Raspberry Pi Zero Wifi -åtkomstpunkt med en anpassad PCB -antenn: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Vad gör vi?

Titeln på denna handledning har massor av tekniska termer i den. Låt oss bryta ner det.

Vad är en Raspberry Pi Zero (Rπ0)? En Raspberry Pi Zero är en liten dator. Det är den mindre versionen av Raspberry Pi single board -dator, och den får plats i en 30 mm x 65 mm x 5 mm låda. Förutom sin lilla storlek är den mycket billig och mycket låg effekt. Det är också tillräckligt kraftfullt för att köra ett fullständigt Linux -baserat operativsystem, Raspbian. Som med alla andra datorer kan du använda Rπ0 för att surfa på nätet, spela spel, använda kontorsverktyg, skriva programvara och så vidare. Denna handledning använder Raspberry Pi Zero Model W, som har en inbyggd wifi -adapter.

Vad är en wifi -adapter? Om du vill använda wifi för att ansluta din mobiltelefon, surfplatta eller bärbara dator till internet behöver din enhet en wifi -adapter. En wifi -adapter innehåller kretsar och en antenn. Den omvandlar datasignaler till och från elektromagnetiska vågor med frekvens nära till exempel 2,4 GHz. De flesta mobiltelefoner, surfplattor och bärbara datorer innehåller en inbyggd wifi -adapter. Men du kan också köpa en extern wifi -adapter som ansluts till en dator via USB. I detta projekt använder vi både den interna wifi -adaptern till Rπ0 samt en extern wifi -adapter.

Vad är en wifi -åtkomstpunkt? Flera mobiltelefoner, surfplattor eller datorer kan kommunicera trådlöst med en enda wifi -åtkomstpunkt, och data från dessa enheter överförs via åtkomstpunkten till internet. I detta projekt är Rπ0 wifi -åtkomstpunkten. Varför vill du ha din egen wifi -åtkomstpunkt? Enheter måste vara inom cirka 100 meter från en åtkomstpunkt för att kommunicera. Antag att det finns en offentlig wifi -åtkomstpunkt i mitten av ett bibliotek. Alla med en bärbar dator inom det avståndet kan använda åtkomstpunkten för att trådlöst komma online. Vad händer om du vill ha tillgång till parken bredvid biblioteket, 200 meter bort? Du kan sätta en ny åtkomstpunkt i utkanten av bibliotekets fastighet, 100 m från den första åtkomstpunkten. Då kan alla som har en bärbar dator inom 100 m från den nya åtkomstpunkten också komma online. Inom gränserna för tillgänglig bandbredd kan dessa åtkomstpunkter kopplas ihop för att sprida internetåtkomst över ett större område.

Vad är ett anpassat kretskort (PCB)? Ett kretskort är en krets konstruerad genom att avsätta materialskikt på en isolerande skiva. Koppar mönstras på önskade platser för att bilda trådar, och hål borras där komponenter ska placeras. Anpassade kretskort är utformade med hjälp av specialiserad programvara. För detta projekt designades ett anpassat kretskort med hjälp av KiCad -programvaran med öppen källkod. Designen skickades sedan till en tillverkare för att tillverkas. Att designa och beställa ett anpassat kretskort är varken dyrt eller tidskrävande. Stegen är detaljerade nedan. Om du lägger ut ett kretskort med programvara och får det tillverkat, får du en krets som är hållbar, exakt tillverkad och utformad enligt dina exakta specifikationer. I detta projekt använder vi en anpassad PCB för att göra en wifi -antenn.

Vad är en antenn? Antennen är den del av wifi -åtkomstpunktshårdvaran som omvandlar signaler till och från elektromagnetisk strålning. Många antenner kan överföra och ta emot signaler lika bra från alla håll. Andra antenner är riktade och fungerar mycket bättre längs en viss riktning. I detta projekt valde vi att använda en riktningsantenn. När en riktningsantenn sänder en signal fokuserar den energin i en viss riktning så, allt annat lika, kan en välinriktad riktad antenn kommunicera över ett längre avstånd än en som inte är riktad. Denna instruerbara var inspirerad av en annan instruerbar som gjorde en riktad wifi -antenn av (bokstavligen) gem och popsicle -pinnar. That Instructable innehöll ett mönster för en wifi Yagi -antenn, och vår antenn är gjord av det mönstret med små modifieringar. En Yagi-antenn, även kallad Yagi-Uda-antenn, är en typ av riktningsantenn som ursprungligen designades 1926. En annan stor källa till antenndesign, liksom annan information om antenner, är ARRL-antennboken.

