Точка доступа Raspberry Pi Zero Wifi с настраиваемой антенной на печатной плате: 6 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Что мы делаем?

В названии этого руководства содержится много технических терминов. Давайте разберемся с этим.

Что такое Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero - это крошечный компьютер. Это уменьшенная версия одноплатного компьютера Raspberry Pi, которая помещается в коробку размером 30 мм на 65 мм на 5 мм. Помимо небольшого размера, он очень недорогой и очень маломощный. Он также достаточно мощный, чтобы запускать полноценную операционную систему на базе Linux, Raspbian. Как и на любом другом компьютере, вы можете использовать Rπ0 для просмотра веб-страниц, игр, использования офисных инструментов, написания программного обеспечения и т. Д. В этом руководстве используется Raspberry Pi Zero Model W со встроенным адаптером Wi-Fi.

Что такое адаптер Wi-Fi? Если вы хотите использовать Wi-Fi для подключения мобильного телефона, планшета или ноутбука к Интернету, вашему устройству потребуется адаптер Wi-Fi. Адаптер Wi-Fi содержит схему и антенну. Он преобразует сигналы данных в электромагнитные волны и обратно с частотой, например, около 2,4 ГГц. Большинство мобильных телефонов, планшетов и ноутбуков содержат встроенный адаптер Wi-Fi. Однако вы также можете приобрести внешний адаптер Wi-Fi, который подключается к компьютеру через USB. В этом проекте мы используем как внутренний адаптер Wi-Fi Rπ0, так и внешний адаптер Wi-Fi.

Что такое точка доступа Wi-Fi? Несколько мобильных телефонов, планшетов или компьютеров могут обмениваться данными по беспроводной сети с одной точкой доступа Wi-Fi, и данные с этих устройств передаются через точку доступа в Интернет. В этом проекте Rπ0 - это точка доступа Wi-Fi. Зачем вам нужна собственная точка доступа Wi-Fi? Для связи устройства должны находиться в пределах 100 метров от точки доступа. Предположим, в центре библиотеки есть общественная точка доступа Wi-Fi. Любой, у кого есть ноутбук на таком расстоянии, может использовать точку доступа для беспроводного выхода в Интернет. Что делать, если вам нужен доступ в парк рядом с библиотекой, в 200 метрах от отеля? Вы можете поставить новую точку доступа на краю территории библиотеки, в 100 м от первой точки доступа. Тогда любой, у кого есть ноутбук в пределах 100 м от этой новой точки доступа, также сможет выйти в Интернет. В пределах доступной полосы пропускания эти точки доступа могут быть объединены в цепочку для распространения доступа в Интернет на более обширную территорию.

Что такое пользовательская печатная плата (PCB)? Печатная плата - это схема, созданная путем нанесения слоев материала на изолирующую плату. На медь наносится узор в желаемых местах, чтобы сформировать провода, и просверливаются отверстия, где будут размещаться компоненты. Печатные платы по индивидуальному заказу разрабатываются с использованием специализированного программного обеспечения. Для этого проекта была разработана специальная печатная плата с использованием программного обеспечения KiCad с открытым исходным кодом. Затем дизайн был отправлен производителю для производства. Разработка и заказ специальной печатной платы не требует больших затрат времени и средств. Шаги подробно описаны ниже. Если вы разместите печатную плату с помощью программного обеспечения и произведете ее изготовление, вы получите надежную, точно изготовленную и сконструированную в соответствии с вашими точными спецификациями схему. В этом проекте мы используем специальную печатную плату для изготовления антенны Wi-Fi.

Что такое антенна? Антенна - это часть оборудования точки доступа Wi-Fi, которая преобразует сигналы в электромагнитное излучение и обратно. Многие антенны могут одинаково хорошо передавать и принимать сигналы со всех сторон. Другие антенны являются направленными и работают намного лучше в определенном направлении. В этом проекте мы решили использовать направленную антенну. Когда направленная антенна передает сигнал, она фокусирует энергию в определенном направлении, поэтому, при прочих равных, хорошо выровненная направленная антенна может передавать сигнал на большее расстояние, чем ненаправленная. Этот Instructable был вдохновлен другим Instructable, который сделал направленную антенну Wi-Fi из (буквально) скрепок и палочек для мороженого. Эта инструкция содержала образец для Wi-Fi антенны Yagi, и наша антенна сделана из этого образца с небольшими изменениями. Антенна Yagi, также называемая антенной Yagi-Uda, представляет собой тип направленной антенны, первоначально разработанной в 1926 году. Еще одним замечательным источником конструкции антенн, а также другой информации об антеннах является антенная книга ARRL.

