri, iekšējais un ārējais Amazon Basics wifi adapteris.

4. darbība: iestatiet Rπ0 kā piekļuves punktu

Nākamais solis ir iestatīt Rπ0, lai tas darbotos kā wifi piekļuves punkts. Šī soļa beigās ārējo Amazon Basics wifi adapteri Rπ0 sauks par wlan1, un tas sazināsies ar izveidoto wifi tīklu. Iekšējo wifi adapteri Rπ0 sauks par wlan0, un tādas ierīces kā mobilie tālruņi, planšetdatori un klēpjdatori var izveidot savienojumu ar Rπ0 jaunajā wifi tīklā. Šie mobilie tālruņi, planšetdatori un klēpjdatori varēs izmantot šo jauno wifi piekļuves punktu, lai sazinātos internetā.

Šis Rπ0 var paplašināt izveidotā wifi tīkla diapazonu. Piemēram, pieņemsim, ka vēlamies pieslēgt mobilo tālruni internetam, bet mobilais tālrunis atrodas 200 m attālumā no izveidotā wifi piekļuves punkta. Mobilais tālrunis, iespējams, nevarēs sazināties ar tik tālu izveidotu Wi -Fi piekļuves punktu. Tomēr mēs varam novietot Rπ0 ar jauno piekļuves punktu vidū. Pēc tam Rπ0 var izmantot ārējo wifi adapteri, lai sazinātos ar izveidoto wifi tīklu, kas atrodas tikai 100 m attālumā, un Rπ0 var izmantot iekšējo wifi adapteri, lai sazinātos ar mobilo tālruni, kas atrodas arī tikai 100 m attālumā.

Adafruit ir lieliska apmācība par to, kā iestatīt Raspberry Pi kā wifi piekļuves punktu. Apmācībā ir sīki aprakstītas darbības, kas ietver wifi piekļuves punkta iestatīšanu, nepieciešamo pakotņu instalēšanu, konfigurācijas failu rediģēšanu un pakalpojumu palaišanu. Tomēr procedūrai ir vairāki soļi, un mūsu nolūkos instrukcijas ir jāmaina. Mēs izmantojam Rπ0, nevis lielāku Raspberry Pi, un mēs izveidojam savienojumu starp diviem bezvadu piekļuves punktiem, nevis vadu un bezvadu piekļuves punktu. Turklāt, lai veiksmīgi iestatītu piekļuves punktu, ir nepieciešamas papildu izmaiņas konfigurācijas failos.

Mēs uzrakstījām programmu, lai vienkāršotu instalēšanas procesu. Pievienotajā zip failā ir nepieciešamie modificētie konfigurācijas faili, kā arī neliela C programma, kas automatizē piekļuves punkta iestatīšanu. Tas ir cieši balstīts uz Adafruit apmācību. Šī programma dublē esošos konfigurācijas failus, kopijas jaunajos konfigurācijas failos, kas atrodas zip failā, un pabeidz piekļuves punkta instalēšanu.

Pirms mēs varam izmantot instalēšanas skriptu, ir nepieciešamas dažas papildu paketes. Lai instalētu nepieciešamo programmatūru, izmantojiet šādas komandas.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Lejupielādējiet pievienoto zip failu un saglabājiet to jaunā direktorijā. Atveriet termināli un pārejiet uz šo direktoriju. Nākamie soļi ir izpakot failu un palaist instalēšanas skriptu.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Šī programma liks jums ievadīt (izveidotā) wifi tīkla nosaukumu un tā paroli. Tas izveidos jaunu piekļuves punktu ar nosaukumu PI_AP ar paroli Raspberry.

Pēc skripta pabeigšanas restartējiet Rπ0. Tagad, noklikšķinot uz tīkla ikonas ekrāna augšējā labajā pusē, tiek teikts, ka bezvadu saskarnes nav atrastas. Neuztraucieties; tie pastāv un darbojas. Šobrīd pastāv sākotnējais wifi tīkls, un mums ir jauns wifi tīkls ar nosaukumu Pi_AP. Paņemiet mobilo tālruni vai citu ierīci un mēģiniet izveidot savienojumu ar jauno wifi piekļuves punktu. Atveriet ierīcē tīmekļa pārlūkprogrammu, lai pārbaudītu interneta savienojumu, vienlaikus izmantojot šo jauno piekļuves punktu.

Instalācijas programma maina šādus septiņus konfigurācijas failus: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd un /etc/sysctl.conf. Iespējams, vēlēsities veikt papildu izmaiņas šajos konfigurācijas failos. Iepriekš minētajā Adafruit apmācībā ir sniegta papildu informācija. Piemēram, mainiet failu /etc/hostapd/hostapd.conf, ja vēlaties mainīt jaunā piekļuves punkta nosaukumu vai tā paroli. Ja vēlaties savam izveidotajam tīklam pieslēgt vairākus Rπ0 piekļuves punktus, katram no tiem ir nepieciešama unikāla IP adrese. Instalēšanas procesā tiek izmantots 192.168.42.1. Būs jāmaina faili /etc/dhcp/dhcpd.conf un/etc/network/interfaces. Turklāt jums būs nepieciešama komanda sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, kur zz tiek aizstāts ar citu veselu skaitli. Turklāt šim piekļuves punktam ir pārbaudīta tikai IPv4 komunikācija. Papildu izmaiņas instalēšanas procedūrā vai konfigurācijas failos var būt nepieciešamas gan IPv4, gan IPv6 komunikācijai piekļuves punktā.