Medan vissa människor använder internet flera gånger om dagen saknar många andra pålitlig internetåtkomst. Brist på tillgång till internet är ett problem både på landsbygden och i stadsområdena, och det är ett problem i både utvecklade och utvecklingsländer. Till exempel saknade 23% av hushållen i Wayne County Michigan, som inkluderar Detroit, internetåtkomst 2017. Lösningar på detta problem måste vara billiga eftersom många människor utan datoråtkomst har begränsade resurser. Dessutom måste lösningar fungera utan att kräva infrastruktur som att lägga koppartråd eller fiberoptiska kablar. I dessa instruktioner visar vi hur du bygger din egen wifi -åtkomstpunkt så att du själv kan förlänga internet.

Om denna handledning

Dessa instruktioner är modulära. Du kan följa delar av denna instruktion utan att nödvändigtvis fylla i delarna före eller efter den. Om du till exempel är intresserad av att använda en Rπ0 som en åtkomstpunkt men inte är alltför intresserad av antenner, kan du använda vilken wifi -adapter som helst och ignorera stegen för att göra antennen. Om du är intresserad av att göra en anpassad Yagi -antenn, hoppa direkt till den delen av handledningen. PCB -layoutfilerna för antennen ingår.

Steget för att installera wifi -adaptern och steget för att konfigurera Rπ0 som en åtkomstpunkt testades med Raspbian Stretch 4.14.52 och 4.14.79. Förhoppningsvis kommer de att fortsätta arbeta med framtida versioner. Dessa steg kan dock behöva ändras om konfigurationsfiler för wifi -åtkomst ändras i nyare versioner av operativsystemet.

Steg 1: Samla förbrukningsmaterial

Tillbehör som behövs för Raspberry Pi Zero Setup

• Raspberry Pi Zero WSe till att få modellen W som har inbyggt wifi.

  

• Micro SD -kort Skaffa ett minst 16 GB.
• MicroSD-kortläsare
• USB -hubb med MicroUSB -kontakt
• USB-tangentbord och mushttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Mini-HDMI till HDMI-kabel Se till att få Mini-HDMI, inte Micro-HDMI, storlek.
• HDMI -kompatibel bildskärm
• Strömförsörjning Du kan använda ett USB -batteri istället.

Ytterligare tillbehör behövs för att konfigurera Wifi -åtkomstpunkten

Amazon Basics USB Wifi-adapter med avtagbar antenn

Ytterligare tillbehör behövs för den anpassade PCB -antennen

• RG-58 Lödbar kabelanslutningDigikey artikelnummer CONSMA007-R58-ND
• Anpassad kretskort
• Lödkolv och liten mängd löd

Steg 2: Ställ in Raspberry Pi Zero

Ladda ner Raspbian NOOBs Lite zip -filen från https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs och packa upp den.

Anslut MicroSD -kortet till datorn med MicroSD -kortläsaren. MicroSD -kortet ska antingen vara nytt eller nyformaterat. Kopiera filerna till MicroSD -kortet.

Nästa steg är att ansluta Rπ0 -hårdvaran. Sätt i MicroSD -kortet i Rπ0. Anslut USB -hubben till Rπ0 och anslut tangentbordet och musen till USB -hubben. Anslut Rπ0 till strömförsörjningen och anslut den. Amazon Basics wifi -adapter används inte i det här steget, så låt den vara ansluten.

Följ instruktionerna i guiden för att installera Raspbian -operativsystemet på Rπ0. Detta steg innebär:

• Logga in på det etablerade wifi -nätverket
• Installera Raspbian Full (ha tålamod, det tar ett tag.)
• Ange land, tidszon och språk
• Ställa in ett lösenord för användarens pi
• Ansluter till det etablerade wifi -nätverket
• Uppdaterar (ha tålamod, det tar ett tag.)
• Startar om

Vid denna tidpunkt har vi en fungerande Rπ0 -dator som kör Raspbian -operativsystemet. Klicka på wifi -ikonen i det övre högra hörnet av skärmen. Det ska visa wlan0 anslutet till ditt etablerade wifi -nätverk.

Steg 3: Installera Wifi Adapter -drivrutinen

Amazon Basics wifi -adapter är utmärkt för antennprojekt eftersom den medföljande antennen kan skruvas loss så att vår antenn kan skruvas fast. Tyvärr känner Raspbian inte igen denna wifi -adapter. Det är en Realtek 818b -adapter med serienummer 70F11C0531F8. Enligt https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?… kräver chipet i det RTL8192EU -drivrutinen. Den nödvändiga föraren är tillgänglig online från MrEngman.

För att installera drivrutinen, anslut Amazon Basic wifi -adaptern till USB -hubben och öppna en terminal. Ange följande kommandon på kommandoraden:

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

Klicka på wifi -ikonen längst upp till höger på skärmen.

Det ska visa wlan0 och wlan1, och båda ska vara anslutna till det etablerade wifi -nätverket. Vid denna tidpunkt har du en fungerande Rπ0 -dator med två fungerande wifi -adaptrar, den interna och den externa Amazon Basics wifi -adaptern.