В то время как некоторые люди выходят в Интернет несколько раз в день, у многих других нет надежного доступа в Интернет. Отсутствие доступа в Интернет является проблемой как в сельских, так и в городских районах, и это проблема как в развитых, так и в развивающихся странах. Например, 23% домохозяйств в округе Уэйн, штат Мичиган, включая Детройт, не имели доступа к Интернету в 2017 году. Решение этой проблемы должно быть недорогим, поскольку многие люди, не имеющие доступа к компьютеру, имеют ограниченные ресурсы. Кроме того, решения должны работать без использования инфраструктуры, такой как прокладка медных проводов или оптоволоконных кабелей. В этих инструкциях мы покажем, как создать собственную точку доступа Wi-Fi, чтобы вы могли самостоятельно расширять доступ в Интернет.

Об этом руководстве

Эти инструкции имеют модульную структуру. Вы можете следовать частям этих инструкций, не обязательно завершая части до или после них. Например, если вы заинтересованы в использовании Rπ0 в качестве точки доступа, но не слишком заинтересованы в антеннах, не стесняйтесь использовать любой адаптер Wi-Fi и игнорируйте шаги, связанные с изготовлением антенны. Если вы заинтересованы в изготовлении нестандартной антенны Yagi, переходите сразу к этой части руководства. Файлы компоновки печатной платы для антенны прилагаются.

Шаг по установке адаптера Wi-Fi и шаг по настройке Rπ0 в качестве точки доступа были протестированы с использованием Raspbian Stretch 4.14.52 и 4.14.79. Надеюсь, они продолжат работать с будущими версиями. Однако эти шаги, возможно, потребуется изменить, если файлы конфигурации для доступа к Wi-Fi изменяются в более новых версиях операционной системы.

Шаг 1. Соберите припасы

Расходные материалы, необходимые для настройки Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero WM Убедитесь, что вы приобрели модель W со встроенным Wi-Fi.

  

• Карта Micro SD Получите не менее 16 ГБ.
• Устройство чтения карт MicroSD
• USB-концентратор с разъемом MicroUSB
• USB-клавиатура и мышь
• Кабель Mini-HDMI - HDMI Убедитесь, что вы используете размер Mini-HDMI, а не Micro-HDMI.
• HDMI-совместимый монитор
• Источник питания Вместо этого можно использовать аккумуляторную батарею USB.

Дополнительные расходные материалы, необходимые для настройки точки доступа Wi-Fi

Адаптер Amazon Basics USB Wifi со съемной антенной

Дополнительные расходные материалы, необходимые для нестандартной антенны на печатной плате

• Паяемый кабельный соединитель RG-58 Номер детали Digikey CONSMA007-R58-ND
• Изготовленная на заказ печатная плата
• Паяльник и небольшое количество припоя

Шаг 2. Настройте Raspberry Pi Zero

Загрузите zip-файл Raspbian NOOBs Lite с https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs и распакуйте его.

Подключите карту MicroSD к компьютеру с помощью устройства чтения карт MicroSD. Карта MicroSD должна быть новой или недавно отформатированной. Скопируйте файлы на карту MicroSD.

Следующим шагом будет подключение оборудования Rπ0. Вставьте карту MicroSD в Rπ0. Подключите концентратор USB к Rπ0, а клавиатуру и мышь - к концентратору USB. Подключите Rπ0 к источнику питания и подключите его. Адаптер Wi-Fi Amazon Basics не будет использоваться на этом этапе, поэтому оставьте его неподключенным.

Следуйте инструкциям мастера, чтобы установить операционную систему Raspbian на Rπ0. Этот шаг включает в себя:

• Вход в установленную сеть Wi-Fi
• Установка Raspbian Full (проявите терпение, это займет некоторое время.)
• Установка страны, часового пояса и языка
• Установка пароля для пользователя pi
• Подключение к установленной сети Wi-Fi
• Обновление (проявите терпение, это займет некоторое время.)
• Перезагрузка

На данный момент у нас есть рабочий компьютер Rπ0 с операционной системой Raspbian. Щелкните значок Wi-Fi в правом верхнем углу экрана. Он должен показать, что wlan0 подключен к вашей установленной сети Wi-Fi.

Шаг 3. Установите драйвер адаптера Wi-Fi

Адаптер Wi-Fi бренда Amazon Basics отлично подходит для антенных проектов, потому что прилагаемую антенну можно открутить, чтобы ее можно было прикрутить. К сожалению, Raspbian не распознает этот адаптер Wi-Fi. Это адаптер Realtek 818b с серийным номером 70F11C0531F8. Согласно https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, для этого чипа требуется драйвер RTL8192EU. Необходимый драйвер доступен онлайн на сайте MrEngman.

Чтобы установить драйвер, подключите адаптер Wi-Fi Amazon Basic к USB-концентратору и откройте терминал. Введите в командной строке следующие команды:

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

Щелкните значок Wi-Fi в правом верхнем углу экрана.

