Raspberry Pi Zero Wifi точка за достъп с персонализирана антена за печатни платки: 6 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Какво правим?

Заглавието на този урок съдържа много технически термини. Нека го разбием.

Какво е Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero е малък компютър. Това е по -малката версия на едноплатовия компютър Raspberry Pi и може да се побере в кутия 30 мм на 65 мм на 5 мм. В допълнение към малкия си размер, той е много евтин и с много ниска мощност. Той също е достатъчно мощен, за да работи с пълна Linux базирана операционна система, Raspbian. Както при всеки друг компютър, можете да използвате Rπ0, за да сърфирате в мрежата, да играете игри, да използвате офис инструменти, да пишете софтуер и т.н. Този урок използва Raspberry Pi Zero Model W, който има вграден wifi адаптер.

Какво е wifi адаптер? Ако искате да използвате wifi за свързване на вашия мобилен телефон, таблет или лаптоп към интернет, вашето устройство се нуждае от wifi адаптер. Wi -Fi адаптер съдържа схема и антена. Той преобразува сигнали от данни към и от електромагнитни вълни с честота близо, например, 2,4 GHz. Повечето мобилни телефони, таблети и лаптопи съдържат вграден wifi адаптер. Можете обаче да закупите и външен wifi адаптер, който се свързва с компютър чрез USB. В този проект използваме както вътрешния wifi адаптер на Rπ0, така и външен wifi адаптер.

Какво е точка за достъп до wifi? Множество мобилни телефони, таблети или компютри могат да комуникират безжично с една точка за достъп до wifi, а данните от тези устройства се прехвърлят през точката за достъп до интернет. В този проект Rπ0 е точката за достъп до wifi. Защо искате вашата собствена точка за достъп до wifi? Устройствата трябва да са на около 100 метра от точка за достъп, за да комуникират. Да предположим, че в центъра на библиотеката има обществена точка за достъп до wifi. Всеки, който има лаптоп на това разстояние, може да използва точката за достъп за безжично онлайн. Ами ако искате достъп в парка до библиотеката, на 200 метра? Можете да поставите нова точка за достъп в края на имота на библиотеката, на 100 м от първата точка за достъп. След това всеки, който има лаптоп в рамките на 100 м от тази нова точка за достъп, също може да влезе онлайн. В границите на наличната честотна лента тези точки за достъп могат да бъдат свързани заедно, за да разпространят достъпа до интернет в по -широка област.

Какво представлява персонализирана печатна платка (PCB)? ПХБ е верига, изградена чрез нанасяне на слоеве от материал върху изолационна плоча. Медта е оформена на желани места, за да образува проводници, и се пробиват дупки, където ще бъдат поставени компоненти. Персонализираните платки са проектирани с помощта на специализиран софтуер. За този проект е проектирана персонализирана печатна платка, използваща софтуера KiCad с отворен код. След това дизайнът е изпратен на производител, за да бъде произведен. Проектирането и поръчването на персонализирана печатна платка не е нито скъпо, нито отнема много време. Стъпките са подробно описани по -долу. Ако поставите печатна платка с помощта на софтуер и я произведете, получавате схема, която е издръжлива, прецизно произведена и проектирана според вашите точни спецификации. В този проект използваме персонализирана печатна платка, за да направим wifi антена.

Какво е антена? Антената е частта от хардуера на wifi точката за достъп, която преобразува сигнали към и от електромагнитно излъчване. Много антени могат да предават и приемат сигнали еднакво добре от всички посоки. Други антени са насочени, работят много по -добре в определена посока. В този проект избрахме да използваме насочена антена. Когато насочена антена предава сигнал, тя фокусира енергията в определена посока, така че, при всички останали равни, добре подредената насочена антена може да комуникира на по -голямо разстояние от тази, която не е насочена. Този Instructable е вдъхновен от друг Instructable, който направи насочена wifi антена от (буквално) кламери и пръчици за сладкиши. Този Instructable съдържа модел за wifi антена Yagi и нашата антена е направена от този модел с леки модификации. Антена Yagi, наричана още антена Yagi-Uda, е вид насочена антена, първоначално проектирана през 1926 г. Друг чудесен източник на дизайн на антени, както и друга информация за антените, е книгата за антени ARRL.

Докато някои хора имат достъп до интернет няколко пъти на ден, много други хора нямат надежден достъп до интернет. Липсата на достъп до интернет е проблем както в селските, така и в градските райони и е проблем както в развитите, така и в развиващите се страни. Например 23% от домакинствата в окръг Уейн, Мичиган, което включва Детройт, нямаха достъп до интернет през 2017 г. Решенията на този проблем трябва да бъдат евтини, тъй като много от хората без достъп до компютър имат ограничени ресурси. Освен това решенията трябва да работят, без да изискват инфраструктура, като например полагане на медна жица или оптични кабели. В тези инструкции ние показваме как да изградите своя собствена точка за достъп до wifi, за да можете сами да разширите интернет.

