Raspberry Pi Zero Wifi Access Point med en brugerdefineret PCB -antenne: 6 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Hvad laver vi?

Titlen på denne vejledning har masser af tekniske termer i den. Lad os bryde det ned.

Hvad er en Raspberry Pi Zero (Rπ0)? En Raspberry Pi Zero er en lille computer. Det er den mindre version af Raspberry Pi single board computeren, og den kan passe i en 30 mm x 65 mm x 5 mm boks. Ud over sin lille størrelse er den meget billig og meget lav effekt. Det er også stærkt nok til at køre et fuldt Linux -baseret operativsystem, Raspbian. Som med enhver anden computer kan du bruge Rπ0 til at surfe på internettet, spille spil, bruge kontorværktøjer, skrive software og så videre. Denne vejledning bruger Raspberry Pi Zero Model W, som har en indbygget wifi -adapter.

Hvad er en wifi -adapter? Hvis du vil bruge wifi til at slutte din mobiltelefon, tablet eller bærbare computer til internettet, har din enhed brug for en wifi -adapter. En wifi -adapter indeholder kredsløb og en antenne. Den konverterer datasignaler til og fra elektromagnetiske bølger med frekvens nær for eksempel 2,4 GHz. De fleste mobiltelefoner, tablets og bærbare computere indeholder en indbygget wifi -adapter. Du kan dog også købe en ekstern wifi -adapter, der tilsluttes en computer via USB. I dette projekt bruger vi både den interne wifi -adapter på Rπ0 samt en ekstern wifi -adapter.

Hvad er et wifi -adgangspunkt? Flere mobiltelefoner, tablets eller computere kan kommunikere trådløst med et enkelt wifi -adgangspunkt, og data fra disse enheder overføres via adgangspunktet til internettet. I dette projekt er Rπ0 wifi -adgangspunktet. Hvorfor vil du have dit eget wifi -adgangspunkt? Enheder skal være inden for omkring 100 meter fra et adgangspunkt for at kommunikere. Antag, at der er et offentligt wifi -adgangspunkt i midten af et bibliotek. Alle med en bærbar computer inden for denne afstand kan bruge adgangspunktet til trådløst at komme online. Hvad hvis du vil have adgang i parken ved siden af biblioteket, 200 meter væk? Du kan sætte et nyt adgangspunkt i udkanten af bibliotekets ejendom, 100 m fra det første adgangspunkt. Så kan alle med en bærbar computer inden for 100 m fra det nye adgangspunkt også komme online. Inden for grænser for tilgængelig båndbredde kan disse adgangspunkter kædes sammen for at sprede internetadgang over et større område.

Hvad er et brugerdefineret printkort (PCB)? Et printkort er et kredsløb konstrueret ved at deponere lag af materiale på et isolerende bræt. Kobber er mønstret på de ønskede steder for at danne ledninger, og der bores huller, hvor komponenterne skal placeres. Tilpassede printkort er designet ved hjælp af specialiseret software. Til dette projekt blev en brugerdefineret print designet med KiCad -softwaren med open source. Designet blev derefter sendt til en producent for at blive produceret. Design og bestilling af et brugerdefineret print er hverken dyrt eller tidskrævende. Trinene er detaljeret nedenfor. Hvis du lægger et printkort ved hjælp af software og får det fremstillet, får du et kredsløb, der er holdbart, præcist fremstillet og designet til dine nøjagtige specifikationer. I dette projekt bruger vi et brugerdefineret printkort til at lave en wifi -antenne.

