Raspberry Pi Zero Wifi -tilgangspunkt med tilpasset PCB -antenne: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Hva lager vi?

Tittelen på denne opplæringen har mange tekniske termer i den. La oss bryte det ned.

Hva er en Raspberry Pi Zero (Rπ0)? En Raspberry Pi Zero er en liten datamaskin. Det er den mindre versjonen av Raspberry Pi single board -datamaskinen, og den kan passe i en 30 mm x 65 mm x 5 mm eske. I tillegg til den lille størrelsen, er den veldig billig og svært lav effekt. Det er også kraftig nok til å kjøre et fullt Linux -basert operativsystem, Raspbian. Som med alle andre datamaskiner kan du bruke Rπ0 til å surfe på nettet, spille spill, bruke kontorverktøy, skrive programvare og så videre. Denne opplæringen bruker Raspberry Pi Zero Model W, som har en innebygd wifi -adapter.

Hva er en wifi -adapter? Hvis du vil bruke wifi til å koble mobiltelefonen, nettbrettet eller den bærbare datamaskinen til internett, trenger enheten en wifi -adapter. En wifi -adapter inneholder kretser og en antenne. Den konverterer datasignaler til og fra elektromagnetiske bølger med frekvens nær for eksempel 2,4 GHz. De fleste mobiltelefoner, nettbrett og bærbare datamaskiner inneholder en innebygd wifi -adapter. Du kan imidlertid også kjøpe en ekstern wifi -adapter som kobles til en datamaskin via USB. I dette prosjektet bruker vi både den interne wifi -adapteren til Rπ0, så vel som en ekstern wifi -adapter.

Hva er et wifi -tilgangspunkt? Flere mobiltelefoner, nettbrett eller datamaskiner kan kommunisere trådløst med et enkelt wifi -tilgangspunkt, og data fra disse enhetene overføres via tilgangspunktet til internett. I dette prosjektet er Rπ0 wifi -tilgangspunktet. Hvorfor vil du ha ditt eget wifi -tilgangspunkt? Enheter må være innenfor rundt 100 meter fra et tilgangspunkt for å kommunisere. Anta at det er et offentlig wifi -tilgangspunkt i sentrum av et bibliotek. Alle med en bærbar datamaskin innenfor denne avstanden kan bruke tilgangspunktet til å komme seg trådløst på internett. Hva om du vil ha tilgang i parken ved siden av biblioteket, 200 meter unna? Du kan sette et nytt tilgangspunkt i utkanten av bibliotekets eiendom, 100 m fra det første tilgangspunktet. Så kan alle som har en bærbar datamaskin innenfor 100 m fra det nye tilgangspunktet, også komme seg på nettet. Innen grenser for tilgjengelig båndbredde kan disse tilgangspunktene lenkes sammen for å spre internettilgang over et større område.

Hva er et tilpasset kretskort (PCB)? En PCB er en krets konstruert ved å avsette lag med materiale på et isolerende brett. Kobber er mønstret på ønskede steder for å danne ledninger, og det bores hull der komponenter skal plasseres. Tilpassede PCB -er er designet med spesialisert programvare. For dette prosjektet ble en tilpasset PCB designet med åpen kildekode KiCad -programvare. Designet ble deretter sendt til en produsent for å bli produsert. Å designe og bestille en tilpasset kretskort er verken dyrt eller tidkrevende. Trinnene er beskrevet nedenfor. Hvis du legger ut en PCB ved hjelp av programvare og får den produsert, får du en krets som er holdbar, presist produsert og designet etter dine nøyaktige spesifikasjoner. I dette prosjektet bruker vi en tilpasset PCB for å lage en wifi -antenne.