Он должен показывать wlan0 и wlan1, и оба должны быть подключены к установленной сети Wi-Fi. На данный момент у вас есть рабочий компьютер Rπ0 с двумя рабочими адаптерами Wi-Fi, внутренним и внешним адаптером Wi-Fi Amazon Basics.

Шаг 4. Настройте Rπ0 как точку доступа

Следующим шагом является настройка Rπ0 для работы в качестве точки доступа Wi-Fi. В конце этого шага Rπ0 будет называть внешний адаптер Wi-Fi Amazon Basics wlan1, и он будет взаимодействовать с установленной сетью Wi-Fi. Rπ0 будет называть внутренний адаптер Wi-Fi wlan0, а такие устройства, как мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки, могут подключаться к Rπ0 в новой сети Wi-Fi. Эти мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки смогут использовать эту новую точку доступа Wi-Fi для общения в Интернете.

Этот Rπ0 может расширить диапазон установленной сети Wi-Fi. Например, предположим, что мы хотим подключить мобильный телефон к Интернету, но он находится в 200 м от установленной точки доступа Wi-Fi. Возможно, мобильный телефон не сможет связаться с установленной точкой доступа Wi-Fi на таком большом расстоянии. Однако мы можем разместить Rπ0 с новой точкой доступа посередине. Затем Rπ0 может использовать внешний адаптер Wi-Fi для связи с установленной сетью Wi-Fi, которая находится всего в 100 м, а Rπ0 может использовать внутренний адаптер Wi-Fi для связи с мобильным телефоном, который также находится всего в 100 м.

У Adafruit есть отличное руководство о том, как настроить Raspberry Pi в качестве точки доступа Wi-Fi. В руководстве подробно описаны шаги, которые включают настройку точки доступа Wi-Fi, установку необходимых пакетов, редактирование файлов конфигурации и запуск служб. Однако процедура состоит из нескольких этапов, и инструкции необходимо изменить для наших целей. Мы используем Rπ0 вместо Raspberry Pi большего размера и устанавливаем соединение между двумя точками беспроводного доступа вместо проводной и беспроводной точки доступа. Кроме того, для успешной настройки точки доступа необходимы дальнейшие изменения в файлах конфигурации.

Мы написали программу, чтобы упростить процесс установки. Прилагаемый zip-файл содержит необходимые измененные файлы конфигурации, а также небольшую программу на языке C, которая автоматизирует настройку точки доступа. Он во многом основан на учебнике Adafruit. Эта программа выполняет резервное копирование существующих файлов конфигурации, копирует новые файлы конфигурации, содержащиеся в zip-файле, и завершает установку точки доступа.

Прежде чем мы сможем использовать сценарий установки, необходимы некоторые дополнительные пакеты. Используйте следующие команды для установки необходимого программного обеспечения.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Загрузите прикрепленный zip-файл и сохраните его в новом каталоге. Откройте терминал и перейдите в этот каталог. Следующие шаги - распаковать файл и запустить сценарий установки.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Эта программа предложит вам ввести имя (установленной) сети Wi-Fi и ее пароль. Он настроит новую точку доступа с именем PI_AP с паролем Raspberry.

После завершения сценария перезагрузите Rπ0. Теперь, если вы нажмете на значок сети в верхней правой части экрана, появится сообщение об отсутствии беспроводных интерфейсов. Не волнуйтесь; они существуют и работают. На данный момент существует исходная сеть Wi-Fi, и у нас есть новая сеть Wi-Fi с именем Pi_AP. Возьмите мобильный телефон или другое устройство и попробуйте подключиться к новой точке доступа Wi-Fi. Откройте на устройстве веб-браузер, чтобы проверить подключение к Интернету при использовании этой новой точки доступа.

Программа установки изменяет следующие семь файлов конфигурации: /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. Возможно, вы захотите внести дополнительные изменения в эти файлы конфигурации. Упомянутый выше учебник Adafruit предоставляет дополнительные сведения. Например, измените файл /etc/hostapd/hostapd.conf, если вы хотите изменить имя вашей новой точки доступа или ее пароль. Если вы хотите подключить несколько точек доступа Rπ0 к вашей сети, каждой из них нужен уникальный IP-адрес. В процессе установки используется 192.168.42.1. Необходимо изменить файлы /etc/dhcp/dhcpd.conf и / etc / network / interfaces. Кроме того, вам понадобится команда sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, где zz заменяется другим целым числом. Кроме того, эта точка доступа была протестирована только для связи по протоколу IPv4. Дополнительные изменения процедуры установки или файлов конфигурации могут потребоваться для связи как IPv4, так и IPv6 на точке доступа.