Hvad er en antenne? Antennen er den del af wifi -adgangspunktets hardware, der konverterer signaler til og fra elektromagnetisk stråling. Mange antenner kan sende og modtage signaler lige godt fra alle retninger. Andre antenner er retningsbestemte og fungerer meget bedre langs en bestemt retning. I dette projekt valgte vi at bruge en retningsantenne. Når en retningsantenne sender et signal, fokuserer den energien i en bestemt retning, så alt andet lige kan en velorienteret retningsantenne kommunikere over en længere afstand end en, der ikke er retningsbestemt. Denne instruktør blev inspireret af en anden instruerbar, der lavede en retningsbestemt wifi -antenne ud af (bogstaveligt talt) papirclips og popsicle -pinde. Denne instruktør indeholdt et mønster til en wifi Yagi -antenne, og vores antenne er lavet af dette mønster med små ændringer. En Yagi-antenne, også kaldet Yagi-Uda-antenne, er en type retningsantenne, der oprindeligt blev designet i 1926. En anden stor kilde til antennedesign samt andre oplysninger om antenner er ARRL-antennebogen.

Mens nogle mennesker får adgang til internettet flere gange om dagen, mangler mange andre mennesker pålidelig internetadgang. Manglende internetadgang er et problem både i landdistrikter og byområder, og det er et problem i både udviklede lande og udviklingslande. For eksempel manglede 23% af husstandene i Wayne County Michigan, som omfatter Detroit, internetadgang i 2017. Løsninger på dette problem skal være billige, fordi mange af de mennesker uden computeradgang har begrænsede ressourcer. Derudover skal løsninger fungere uden at kræve infrastruktur, såsom at lægge kobbertråd eller fiberoptiske kabler. I denne vejledning viser vi, hvordan du opbygger dit eget wifi -adgangspunkt, så du selv kan udvide internettet.

Om denne vejledning

Disse instruktioner er modulopbyggede. Du kan følge dele af denne vejledning uden nødvendigvis at fuldføre delene før eller efter den. For eksempel, hvis du er interesseret i at bruge en Rπ0 som et adgangspunkt, men ikke er for interesseret i antenner, er du velkommen til at bruge en hvilken som helst wifi -adapter og ignorere trinene ved fremstilling af antennen. Hvis du er interesseret i at lave en brugerdefineret Yagi -antenne, skal du springe direkte til den del af selvstudiet. PCB -layoutfiler til antennen er inkluderet.

Trinet til at installere wifi -adapteren og trinnet til at konfigurere Rπ0 som et adgangspunkt blev testet ved hjælp af Raspbian Stretch 4.14.52 og 4.14.79. Forhåbentlig vil de fortsætte med at arbejde med fremtidige versioner. Disse trin skal dog muligvis ændres, hvis konfigurationsfiler til wifi -adgang ændres i nyere versioner af operativsystemet.

Trin 1: Saml forbrugsvarer

Forbrugsvarer nødvendige til Raspberry Pi Zero Setup

• Raspberry Pi Zero W Sørg for at få modellen W, der har indbygget wifi.

  

• Micro SD -kort Få et mindst 16 GB.
• MicroSD-kortlæser
• USB -hub med MicroUSB -stik
• USB-tastatur og mushttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Mini-HDMI til HDMI-kabel Sørg for at få størrelsen Mini-HDMI, ikke Micro-HDMI.
• HDMI -kompatibel skærm
• Strømforsyning Du kan i stedet bruge et USB -batteri.

Yderligere forbrugsvarer er nødvendige til opsætning af Wifi -adgangspunktet

Amazon Basics USB Wifi Adapter med aftagelig antenne

Yderligere forsyninger er nødvendige til den brugerdefinerede PCB -antenne

• RG-58 loddet kabelstik Digikey-varenummer CONSMA007-R58-ND
• Brugerdefineret printkort
• Loddejern og lille mængde lodde

Trin 2: Konfigurer Raspberry Pi Zero

Download zip -filen Raspbian NOOBs Lite fra https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs, og pak den ud.

Tilslut MicroSD -kortet til computeren ved hjælp af MicroSD -kortlæseren. MicroSD -kortet skal enten være nyt eller nyformateret. Kopier filerne til MicroSD -kortet.