Hva er en antenne? Antennen er den delen av wifi -tilgangspunktets maskinvare som konverterer signaler til og fra elektromagnetisk stråling. Mange antenner kan sende og motta signaler like godt fra alle retninger. Andre antenner er retningsbestemte og fungerer mye bedre langs en bestemt retning. I dette prosjektet valgte vi å bruke en retningsantenne. Når en retningsantenne sender et signal, fokuserer den energien i en bestemt retning, så alt annet like kan en godt justert retningsantenne kommunisere over en lengre avstand enn en som ikke er retningsbestemt. Denne instruksen ble inspirert av en annen instruerbar som laget en retningsbestemt wifi -antenne av (bokstavelig talt) binders og popsicle -pinner. That Instructable inneholdt et mønster for en wifi Yagi -antenne, og antennen vår er laget av det mønsteret med små modifikasjoner. En Yagi-antenne, også kalt Yagi-Uda-antenne, er en type retningsantenne som opprinnelig ble designet i 1926. En annen flott kilde til antennedesign, i tillegg til annen informasjon om antenner, er ARRL-antenneboken.

Mens noen bruker internett flere ganger om dagen, mangler mange andre pålitelig internettilgang. Mangel på internettilgang er et problem både i landlige og urbane områder, og det er et problem i både utviklede og utviklingsland. For eksempel manglet 23% av husholdningene i Wayne County Michigan, som inkluderer Detroit, internettilgang i 2017. Løsninger på dette problemet må være rimelige fordi mange av menneskene uten datatilgang har begrensede ressurser. I tillegg må løsninger fungere uten at det krever infrastruktur, for eksempel å legge kobbertråd eller fiberoptiske kabler. I denne instruksjonen viser vi hvordan du bygger ditt eget wifi -tilgangspunkt, slik at du kan utvide internett selv.

Om denne opplæringen

Disse instruksjonene er modulære. Du kan følge deler av denne instruksjonen uten nødvendigvis å fullføre delene før eller etter den. For eksempel, hvis du er interessert i å bruke en Rπ0 som et tilgangspunkt, men ikke er så interessert i antenner, kan du bruke hvilken som helst wifi -adapter og ignorere trinnene for å lage antennen. Hvis du er interessert i å lage en tilpasset Yagi -antenne, kan du hoppe rett til den delen av opplæringen. PCB -layoutfilene for antennen er inkludert.

Trinnet for å installere wifi -adapteren og trinnet for å sette opp Rπ0 som et tilgangspunkt ble testet med Raspbian Stretch 4.14.52 og 4.14.79. Forhåpentligvis vil de fortsette å jobbe med fremtidige versjoner. Imidlertid må disse trinnene må endres hvis konfigurasjonsfiler for wifi -tilgang endres i nyere versjoner av operativsystemet.

Trinn 1: Samle rekvisita

Rekvisita som trengs for Raspberry Pi Zero Setup

• Raspberry Pi Zero W Sørg for å få modellen W som har innebygd wifi.

  

• Micro SD -kort Få minst 16 GB.
• MicroSD-kortleser
• USB -hub med MicroUSB -kontakt
• USB-tastatur og mushttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Mini-HDMI til HDMI-kabel Sørg for å få størrelsen Mini-HDMI, ikke Micro-HDMI.
• HDMI -kompatibel skjerm
• Strømforsyning Du kan bruke en USB -batteripakke i stedet.

Ytterligere rekvisita er nødvendig for å sette opp Wifi -tilgangspunktet

Amazon Basics USB Wifi Adapter med avtagbar antenne

Ytterligere rekvisita er nødvendig for den tilpassede PCB -antennen

• RG-58 loddbar kabelkontakt Digikey-delenummer CONSMA007-R58-ND
• Tilpasset kretskort
• Loddejern og liten loddetinn

Trinn 2: Sett opp Raspberry Pi Zero

Last ned Raspbian NOOBs Lite zip -filen fra https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs og pakk den ut.

Koble MicroSD -kortet til datamaskinen ved hjelp av MicroSD -kortleseren. MicroSD -kortet skal enten være nytt eller nylig formatert. Kopier filene til MicroSD -kortet.