5. darbība: izveidojiet antenu

Antenas projektēšana un izgatavošana ir vieglāka, nekā izklausās. Mūsu pieeja bija sākt ar modeli, to pārveidot, simulēt, lai pārliecinātos, ka tas joprojām atbilst mūsu vajadzībām, un pēc tam izkārtot to uz PCB. Ja nevēlaties izveidot savu antenu, izmantojiet to, kas tiek piegādāta kopā ar wifi adapteri. Alternatīvi, ja vēlaties izveidot savu antenu, bet ne projektēt vai simulēt, mēs esam pievienojuši mūsu PCB izkārtojuma failus. Tomēr lasiet tālāk, ja jūs interesē antenas dizains, antenas simulācija vai PCB izkārtojums. Mūsu izmantotā antena nav optimizēta. Mērķis šeit ir parādīt, kā jūs varat izveidot savu antenu, nevis parādīt ideālu antenu.

Mēs vēlējāmies virziena antenu, kas darbojas ar wifi frekvencēm. Instructable, ar kuru mēs sākām, ietver detalizētu virziena Yagi antenas modeli, ko var izgatavot no saspraudēm un spieķu nūjām. Mēs veicām tikai vienu modifikāciju. Šī antena ir 42 cm gara un satur 15 vadošus elementus. Mēs atbrīvojāmies no visiem elementiem, izņemot četrus, tāpēc antena būs īsāka.

Tālāk mēs simulējām antenu, lai nodrošinātu, ka tā joprojām ir virziena virzienā, pat ja ir mazāk elementu. EZNECby Roy Lewallen ir viegli lietojams antenas simulācijas rīks. Mēs izmantojām EZNEC 6.0 demo versiju. Pirmais solis šīs programmatūras izmantošanā ir aprakstīt antenu. Noklikšķiniet uz pogas Vadi un ievadiet antenas elementu atrašanās vietu. Šo elementu izmērs un atrašanās vieta ir detalizēti norādīta antenas modelī. Tālāk mēs iestatījām frekvenci 2,4 GHz wifi signāliem, un mēs izvēlējāmies zemes veidu, lai būtu brīva vieta. Pievienots EZNEC fails, kas apraksta antenu, WifiYagi.ez.

EZNEC simulācijas izeja ir parādīta zemāk, un tā pārbauda, vai modificētā antena joprojām ir virziena virziena. Attēla kreisajā daļā ir redzama antena. Melnās līnijas ir vadoši elementi, un sarkanais aplis otrā elementā ir vieta, kur savienojas wifi adapteris. Attēla labā daļa ir 3D starojuma paraugs. Attēlā parādīts signāla relatīvais stiprums noteiktā attālumā no raidīšanas antenas dažādos leņķos. Tā kā diagramma ir lielāka x virzienā nekā citos virzienos, antena ir virziena virzienā. Lielākā daļa enerģijas, ko pārraida antena, dosies x virzienā. Ja mēs pareizi orientējam šo antenu un pieņemam, ka viss pārējais ir vienāds, šai antenai jāspēj sazināties lielākos attālumos x virzienā nekā tad, ja mēs nebūtu izmantojuši virziena antenu.

Nākamais solis ir pielāgotās PCB izkārtojums. Lai gan antenas modeli, ar kuru mēs sākām, ir viegli izveidot, to ir grūti precīzi izveidot. Iespiestas shēmas plates tiek ražotas precīzāk, un tās ir izturīgākas. Mēs izmantojām atvērtā koda programmu KiCad. Mūsu PCB izkārtojuma faili ir pievienoti vietnē wifi_pcb.tar.gz. Lai izpakotu failu, izmantojiet komandu:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

PCB izvietošanas soļi ir šādi:

• Atveriet jaunu KiCad projektu.
• Dodieties uz PCB izkārtojuma redaktoru.
• Atlasiet pogu Pievienot grafiskās līnijas un Edge. Cuts slāni un definējiet PCB perimetru.
• Atlasiet pogu Pievienot grafiskās līnijas un F. Cu slāni un uzzīmējiet antenas elementus priekšējā vara slānī.
• Atlasiet pogu Pievienot Vias un ievietojiet divus caurumus, kur tiks pievienots wifi adapteris.
• Atlasiet pogu Pievienot grafisko daudzstūri un slāni F. Maska un ievelciet caurumu priekšējā lodēšanas maskā, lai tā neaizklātu caurumus. Atkārtojiet, izmantojot B. Mask slāni, lai ievilktu caurumu arī aizmugurējā lodēšanas maskā.
• Pievienojiet sietspiedes slāņiem visas nepieciešamās papildu zīmes vai etiķetes.
• Lai ģenerētu Gerber failus, atlasiet Fails un pēc tam Zīmēt.

6. darbība: izveidojiet antenu

Mēs iegādājāmies PCB, kas izgatavoti no mūsu izkārtojuma. Adafruit ir saraksts ar hobijiem draudzīgiem PCB ražotājiem. Lai gan mēs esam izmēģinājuši dažus PCB ražotājus, mēs patiešām nezinām, kurš ir labākais. Parādīto PCB izgatavoja Oshpark.

Kad PCB ir ieradies, nākamais solis ir pielodēt RG-58 koaksiālo savienotāju. PCB ir divi caurumi. Spraudnis, kas tiek piegādāts kopā ar savienotāju, ir pārāk īss, tāpēc lodējiet nelielu stieples gabalu vienā no caurumiem. Ielieciet lielu lodēšanas punktu, kas savieno apvalku ar otru caur caurumu. Tagad jums ir virziena Yagi wifi antena, kas izgatavota no pielāgotas PCB.

Atvienojiet Amazon Basics wifi adapteri. Atskrūvējiet komplektācijā iekļauto antenu un pieskrūvējiet jauno PCB antenu. Pievienojiet wifi adapteri atpakaļ USB centrmezglam. Projekts tagad ir pabeigts.