Det næste trin er at forbinde Rπ0 hardware. Indsæt MicroSD -kortet i Rπ0. Tilslut USB -hub'en til Rπ0, og slut tastaturet og musen til USB -hubben. Tilslut Rπ0 til strømforsyningen, og tilslut den. Amazon Basics wifi -adapteren bruges ikke i dette trin, så lad den være tilsluttet.

Følg instruktionerne i guiden for at installere Raspbian -operativsystemet på Rπ0. Dette trin involverer:

• Logge på det etablerede wifi -netværk
• Installation af Raspbian Full (Vær tålmodig, dette tager et stykke tid.)
• Indstilling af land, tidszone og sprog
• Indstilling af en adgangskode til bruger pi
• Opretter forbindelse til det etablerede wifi -netværk
• Opdatering (Vær tålmodig, dette tager et stykke tid.)
• Genstart

På dette tidspunkt har vi en fungerende Rπ0 -computer, der kører Raspbian -operativsystemet. Klik på wifi -ikonet i øverste højre hjørne af skærmen. Det skal vise wlan0 forbundet til dit etablerede wifi -netværk.

Trin 3: Installer Wifi -adapterdriveren

Amazon Basics -mærket wifi -adapter er fantastisk til antenneprojekter, fordi den medfølgende antenne kan skrues af, så vores antenne kan skrues på. Desværre genkender Raspbian ikke denne wifi -adapter. Det er en Realtek 818b -adapter med serienummer 70F11C0531F8. Ifølge https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?… kræver chippen i den RTL8192EU -driveren. Den nødvendige driver er tilgængelig online fra MrEngman.

For at installere driveren skal du tilslutte Amazon Basic wifi -adapteren til USB -hubben og åbne en terminal. Indtast 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

Klik på wifi -ikonet øverst til højre på skærmen.

Det skal vise wlan0 og wlan1, og begge skal være forbundet til det etablerede wifi -netværk. På dette tidspunkt har du en fungerende Rπ0 -computer, der kører med to fungerende wifi -adaptere, den interne og den eksterne Amazon Basics wifi -adapter.

Trin 4: Konfigurer Rπ0 som et adgangspunkt

Det næste trin er at konfigurere Rπ0 til at fungere som et wifi -adgangspunkt. I slutningen af dette trin vil den eksterne Amazon Basics wifi -adapter blive kaldt wlan1 af Rπ0, og den vil kommunikere med det etablerede wifi -netværk. Den interne wifi -adapter vil blive kaldt wlan0 af Rπ0, og enheder som mobiltelefoner, tablets og bærbare computere kan oprette forbindelse til Rπ0 på det nye wifi -netværk. Disse mobiltelefoner, tablets og bærbare computere vil kunne bruge dette nye wifi -adgangspunkt til at kommunikere på internettet.

Denne Rπ0 kan udvide rækkevidden af et etableret wifi -netværk. Antag for eksempel, at vi vil slutte en mobiltelefon til internettet, men mobiltelefonen er 200 m fra det etablerede wifi -adgangspunkt. Mobiltelefonen er muligvis ikke i stand til at kommunikere med etableret wifi -adgangspunkt så langt væk. Vi kan dog placere Rπ0 med det nye adgangspunkt i midten. Rπ0 kan derefter bruge den eksterne wifi -adapter til at kommunikere med det etablerede wifi -netværk, der kun er 100 m væk, og Rπ0 kan bruge den interne wifi -adapter til at kommunikere med mobiltelefonen, som også kun er 100 m væk.

Adafruit har en glimrende vejledning i, hvordan man opretter en Raspberry Pi som et wifi -adgangspunkt. Vejledningen beskriver de trin, der omfatter opsætning af wifi -adgangspunktet, installation af nødvendige pakker, redigering af konfigurationsfiler og start af tjenester. Proceduren har imidlertid flere trin, og instruktionerne skal ændres til vores formål. Vi bruger en Rπ0 i stedet for den større Raspberry Pi, og vi etablerer en forbindelse mellem to trådløse adgangspunkter i stedet for et kablet og trådløst adgangspunkt. Derudover er der behov for yderligere ændringer af konfigurationsfiler for at konfigurere adgangspunktet.