Det neste trinnet er å koble til Rπ0 -maskinvaren. Sett inn MicroSD -kortet i Rπ0. Koble USB -huben til Rπ0, og koble tastaturet og musen til USB -huben. Koble Rπ0 til strømforsyningen, og koble den til. Amazon Basics wifi -adapter vil ikke bli brukt i dette trinnet, så la den være tilkoblet.

Følg instruksjonene i veiviseren for å installere Raspbian -operativsystemet på Rπ0. Dette trinnet innebærer:

• Logger deg på det etablerte wifi -nettverket
• Installere Raspbian Full (Vær tålmodig, dette tar en stund.)
• Angi land, tidssone og språk
• Angi et passord for bruker pi
• Koble til det etablerte wifi -nettverket
• Oppdatering (Vær tålmodig, dette tar en stund.)
• Start på nytt

På dette tidspunktet har vi en fungerende Rπ0 -datamaskin som kjører Raspbian -operativsystemet. Klikk på wifi -ikonet i øvre høyre hjørne av skjermen. Det skal vise wlan0 koblet til ditt etablerte wifi -nettverk.

Trinn 3: Installer Wifi -adapterdriveren

Amazon Basics merkevare wifi -adapter er flott for antenneprosjekter fordi den medfølgende antennen kan skrues av slik at antennen vår kan skrus på. Dessverre gjenkjenner ikke Raspbian denne wifi -adapteren. Det er en Realtek 818b -adapter med serienummer 70F11C0531F8. I henhold til https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?… krever brikken i den RTL8192EU -driveren. Den nødvendige driveren er tilgjengelig online fra MrEngman.

For å installere driveren, koble Amazon Basic wifi -adapteren til USB -huben og åpne en terminal. Skriv inn følgende kommandoer på kommandolinjen:

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

Klikk på wifi -ikonet øverst til høyre på skjermen.

Den skal vise wlan0 og wlan1, og begge skal være koblet til det etablerte wifi -nettverket. På dette tidspunktet har du en fungerende Rπ0 -datamaskin som kjører med to fungerende wifi -adaptere, den interne og den eksterne Amazon Basics wifi -adapteren.

Trinn 4: Sett opp Rπ0 som et tilgangspunkt

Det neste trinnet er å sette opp Rπ0 for å fungere som et wifi -tilgangspunkt. På slutten av dette trinnet vil den eksterne Amazon Basics wifi -adapteren kalles wlan1 av Rπ0, og den vil kommunisere med det etablerte wifi -nettverket. Den interne wifi -adapteren vil bli kalt wlan0 av Rπ0, og enheter som mobiltelefoner, nettbrett og bærbare datamaskiner kan koble til Rπ0 på det nye wifi -nettverket. Disse mobiltelefoner, nettbrett og bærbare datamaskiner vil kunne bruke dette nye wifi -tilgangspunktet til å kommunisere på internett.

Denne Rπ0 kan utvide rekkevidden til et etablert wifi -nettverk. Anta for eksempel at vi vil koble en mobiltelefon til internett, men mobiltelefonen er 200 m fra det etablerte wifi -tilgangspunktet. Mobiltelefonen kan ikke kommunisere med det etablerte wifi -tilgangspunktet så langt unna. Imidlertid kan vi plassere Rπ0 med det nye tilgangspunktet i midten. Rπ0 kan deretter bruke den eksterne wifi -adapteren til å kommunisere med det etablerte wifi -nettverket som bare er 100 m unna, og Rπ0 kan bruke den interne wifi -adapteren til å kommunisere med mobiltelefonen som også er bare 100 m unna.

Adafruit har en utmerket opplæring i hvordan du konfigurerer en Raspberry Pi som et wifi -tilgangspunkt. Opplæringen beskriver trinnene som inkluderer å sette opp wifi -tilgangspunktet, installere nødvendige pakker, redigere konfigurasjonsfiler og starte tjenester. Prosedyren har imidlertid flere trinn, og instruksjonene må endres for våre formål. Vi bruker en Rπ0 i stedet for den større Raspberry Pi, og vi etablerer en forbindelse mellom to trådløse tilgangspunkter i stedet for et kablet og trådløst tilgangspunkt. I tillegg er det nødvendig med ytterligere endringer i konfigurasjonsfiler for å konfigurere tilgangspunktet.