Шаг 5: спроектируйте антенну

Спроектировать и изготовить антенну проще, чем кажется. Наш подход заключался в том, чтобы начать с шаблона, изменить его, смоделировать его, чтобы убедиться, что он по-прежнему удовлетворяет наши потребности, а затем выложить его на печатную плату. Если вы не хотите делать свою собственную антенну, используйте ту, что идет в комплекте с адаптером Wi-Fi. В качестве альтернативы, если вы хотите изготовить, но не спроектировать или смоделировать свою антенну, мы приложили наши файлы компоновки печатной платы. Однако читайте дальше, если вас интересует конструкция антенны, моделирование антенны или разводка печатной платы. Используемая нами антенна не оптимизирована. Цель здесь - показать, как можно сделать свою антенну, а не показать идеальную антенну.

Нам нужна была направленная антенна, работающая на частотах Wi-Fi. Руководство, с которого мы начали, включает подробный образец направленной антенны Яги, которую можно сделать из канцелярских скрепок и палочек для мороженого. Мы сделали только одну модификацию. Эта антенна имеет длину 42 см и содержит 15 токопроводящих элементов. Мы избавились от всех элементов, кроме четырех, так что антенна будет короче.

Затем мы смоделировали антенну, чтобы убедиться, что она по-прежнему направлена, даже с меньшим количеством элементов. EZNECby Roy Lewallen - это простой в использовании инструмент моделирования антенны. Мы использовали демо-версию EZNEC 6.0. Первым шагом к использованию этого программного обеспечения является описание антенны. Нажмите кнопку «Провода» и введите расположение элементов антенны. Размер и расположение этих элементов подробно описаны в диаграмме направленности антенны. Затем мы устанавливаем частоту 2,4 ГГц для сигналов Wi-Fi и выбираем тип заземления как свободное пространство. Файл EZNEC с описанием антенны, WifiYagi.ez, прилагается.

Результат моделирования EZNEC показан ниже, и он подтверждает, что измененная антенна все еще является направленной. В левой части рисунка изображена антенна. Черные линии - это проводящие элементы, а красный кружок на втором элементе - это место, где подключается адаптер Wi-Fi. Правая часть рисунка - это трехмерная диаграмма направленности. На рисунке показана относительная мощность сигнала на фиксированном расстоянии от передающей антенны под разными углами. Поскольку график больше в направлении x, чем в других направлениях, антенна является направленной. Большая часть энергии, передаваемой антенной, будет идти в направлении x. Если мы правильно сориентируем эту антенну и предположим, что все остальное одинаково, эта антенна должна иметь возможность передавать данные на большие расстояния в направлении x, чем если бы мы не использовали направленную антенну.

Следующим шагом будет разметка нестандартной печатной платы. Хотя диаграмму направленности антенны, с которой мы начали, построить легко, ее сложно построить точно. Печатные платы изготавливаются более аккуратно, и они более долговечны. Мы использовали программу с открытым исходным кодом KiCad. Наши файлы макета печатной платы прилагаются в wifi_pcb.tar.gz. Чтобы распаковать файл, используйте команду:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Шаги по разметке печатной платы:

• Откройте новый проект KiCad.
• Перейдите в редактор макета печатной платы.
• Нажмите кнопку Add Graphic Lines и слой Edge. Cuts и определите периметр платы.
• Выберите кнопку «Добавить графические линии» и слой F. Cu и нарисуйте элементы антенны на переднем медном слое.
• Нажмите кнопку «Добавить переходные отверстия» и вставьте два отверстия, в которые будет подключен адаптер Wi-Fi.
• Выберите кнопку «Добавить графический многоугольник» и слой F. Mask и нарисуйте отверстие в передней паяльной маске, чтобы она не закрывала сквозные отверстия. Повторите, используя слой B. Mask, чтобы нарисовать отверстие и в задней паяльной маске.
• Добавьте любые дополнительные метки или метки на слои шелкографии.
• Выберите File, затем Plot, чтобы сгенерировать файлы Gerber.

Шаг 6: сделайте антенну

Мы приобрели печатные платы, изготовленные по нашему макету. У Adafruit есть список производителей печатных плат, ориентированных на любителей. Хотя мы пробовали несколько производителей печатных плат, мы действительно не знаем, какой из них лучше. Показанная печатная плата была изготовлена компанией Oshpark.

Как только появится печатная плата, следующим шагом будет припайка коаксиального разъема RG-58. На плате есть два сквозных отверстия. Штырь, который идет в комплекте с разъемом, слишком короткий, поэтому припаяйте небольшой кусок проволоки в одно из сквозных отверстий. Поместите большую точку припоя, соединяющую оболочку с другим отверстием. Теперь у вас есть направленная Wi-Fi антенна Yagi, сделанная из специальной печатной платы.

Отключите адаптер Wi-Fi Amazon Basics. Отвинтите прилагаемую антенну и прикрутите новую антенну на печатной плате. Снова подключите адаптер Wi-Fi к концентратору USB. Теперь проект завершен.