Punt d’accés Wifi Raspberry Pi Zero amb una antena PCB personalitzada: 6 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Què estem fent?

El títol d’aquest tutorial conté molts termes tècnics. Desglossem-ho.

Què és un Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Un Raspberry Pi Zero és un petit equip. És la versió més petita de l'ordinador de placa única Raspberry Pi i pot cabre en una caixa de 30 mm per 65 mm per 5 mm. A més de la seva petita mida, és molt barat i té una potència molt baixa. També és prou potent per executar un sistema operatiu complet basat en Linux, Raspbian. Com amb qualsevol altre ordinador, podeu utilitzar el Rπ0 per navegar per la web, jugar a jocs, utilitzar eines d’oficina, escriure programes, etc. Aquest tutorial utilitza el Raspberry Pi Zero Model W, que té un adaptador wifi integrat.

Què és un adaptador wifi? Si voleu utilitzar el wifi per connectar el vostre telèfon mòbil, tauleta o ordinador portàtil a Internet, el dispositiu necessita un adaptador wifi. Un adaptador wifi conté circuits i una antena. Converteix els senyals de dades cap a i des d’ones electromagnètiques amb una freqüència propera, per exemple, a 2,4 GHz. La majoria de telèfons mòbils, tauletes i portàtils contenen un adaptador wifi integrat. Tot i això, també podeu comprar un adaptador wifi extern que es connecti a un ordinador mitjançant USB. En aquest projecte, fem servir tant l’adaptador wifi intern del Rπ0 com un adaptador wifi extern.

Què és un punt d’accés wifi? Diversos telèfons mòbils, tauletes o ordinadors poden comunicar-se sense fils amb un únic punt d’accés wifi i les dades d’aquests dispositius es transfereixen a través del punt d’accés a Internet. En aquest projecte, el Rπ0 és el punt d’accés wifi. Per què voleu tenir el vostre propi punt d’accés wifi? Els dispositius han d’estar a uns 100 metres d’un punt d’accés per comunicar-se. Suposem que hi ha un punt d’accés wifi públic al centre d’una biblioteca. Qualsevol persona que tingui un ordinador portàtil a aquesta distància pot utilitzar el punt d'accés per connectar-se sense fils a Internet. I si voleu accedir al parc situat al costat de la biblioteca, a 200 metres? Podeu posar un nou punt d’accés al límit de la propietat de la biblioteca, a 100 m del primer punt d’accés. Aleshores, qualsevol persona que tingui un ordinador portàtil a menys de 100 m d’aquest nou punt d’accés també pot connectar-se en línia. Dins dels límits de l’amplada de banda disponible, aquests punts d’accés es poden encadenar per distribuir l’accés a Internet en una àrea més àmplia.

Què és una placa de circuit imprès (PCB) personalitzada? Un PCB és un circuit construït dipositant capes de material en una placa aïllant. El coure es dibuixa a les ubicacions desitjades per formar cables i es perforen forats on es col·locaran els components. Els PCB personalitzats es dissenyen mitjançant programari especialitzat. Per a aquest projecte, es va dissenyar un PCB personalitzat mitjançant el programari de codi obert KiCad. El disseny es va enviar a un fabricant perquè es produís. Dissenyar i demanar un PCB personalitzat no costa ni consumeix temps. A continuació es detallen els passos. Si traieu un PCB amb programari i el fabriqueu, obtindreu un circuit que sigui durador, fabricat amb precisió i dissenyat segons les vostres especificacions exactes. En aquest projecte, fem servir una PCB personalitzada per crear una antena wifi.

Què és una antena? L’antena és la part del maquinari del punt d’accés wifi que converteix els senyals en i des de la radiació electromagnètica. Moltes antenes poden transmetre i rebre senyals igualment bé des de totes les direccions. Altres antenes són direccionals, funcionen molt millor en una direcció concreta. En aquest projecte, vam optar per utilitzar una antena direccional. Quan una antena direccional transmet un senyal, enfoca l'energia en una direcció particular, de manera que, igual que la resta, una antena direccional ben alineada pot comunicar-se a una distància més gran que una que no és direccional. Aquest instructable es va inspirar en un altre instructable que feia una antena wifi direccional amb clips (pessetes) i palets de palets. Aquell Instructable contenia un patró per a una antena Yagi wifi, i la nostra antena es fabrica a partir d’aquest patró amb lleugeres modificacions. Una antena Yagi, també anomenada antena Yagi-Uda, és un tipus d'antena direccional dissenyada originalment el 1926. Una altra gran font de dissenys d'antenes, així com altra informació sobre antenes, és el llibre d'antenes ARRL.

Tot i que algunes persones accedeixen a Internet diverses vegades al dia, moltes altres no tenen accés fiable a Internet. La manca d’accés a Internet és un problema tant a les zones rurals com a les urbanes, i és un problema tant als països desenvolupats com als països en vies de desenvolupament. Per exemple, el 23% de les llars del comtat de Wayne, Michigan, que inclou Detroit, no tenien accés a Internet el 2017. Les solucions a aquest problema han de ser econòmiques perquè moltes de les persones sense accés a ordinadors tenen recursos limitats. A més, les solucions han de funcionar sense necessitat d’infraestructures, com ara posar cables de coure o cables de fibra òptica. En aquestes instruccions us mostrem com crear el vostre propi punt d’accés wifi perquè pugueu ampliar internet vosaltres mateixos.