Vi skrev et program for å forenkle installasjonsprosessen. Den vedlagte zip -filen inneholder de modifiserte konfigurasjonsfilene som trengs, samt et lite C -program som automatiserer oppsettet av tilgangspunktet. Det er tett basert på Adafruit -opplæringen. Dette programmet sikkerhetskopierer eksisterende konfigurasjonsfiler, kopierer i de nye konfigurasjonsfilene i zip -filen og fullfører installasjonen av tilgangspunktet.

Noen ekstra pakker er nødvendig før vi kan bruke installeringsskriptet. Bruk følgende kommandoer for å installere nødvendig programvare.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Last ned den vedlagte zip -filen og lagre den i en ny katalog. Åpne en terminal og bytt til den katalogen. De neste trinnene er å pakke ut filen og kjøre installasjonsskriptet.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Dette programmet vil be deg om å skrive inn navnet på det (etablerte) wifi -nettverket og dets passord. Det vil sette opp et nytt tilgangspunkt som heter PI_AP med passordet Raspberry.

Etter at skriptet er ferdig, start Rπ0 på nytt. Hvis du klikker på nettverksikonet øverst til høyre på skjermen, står det at det ikke er funnet noen trådløse grensesnitt. Ikke bekymre deg; de eksisterer og fungerer. På dette tidspunktet eksisterer det originale wifi -nettverket, og vi har et nytt wifi -nettverk som heter Pi_AP. Ta en mobiltelefon eller annen enhet, og prøv å koble til det nye wifi -tilgangspunktet. Åpne en nettleser på enheten for å teste internettforbindelsen mens du bruker dette nye tilgangspunktet.

Følgende syv konfigurasjonsfiler endres av installasjonsprogrammet: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd og /etc/sysctl.conf. Det kan være lurt å gjøre ytterligere endringer i disse konfigurasjonsfilene. Adafruit -opplæringen nevnt ovenfor gir ytterligere detaljer. For eksempel, endre filen /etc/hostapd/hostapd.conf hvis du vil endre navnet på det nye tilgangspunktet eller passordet. Hvis du vil koble flere Rπ0 -tilgangspunkter til det etablerte nettverket, trenger hver en unik IP -adresse. Installasjonsprosessen bruker 192.168.42.1. Filene /etc/dhcp/dhcpd.conf og/etc/network/interfaces må endres. I tillegg trenger du kommandoen sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 hvor zz erstattes av et annet heltall. Også dette tilgangspunktet er testet for IPv4 -kommunikasjon. Ytterligere modifikasjoner av installasjonsprosedyren eller konfigurasjonsfilene kan være nødvendig for både IPv4- og IPv6 -kommunikasjon på tilgangspunktet.

Trinn 5: Design antennen

Å designe og lage en antenne er enklere enn det høres ut. Vår tilnærming var å starte med et mønster, endre det, simulere det for å sikre at det fortsatt tilfredsstiller våre behov, og deretter legge det ut på en PCB. Hvis du ikke vil lage din egen antenne, kan du bruke den som følger med wifi -adapteren. Alternativt, hvis du vil lage, men ikke designe eller simulere, din egen antenne, har vi lagt ved våre PCB -layoutfiler. Les imidlertid videre hvis du er interessert i antennedesign, antennesimulering eller PCB -layout. Antennen vi bruker er ikke optimalisert. Hensikten her er å vise hvordan du kan lage din egen antenne, ikke å vise en ideell antenne.

Vi ønsket en retningsantenne som fungerer på wifi -frekvenser. Instruerbare vi startet med inkluderer et detaljert mønster for en retningsbestemt Yagi -antenne som kan være laget av binders og popsicle -pinner. Vi gjorde bare en endring. Denne antennen er 42 cm lang og inneholder 15 ledende elementer. Vi ble kvitt alle bortsett fra fire av elementene, så antennen blir kortere.