За този урок

Тези инструкции са модулни. Можете да следвате части от тези инструкции, без задължително да попълвате частите преди или след него. Например, ако се интересувате от използването на Rπ0 като точка за достъп, но не се интересувате прекалено много от антените, не се колебайте да използвате всеки wifi адаптер и да пренебрегнете стъпките, свързани с направата на антената. Ако се интересувате от направата на персонализирана антена Yagi, преминете направо към тази част от урока. Включени са файловете за оформление на печатната платка за антената.

Стъпката за инсталиране на wifi адаптера и стъпката за настройка на Rπ0 като точка за достъп бяха тествани с помощта на Raspbian Stretch 4.14.52 и 4.14.79. Надяваме се, че те ще продължат да работят с бъдещите версии. Тези стъпки обаче може да се наложи да бъдат променени, ако конфигурационните файлове за достъп до wifi се променят в по -новите версии на операционната система.

Стъпка 1: Съберете консумативи

Необходими консумативи за настройка на Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero W Уверете се, че сте получили модела W, който има вграден wifi. Https: //www.adafruit.com/product/3400

  

• Micro SD карта Вземете поне 16GB. Https: //www.amazon.com/gp/product/B073JWXGNT
• Четец на MicroSD карти
• USB концентратор с MicroUSB конектор
• USB клавиатура и мишкаhttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Кабел Mini-HDMI към HDMI Уверете се, че сте получили размер Mini-HDMI, а не Micro-HDMI.
• HDMI съвместим монитор
• Захранване Можете вместо това да използвате USB батерия. Https: //www.adafruit.com/product/1995

Допълнителни консумативи, необходими за настройка на Wi -Fi точката за достъп

Основи на Amazon USB Wi-Fi адаптер със сваляща се антена

Необходими са допълнителни консумативи за персонализирана антена за печатни платки

• RG-58 Solderable Cable ConnectorDigikey номер на част CONSMA007-R58-ND
• Персонализирана печатна платка
• Поялник и малко количество спойка

Стъпка 2: Настройте Raspberry Pi Zero

Изтеглете zip файла Raspbian NOOBs Lite от https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs и го разархивирайте.

Свържете MicroSD картата към компютъра с помощта на четеца на MicroSD карти. MicroSD картата трябва да бъде нова или новоформатирана. Копирайте файловете на MicroSD картата.

Следващата стъпка е да свържете хардуера Rπ0. Поставете MicroSD картата в Rπ0. Свържете USB концентратора към Rπ0 и свържете клавиатурата и мишката към USB концентратора. Свържете Rπ0 към захранването и го включете. Wifi адаптерът на Amazon Basics няма да се използва в тази стъпка, затова го оставете без връзка.

Следвайте инструкциите в съветника, за да инсталирате операционната система Raspbian на Rπ0. Тази стъпка включва:

• Влизане в установената wifi мрежа
• Инсталиране на Raspbian Full (Бъдете търпеливи, това отнема известно време.)
• Задаване на държава, часова зона и език
• Задаване на парола за потребителя pi
• Свързване към установената wifi мрежа
• Актуализиране (Бъдете търпеливи, това отнема известно време.)
• Рестартиране

На този етап имаме работещ компютър Rπ0, работещ с операционната система Raspbian. Кликнете върху иконата на wifi в горния десен ъгъл на екрана. Той трябва да показва wlan0, свързан с вашата установена wifi мрежа.

Стъпка 3: Инсталирайте драйвера за Wi -Fi адаптер

Wi -Fi адаптерът на марката Amazon Basics е чудесен за проекти за антени, тъй като доставената антена може да се развие, за да може нашата антена да се завинтва. За съжаление, Raspbian не разпознава този wifi адаптер. Това е адаптер Realtek 818b със сериен номер 70F11C0531F8. Според https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, чипът в него изисква драйвер RTL8192EU. Необходимият драйвер е достъпен онлайн от MrEngman.

За да инсталирате драйвера, включете Amazon Basic wifi адаптера в USB концентратора и отворете терминал. Въведете следните команди в командния ред:

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

Кликнете върху иконата на wifi в горния десен ъгъл на екрана.

Той трябва да показва wlan0 и wlan1 и двата трябва да бъдат свързани към установената wifi мрежа. В този момент имате работещ компютър Rπ0, работещ с два работещи wifi адаптера, вътрешния и външния wifi адаптер на Amazon Basics.