Steg 4: Konfigurera Rπ0 som en åtkomstpunkt

Nästa steg är att ställa in Rπ0 för att fungera som en wifi -åtkomstpunkt. I slutet av detta steg kommer den externa Amazon Basics wifi -adaptern att kallas wlan1 av Rπ0, och den kommer att kommunicera med det etablerade wifi -nätverket. Den interna wifi -adaptern kommer att kallas wlan0 av Rπ0, och enheter som mobiltelefoner, surfplattor och bärbara datorer kan ansluta till Rπ0 på det nya wifi -nätverket. Dessa mobiltelefoner, surfplattor och bärbara datorer kommer att kunna använda denna nya wifi -åtkomstpunkt för att kommunicera på internet.

Denna Rπ0 kan utöka räckvidden för ett etablerat wifi -nätverk. Anta till exempel att vi vill ansluta en mobiltelefon till internet, men mobiltelefonen är 200 m från den etablerade wifi -åtkomstpunkten. Mobiltelefonen kanske inte kan kommunicera med etablerad wifi -åtkomstpunkt så långt bort. Vi kan dock placera Rπ0 med den nya åtkomstpunkten i mitten. Rπ0 kan sedan använda den externa wifi -adaptern för att kommunicera med det etablerade wifi -nätverket som bara är 100 m bort, och Rπ0 kan använda den interna wifi -adaptern för att kommunicera med mobiltelefonen som också är bara 100 m bort.

Adafruit har en utmärkt handledning om hur du konfigurerar en Raspberry Pi som en wifi -åtkomstpunkt. Handledningen beskriver stegen som inkluderar att konfigurera wifi -åtkomstpunkten, installera nödvändiga paket, redigera konfigurationsfiler och starta tjänster. Proceduren har dock flera steg och instruktionerna måste ändras för våra ändamål. Vi använder en Rπ0 istället för den större Raspberry Pi, och vi upprättar en anslutning mellan två trådlösa åtkomstpunkter istället för en trådbunden och trådlös åtkomstpunkt. Dessutom behövs ytterligare ändringar av konfigurationsfiler för att konfigurera åtkomstpunkten.

Vi skrev ett program för att förenkla installationsprocessen. Den bifogade zip -filen innehåller de modifierade konfigurationsfilerna som behövs samt ett litet C -program som automatiserar installationen av åtkomstpunkten. Det är nära baserat på Adafruit -handledningen. Detta program säkerhetskopierar befintliga konfigurationsfiler, kopierar i de nya konfigurationsfilerna i zip -filen och slutför installationen av åtkomstpunkten.

Några ytterligare paket behövs innan vi kan använda installationsskriptet. Använd följande kommandon för att installera den programvara som behövs.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Ladda ner den bifogade zip -filen och spara den i en ny katalog. Öppna en terminal och byt till den katalogen. Nästa steg är att packa upp filen och köra installationsskriptet.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Detta program uppmanar dig att ange namnet på det (etablerade) wifi -nätverket och dess lösenord. Det kommer att skapa en ny åtkomstpunkt med namnet PI_AP med lösenordet Raspberry.

När skriptet är klart startar du om Rπ0. Om du nu klickar på nätverksikonen längst upp till höger på skärmen står det att det inte finns några trådlösa gränssnitt. Oroa dig inte; de finns och fungerar. Vid det här laget finns det ursprungliga wifi -nätverket, och vi har ett nytt wifi -nätverk som heter Pi_AP. Ta en mobiltelefon eller annan enhet och försök att ansluta till den nya wifi -åtkomstpunkten. Öppna en webbläsare på enheten för att testa internetanslutningen medan du använder den här nya åtkomstpunkten.

Följande sju konfigurationsfiler ändras av installationsprogrammet: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd och /etc/sysctl.conf. Du kanske vill göra ytterligare ändringar av dessa konfigurationsfiler. Adafruit -handledningen som nämns ovan ger ytterligare information. Till exempel, ändra filen /etc/hostapd/hostapd.conf om du vill ändra namnet på din nya åtkomstpunkt eller dess lösenord. Om du vill ansluta flera Rπ0 -åtkomstpunkter till ditt etablerade nätverk behöver var och en en unik IP -adress. Installationsprocessen använder 192.168.42.1. Filerna /etc/dhcp/dhcpd.conf och/etc/network/interfaces måste ändras. Dessutom behöver du kommandot sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 där zz ersätts av ett annat heltal. Dessutom har denna åtkomstpunkt testats endast för IPv4 -kommunikation. Ytterligare ändringar av installationsproceduren eller konfigurationsfilerna kan behövas för både IPv4- och IPv6 -kommunikation på åtkomstpunkten.