Vi skrev et program for at forenkle installationsprocessen. Den vedhæftede zip -fil indeholder de nødvendige modificerede konfigurationsfiler samt et lille C -program, der automatiserer opsætningen af adgangspunktet. Det er tæt baseret på Adafruit -vejledningen. Dette program sikkerhedskopierer eksisterende konfigurationsfiler, kopierer i de nye konfigurationsfiler i zip -filen og fuldender installationen af adgangspunktet.

Nogle ekstra pakker er nødvendige, før vi kan bruge installations scriptet. Brug følgende kommandoer til at installere den nødvendige software.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Download den vedhæftede zip -fil, og gem den i et nyt bibliotek. Åbn en terminal, og skift til den mappe. De næste trin er at pakke filen ud og køre installations scriptet.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Dette program beder dig om at indtaste navnet på det (etablerede) wifi -netværk og dets adgangskode. Det vil oprette et nyt adgangspunkt ved navn PI_AP med adgangskode Raspberry.

Når scriptet er udført, skal du genstarte Rπ0. Hvis du nu klikker på netværksikonet i øverste højre del af skærmen, står der, at der ikke findes trådløse grænseflader. Bare rolig; de eksisterer og fungerer. På dette tidspunkt eksisterer det originale wifi -netværk, og vi har et nyt wifi -netværk ved navn Pi_AP. Tag en mobiltelefon eller anden enhed, og prøv at oprette forbindelse til det nye wifi -adgangspunkt. Åbn en webbrowser på enheden for at teste internetforbindelsen, mens du bruger dette nye adgangspunkt.

De følgende syv konfigurationsfiler ændres af installationsprogrammet: /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. Du vil måske foretage yderligere ændringer af disse konfigurationsfiler. Adafruit -vejledningen nævnt ovenfor indeholder yderligere detaljer. For eksempel kan du ændre filen /etc/hostapd/hostapd.conf, hvis du vil ændre navnet på dit nye adgangspunkt eller dets adgangskode. Hvis du vil forbinde flere Rπ0 -adgangspunkter til dit etablerede netværk, har hver enkelt brug for en unik IP -adresse. Installationsprocessen bruger 192.168.42.1. Filerne /etc/dhcp/dhcpd.conf og/etc/network/interfaces skal ændres. Derudover skal du bruge kommandoen sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, hvor zz erstattes af et andet heltal. Også dette adgangspunkt er kun testet til IPv4 -kommunikation. Yderligere ændringer af installationsproceduren eller konfigurationsfilerne kan være nødvendige for både IPv4- og IPv6 -kommunikation på adgangspunktet.

Trin 5: Design antennen

Det er lettere at designe og lave en antenne, end det lyder. Vores tilgang var at starte med et mønster, ændre det, simulere det for at sikre, at det stadig opfylder vores behov og derefter lægge det ud på et printkort. Hvis du ikke vil lave din egen antenne, skal du bruge den, der følger med wifi -adapteren. Alternativt, hvis du vil lave, men ikke designe eller simulere, din egen antenne, har vi vedhæftet vores PCB -layoutfiler. Læs dog videre, hvis du er interesseret i antennedesign, antennesimulering eller PCB -layout. Den antenne, vi bruger, er ikke optimeret. Formålet her er at vise, hvordan du kan lave din egen antenne, ikke at vise en ideel antenne.

Vi ønskede en retningsantenne, der fungerer ved wifi -frekvenser. Instructable, vi startede med, indeholder et detaljeret mønster til en retningsbestemt Yagi -antenne, der kan være lavet af papirclips og popsicle -pinde. Vi foretog kun en ændring. Denne antenne er 42 cm lang og indeholder 15 ledende elementer. Vi slap for alle undtagen fire af elementerne, så antennen bliver kortere.