Стъпка 4: Настройте Rπ0 като точка за достъп

Следващата стъпка е да настроите Rπ0 да действа като точка за достъп до wifi. В края на тази стъпка външният wifi адаптер на Amazon Basics ще бъде наречен wlan1 от Rπ0 и той ще комуникира с установената wifi мрежа. Вътрешният wifi адаптер ще се нарича wlan0 от Rπ0, а устройства като мобилни телефони, таблети и лаптопи могат да се свързват с Rπ0 в новата wifi мрежа. Тези мобилни телефони, таблети и лаптопи ще могат да използват тази нова точка за достъп до wifi за комуникация в интернет.

Този Rπ0 може да разшири обхвата на установена wifi мрежа. Да предположим например, че искаме да свържем мобилен телефон с интернет, но мобилният телефон е на 200 м от установената точка за достъп до wifi. Мобилният телефон може да не може да комуникира с установена точка за достъп до wifi толкова далеч. Можем обаче да поставим Rπ0 с новата точка за достъп в средата. След това Rπ0 може да използва външния wifi адаптер за комуникация с установената wifi мрежа, която е само на 100 m, а Rπ0 може да използва вътрешния wifi адаптер за комуникация с мобилния телефон, който също е само на 100 m.

Adafruit има отличен урок за това как да настроите Raspberry Pi като точка за достъп до wifi. Урокът подробно описва стъпките, които включват настройка на точката за достъп до wifi, инсталиране на необходимите пакети, редактиране на конфигурационни файлове и стартиране на услуги. Процедурата обаче има няколко стъпки и инструкциите трябва да бъдат променени за нашите цели. Използваме Rπ0 вместо по -големия Raspberry Pi и установяваме връзка между две безжични точки за достъп вместо жична и безжична точка за достъп. Освен това са необходими допълнителни промени в конфигурационните файлове за успешно настройване на точката за достъп.

Написахме програма за опростяване на процеса на инсталиране. Прикаченият zip файл съдържа необходимите модифицирани конфигурационни файлове, както и малка C програма, която автоматизира настройката на точката за достъп. Тя е тясно базирана на урока Adafruit. Тази програма архивира съществуващите конфигурационни файлове, копира в новите конфигурационни файлове, съдържащи се в zip файла, и завършва инсталирането на точката за достъп.

Необходими са някои допълнителни пакети, преди да можем да използваме скрипта за инсталиране. Използвайте следните команди, за да инсталирате необходимия софтуер.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Изтеглете прикачения zip файл и го запазете в нова директория. Отворете терминал и преминете към тази директория. Следващите стъпки са да разархивирате файла и да стартирате скрипта за инсталиране.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Тази програма ще ви подкани да въведете името на (установената) wifi мрежа и нейната парола. Той ще настрои нова точка за достъп с име PI_AP с парола Raspberry.

След като скриптът е готов, рестартирайте Rπ0. Сега, ако кликнете върху иконата на мрежата в горната дясна част на екрана, тя казва, че не са намерени безжични интерфейси. Не се притеснявайте; те съществуват и работят. На този етап съществува оригиналната wifi мрежа и имаме нова wifi мрежа на име Pi_AP. Вземете мобилен телефон или друго устройство и се опитайте да се свържете с новата точка за достъп до wifi. Отворете уеб браузър на устройството, за да тествате интернет връзката, докато използвате тази нова точка за достъп.

Следните седем конфигурационни файла са променени от инсталационната програма: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd и /etc/sysctl.conf. Може да искате да направите допълнителни промени в тези конфигурационни файлове. Урокът Adafruit, споменат по -горе, предоставя допълнителни подробности. Например, променете файла /etc/hostapd/hostapd.conf, ако искате да промените името на новата си точка за достъп или нейната парола. Ако искате да свържете множество точки за достъп Rπ0 към вашата установена мрежа, всяка от тях се нуждае от уникален IP адрес. Процесът на инсталиране използва 192.168.42.1. Файловете /etc/dhcp/dhcpd.conf и/etc/network/интерфейси ще трябва да бъдат променени. Освен това ще ви е необходима командата sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, където zz се заменя с друго цяло число. Също така, тази точка за достъп е тествана само за IPv4 комуникация. Може да са необходими допълнителни промени в процедурата за инсталиране или конфигурационните файлове както за IPv4, така и за IPv6 комуникация на точката за достъп.