Steg 5: Utforma antennen

Att designa och göra en antenn är enklare än det låter. Vår strategi var att börja med ett mönster, modifiera det, simulera det för att se till att det fortfarande uppfyller våra behov och sedan lägga ut det på ett kretskort. Om du inte vill skapa din egen antenn, använd den som medföljer wifi -adaptern. Alternativt, om du vill skapa, men inte designa eller simulera, din egen antenn, har vi bifogat våra PCB -layoutfiler. Läs dock vidare om du är intresserad av antenndesign, antennimulering eller PCB -layout. Antennen vi använder har inte optimerats. Syftet här är att visa hur du kan göra din egen antenn, inte att visa en idealisk antenn.

Vi ville ha en riktningsantenn som fungerar vid wifi -frekvenser. Instructable vi började med innehåller ett detaljerat mönster för en riktad Yagi -antenn som kan vara gjord av gem och popsicle -pinnar. Vi gjorde bara en ändring. Denna antenn är 42 cm lång och innehåller 15 ledande element. Vi blev av med alla utom fyra element så antennen blir kortare.

Därefter simulerade vi antennen för att säkerställa att den fortfarande var riktad, även med färre element. EZNEC av Roy Lewallen är ett lättanvänt antennimuleringsverktyg. Vi använde demoversionen av EZNEC 6.0. Det första steget för att använda denna programvara är att beskriva antennen. Klicka på Wires -knappen och ange platsen för antennelementen. Storleken och placeringen av dessa element är detaljerade i antennmönstret. Därefter ställer vi in frekvensen till 2,4 GHz för wifi -signaler, och vi valde marktypen för att vara ledigt utrymme. EZNEC -filen som beskriver antennen, WifiYagi.ez, är bifogad.

Utmatningen från EZNEC -simuleringen visas nedan och den verifierar att den modifierade antennen fortfarande är riktad. Den vänstra delen av figuren visar antennen. De svarta linjerna är de ledande elementen, och den röda cirkeln på det andra elementet är där wifi -adaptern ansluts. Den högra delen av figuren är 3D -strålningsmönsterdiagrammet. Figuren visar signalens relativa styrka på ett bestämt avstånd från en sändarantenn i olika vinklar. Eftersom tomten är större i x -riktning än i andra riktningar är antennen riktad. Det mesta av den energi som överförs av antennen kommer att gå i x -riktningen. Om vi orienterar denna antenn korrekt och antar att allt annat är lika bör denna antenn kunna kommunicera över längre avstånd i x -riktningen än om vi inte hade använt en riktningsantenn.

Nästa steg är att lägga ut det anpassade kretskortet. Även om antennmönstret vi började med är enkelt att konstruera, är det svårt att konstruera exakt. Tryckta kretskort tillverkas mer exakt och är mer hållbara. Vi använde open source -programmet KiCad. Våra PCB -layoutfiler är bifogade i wifi_pcb.tar.gz. För att packa upp filen, använd kommandot:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Stegen för att lägga ut kretskortet är att:

• Öppna ett nytt KiCad -projekt.
• Gå till PCB Layout Editor.
• Välj knappen Lägg till grafiska linjer och Edge. Cuts -lagret och definiera PCB -omkretsen.
• Välj knappen Lägg till grafiska linjer och F. Cu -lagret och rita antennelementen i det främre kopparskiktet.
• Välj knappen Lägg till Vias och sätt in två hål där wifi -adaptern kommer att anslutas.
• Välj knappen Lägg till grafisk polygon och F. Mask -skiktet och rita ett hål i den främre lödmasken så att den inte täcker viahålen. Upprepa med hjälp av B. Mask -skiktet för att rita ett hål i den bakre lödmasken också.
• Lägg till ytterligare märken eller etiketter som önskas till silkscreen -lagren.
• Välj Arkiv och sedan Plotta för att generera Gerber -filer.

Steg 6: Gör antennen

Vi köpte PCB gjorda av vår layout. Adafruit har en lista över hobbyistvänliga PCB-tillverkare. Även om vi har provat några PCB -tillverkare vet vi verkligen inte vilket som är bäst. Det visade kretskortet tillverkades av Oshpark.

När kretskortet kommer är nästa steg att lödas på RG-58 koaxialkontakten. Kretskortet har två viahål. Stiftet som följer med kontakten är för kort, så löd en liten bit tråd i ett av viahålen. Lägg en stor lödpunkt som förbinder skalet med det andra via hålet. Du har nu en riktad Yagi wifi -antenn gjord av ett anpassat kretskort.

Koppla ur Amazon Basics wifi -adapter. Skruva loss antennen som följde med och skruva på den nya PCB -antennen. Anslut wifi -adaptern till USB -hubben igen. Projektet är nu klart.