Deretter simulerte vi antennen for å sikre at den fortsatt var retningsbestemt, selv med færre elementer. EZNEC av Roy Lewallen er et brukervennlig antennesimuleringsverktøy. Vi brukte demoversjonen av EZNEC 6.0. Det første trinnet for å bruke denne programvaren er å beskrive antennen. Klikk på Wires -knappen, og angi plasseringen av antenneelementene. Størrelsen og plasseringen av disse elementene er detaljert i antennemønsteret. Deretter satte vi frekvensen til 2,4 GHz for wifi -signaler, og vi valgte bakketypen til å være ledig plass. EZNEC -filen som beskriver antennen, WifiYagi.ez, er vedlagt.

Utgangen fra EZNEC -simuleringen er vist nedenfor, og den bekrefter at den modifiserte antennen fremdeles er retningsbestemt. Den venstre delen av figuren viser antennen. De svarte linjene er de ledende elementene, og den røde sirkelen på det andre elementet er der wifi -adapteren kobles til. Den høyre delen av figuren er 3D -strålingsmønsterplottet. Figuren viser signalets relative styrke i en fast avstand fra en senderantenne i forskjellige vinkler. Siden plottet er større i x -retning enn i andre retninger, er antennen retningsbestemt. Det meste av energien som sendes av antennen vil gå i x -retningen. Hvis vi orienterer denne antennen riktig, og antar at alt annet er likt, bør denne antennen kunne kommunisere over lengre avstander i x -retningen enn om vi ikke hadde brukt en retningsantenne.

Det neste trinnet er å legge ut tilpasset PCB. Selv om antennemønsteret vi startet med er enkelt å konstruere, er det vanskelig å konstruere presist. Kretskort er produsert mer nøyaktig, og de er mer holdbare. Vi brukte open source -programmet KiCad. Våre PCB -layoutfiler er vedlagt i wifi_pcb.tar.gz. For å pakke ut filen, bruk kommandoen:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Trinnene for å legge ut kretskortet er å:

• Åpne et nytt KiCad -prosjekt.
• Gå til PCB Layout Editor.
• Velg knappen Legg til grafiske linjer og Edge. Cuts -laget, og definer omkretsen til kretskortet.
• Velg knappen Legg til grafiske linjer og F. Cu -laget, og tegne antenneelementene i det fremre kobberlaget.
• Velg knappen Legg til Vias, og sett inn to hull der wifi -adapteren skal kobles til.
• Velg knappen Legg til grafisk polygon og F. Maske -laget, og tegne et hull i den fremre loddemasken slik at den ikke dekker via -hullene. Gjenta med B. Mask -laget for å tegne et hull i den bakre loddemasken også.
• Legg til eventuelle merker eller etiketter som ønskes i silketrykklagene.
• Velg Fil og deretter Plot for å generere Gerber -filer.

Trinn 6: Lag antennen

Vi kjøpte kretskort laget av vårt oppsett. Adafruit har en liste over hobbyistvennlige PCB-produsenter. Selv om vi har prøvd noen få PCB -produsenter, vet vi virkelig ikke hva som er best. PCB -en som ble vist ble produsert av Oshpark.

Når PCB kommer, er neste trinn å lodde på RG-58 koaksialkontakten. Kretskortet har to via -hull. Pinnen som følger med kontakten er for kort, så lodd et lite stykke ledning inn i et av via -hullene. Sett en stor loddepinne som forbinder skallet med det andre via hullet. Du har nå en retningsbestemt Yagi wifi -antenne laget av en tilpasset PCB.

Koble fra Amazon Basics wifi -adapter. Skru av antennen som fulgte med, og skru på den nye PCB -antennen. Koble wifi -adapteren til USB -huben igjen. Prosjektet er nå fullført.