Стъпка 5: Проектирайте антената

Проектирането и направата на антена е по -лесно, отколкото звучи. Нашият подход беше да започнем с модел, да го модифицираме, да го симулираме, за да гарантираме, че все още отговаря на нашите нужди, и след това да го поставим на печатна платка. Ако не искате да направите своя собствена антена, използвайте тази, която се доставя с wifi адаптера. Като алтернатива, ако искате да направите, но не проектирате или симулирате собствена антена, ние сме прикачили нашите файлове за оформление на печатни платки. Прочетете обаче, ако се интересувате от дизайн на антената, симулация на антена или оформление на печатни платки. Антената, която използваме, не е оптимизирана. Целта тук е да покажете как можете да направите своя собствена антена, а не да покажете идеална антена.

Искахме насочена антена, която работи на wifi честоти. Инструктажът, с който започнахме, включва подробен образец за насочена антена Yagi, която може да бъде направена от кламери и клечки за сладкиши. Направихме само една модификация. Тази антена е дълга 42 см и съдържа 15 проводими елемента. Отървахме се от всички елементи, с изключение на четири, така че антената ще бъде по -къса.

След това симулирахме антената, за да гарантираме, че все още е насочена, дори с по -малко елементи. EZNECby Roy Lewallen е лесен за използване инструмент за симулация на антена. Използвахме демо версията на EZNEC 6.0. Първата стъпка към използването на този софтуер е да се опише антената. Щракнете върху бутона Wires и въведете местоположението на антенните елементи. Размерът и местоположението на тези елементи са подробно описани в схемата на антената. След това зададохме честотата на 2,4 GHz за wifi сигнали и избрахме типа на земята да бъде свободно пространство. Прикачен е файлът EZNEC, описващ антената, WifiYagi.ez.

Изходът на симулацията на EZNEC е показан по -долу и той проверява дали модифицираната антена все още е насочена. Лявата част на фигурата показва антената. Черните линии са проводящи елементи, а червеният кръг на втория елемент е мястото, където се свързва wifi адаптерът. Дясната част на фигурата е графиката на 3D излъчване. Фигурата показва относителната сила на сигнала на фиксирано разстояние от предавателна антена под различни ъгли. Тъй като графиката е по -голяма в посока x, отколкото в други посоки, антената е насочена. По -голямата част от енергията, предавана от антената, ще отиде в посока x. Ако правилно ориентираме тази антена и приемаме, че всичко останало е равно, тази антена би трябвало да може да комуникира на по -големи разстояния в посока x, отколкото ако не бяхме използвали насочена антена.

Следващата стъпка е да поставите персонализирана печатна платка. Докато моделът на антената, с който започнахме, е лесен за изграждане, трудно е да се изгради точно. Печатните платки се произвеждат по -точно и са по -издръжливи. Използвахме програмата с отворен код KiCad. Нашите файлове за оформление на печатни платки са приложени в wifi_pcb.tar.gz. За да разархивирате файла, използвайте командата:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Стъпките за поставяне на печатни платки са:

• Отворете нов проект на KiCad.
• Отидете в редактора за оформление на печатни платки.
• Изберете бутона Добавяне на графични линии и слоя Edge. Cuts и определете периметъра на печатната платка.
• Изберете бутона Добавяне на графични линии и слоя F. Cu и нарисувайте антенните елементи в предния меден слой.
• Изберете бутона Add Vias и поставете две дупки, където ще бъде свързан wifi адаптерът.
• Изберете бутона Добавяне на графичен полигон и слоя F. Mask и начертайте дупка в маската на предната спойка, така че да не покрива проходните отвори. Повторете с помощта на слоя B. Mask, за да начертаете дупка и в маската на задната спойка.
• Добавете всякакви допълнителни маркировки или етикети към слоевете от копринено сито.
• Изберете File, след това Plot за генериране на Gerber файлове.

Стъпка 6: Направете антената

Купихме печатни платки, направени от нашето оформление. Adafruit има списък с производители на печатни платки, подходящи за любители. Докато сме опитвали няколко производители на PCB, ние наистина не знаем кой е най -добрият. Показаната платка е произведена от Oshpark.

След като печатната платка пристигне, следващата стъпка е да запоите коаксиалния конектор RG-58. ПХБ има два проходни отвора. Щифтът, който се доставя с конектора, е твърде къс, така че запойте малко парче тел в един от проходните отвори. Поставете голяма точка на спойка, свързваща черупката към другата през отвора. Вече имате насочена Yagi wifi антена, направена от персонализирана печатна платка.

Изключете wifi адаптера на Amazon Basics. Развийте антената, с която е доставена, и завийте новата антена за печатни платки. Включете отново wifi адаптера към USB концентратора. Проектът вече е завършен.