Dernæst simulerede vi antennen for at sikre, at den stadig var retningsbestemt, selv med færre elementer. EZNECby Roy Lewallen er et brugervenligt antennesimuleringsværktøj. Vi brugte demoversionen af EZNEC 6.0. Det første trin til at bruge denne software er at beskrive antennen. Klik på knappen Wires, og indtast placeringen af antenneelementerne. Størrelsen og placeringen af disse elementer er detaljeret i antennemønsteret. Dernæst satte vi frekvensen til 2,4 GHz for wifi -signaler, og vi valgte jordtypen til at være ledig plads. EZNEC -filen, der beskriver antennen, WifiYagi.ez, er vedhæftet.

Outputtet fra EZNEC -simuleringen er vist nedenfor, og den verificerer, at den modificerede antenne stadig er retningsbestemt. Den venstre del af figuren viser antennen. De sorte linjer er de ledende elementer, og den røde cirkel på det andet element er, hvor wifi -adapteren forbinder. Den højre del af figuren er 3D -strålingsmønsterplottet. Figuren viser signalets relative styrke i en fast afstand fra en transmitterende antenne i forskellige vinkler. Da plottet er større i x -retning end i andre retninger, er antennen retningsbestemt. Det meste af den energi, der transmitteres af antennen, går i x -retningen. Hvis vi orienterer denne antenne korrekt, og hvis alt andet er lige, skal denne antenne kunne kommunikere over længere afstande i x -retningen, end hvis vi ikke havde brugt en retningsantenne.

Det næste trin er at lægge det brugerdefinerede printkort ud. Selvom det antennemønster, vi startede med, er let at konstruere, er det svært at konstruere præcist. Printkort er fremstillet mere præcist, og de er mere holdbare. Vi brugte open source -programmet KiCad. Vores PCB -layoutfiler er vedhæftet i wifi_pcb.tar.gz. Brug kommandoen til at pakke filen ud:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Trinene til udlægning af printkortet er at:

• Åbn et nyt KiCad -projekt.
• Gå til PCB Layout Editor.
• Vælg knappen Tilføj grafiske linjer og kanten Edge. Cuts, og definer omkredsen af printkortet.
• Vælg knappen Tilføj grafiske linjer og F. Cu -laget, og tegn antennelementerne i det forreste kobberlag.
• Vælg knappen Tilføj Vias, og indsæt to huller, hvor wifi -adapteren skal tilsluttes.
• Vælg knappen Tilføj grafisk polygon og F. Maske -laget, og tegn et hul i den forreste loddemaske, så den ikke dækker via -hullerne. Gentag med B. Mask -laget for at tegne et hul i den bageste loddemaske.
• Tilføj eventuelle yderligere mærker eller etiketter til silketrykslagene.
• Vælg Fil derefter Plot for at generere Gerber -filer.

Trin 6: Lav antennen

Vi købte printkort fremstillet af vores layout. Adafruit har en liste over hobby-venlige PCB-producenter. Selvom vi har prøvet et par PCB -producenter, ved vi virkelig ikke, hvad der er bedst. Det viste printkort blev fremstillet af Oshpark.

Når printet ankommer, er det næste trin at lodde på RG-58 koaksialstikket. Printkortet har to via -huller. Stiften, der følger med stikket, er for kort, så lod et lille stykke ledning ind i et af viahullerne. Sæt en stor prik lodde, der forbinder skallen med det andet via hul. Du har nu en retningsbestemt Yagi wifi -antenne lavet af et brugerdefineret printkort.

Tag stikket til Amazon Basics wifi -adapteren ud. Skru den antenne, den fulgte med, og skru den nye PCB -antenne på. Tilslut wifi -adapteren igen til USB -hubben. Projektet er nu færdigt.