Quant a aquest tutorial

Aquestes instruccions són modulars. Podeu seguir algunes d'aquestes instruccions sense necessàriament completar-les abans o després. Per exemple, si esteu interessats en utilitzar un Rπ0 com a punt d’accés però no us interessen massa les antenes, no dubteu a utilitzar qualsevol adaptador wifi i ignoreu els passos per fer l’antena. Si esteu interessats en fer una antena Yagi personalitzada, aneu directament a aquesta part del tutorial. S'inclouen els fitxers de disseny de PCB de l'antena.

El pas per instal·lar l'adaptador wifi i el pas per configurar el Rπ0 com a punt d'accés es van provar mitjançant Raspbian Stretch 4.14.52 i 4.14.79. Esperem que continuïn treballant amb versions futures. Tanmateix, és possible que calgui modificar aquests passos si es canvien els fitxers de configuració per a l'accés wifi en versions més recents del sistema operatiu.

Pas 1: reuniu subministraments

Subministraments necessaris per a la configuració zero de Raspberry Pi

• Raspberry Pi Zero W Assegureu-vos d’obtenir el model W que ha incorporat el wifi.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Targeta Micro SD Obteniu un mínim de 16 GB.
• Lector de targetes MicroSD
• Hub USB amb connector MicroUSB
• Teclat i ratolí USB
• Cable Mini-HDMI a HDMI Assegureu-vos de tenir la mida Mini-HDMI, no Micro-HDMI.
• Monitor compatible amb HDMI
• Font d'alimentació Podeu utilitzar una bateria USB.

Subministraments addicionals necessaris per configurar el punt d'accés Wifi

Adaptador USB Wifi Amazon Basics amb antena desmuntable

Subministraments addicionals necessaris per a l'antena PCB personalitzada

• Connector de cable soldable RG-58 Número de referència Digikey CONSMA007-R58-ND
• Taula de circuits impresos personalitzada
• Soldador i petita quantitat de soldador

Pas 2: configureu Raspberry Pi Zero

Baixeu-vos el fitxer zip Raspbian NOOBs Lite de https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs i descomprimiu-lo.

Connecteu la targeta MicroSD a l'ordinador mitjançant el lector de targetes MicroSD. La targeta MicroSD hauria de ser nova o recentment formatada. Copieu els fitxers a la targeta MicroSD.

El següent pas és connectar el maquinari Rπ0. Inseriu la targeta MicroSD al Rπ0. Connecteu el concentrador USB al Rπ0 i connecteu el teclat i el ratolí al concentrador USB. Connecteu el Rπ0 a la font d'alimentació i connecteu-lo. L'adaptador wifi d'Amazon Basics no s'utilitzarà en aquest pas, així que deixeu-lo sense connexió.

Seguiu les instruccions de l'assistent per instal·lar el sistema operatiu Raspbian al Rπ0. Aquest pas implica:

• Iniciar sessió a la xarxa wifi establerta
• Instal·lació de Raspbian Full (Tingueu paciència, això triga una estona).
• Configuració del país, la zona horària i l'idioma
• Definir una contrasenya per a l'usuari pi
• Connexió a la xarxa wifi establerta
• Actualitzant (tingueu paciència, això triga una estona).
• Reinici

En aquest moment, tenim un equip Rπ0 que funciona amb el sistema operatiu Raspbian. Feu clic a la icona del wifi a l'extrem superior dret de la pantalla. Ha de mostrar wlan0 connectat a la vostra xarxa wifi establerta.

Pas 3: instal·leu el controlador de l'adaptador Wifi

L'adaptador wifi de la marca Amazon Basics és ideal per a projectes d'antenes, ja que es pot descargolar l'antena subministrada perquè es pugui cargolar la nostra antena. Malauradament, Raspbian no reconeix aquest adaptador wifi. És un adaptador Realtek 818b amb número de sèrie 70F11C0531F8. Segons https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, el xip que hi ha requereix el controlador RTL8192EU. El controlador necessari està disponible en línia a MrEngman.

Per instal·lar el controlador, connecteu l'adaptador wifi d'Amazon Basic al concentrador USB i obriu un terminal. Introduïu les ordres següents a la línia d'ordres:

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

Feu clic a la icona del wifi a la part superior dreta de la pantalla.

Hauria de mostrar wlan0 i wlan1, i tots dos haurien d’estar connectats a la xarxa wifi establerta. En aquest moment, teniu un ordinador Rπ0 que funciona amb dos adaptadors wifi que funcionen, l’intern i l’adaptador wifi Amazon Basics extern.

Pas 4: configureu Rπ0 com a punt d'accés

El següent pas és configurar el Rπ0 perquè funcioni com a punt d’accés wifi. Al final d'aquest pas, l'adaptador wifi extern d'Amazon Basics s'anomenarà wlan1 pel Rπ0 i es comunicarà amb la xarxa wifi establerta. L’adaptador wifi intern s’anomenarà wlan0 pel Rπ0 i dispositius com ara telèfons mòbils, tauletes i ordinadors portàtils es poden connectar al Rπ0 de la nova xarxa wifi. Aquests telèfons mòbils, tauletes i portàtils podran utilitzar aquest nou punt d’accés wifi per comunicar-se a Internet.

Aquest Rπ0 pot ampliar l'abast d'una xarxa wifi establerta. Per exemple, suposem que volem connectar un telèfon mòbil a Internet, però el telèfon mòbil es troba a 200 m del punt d’accés wifi establert. És possible que el mòbil no pugui comunicar-se amb el punt d’accés wifi establert tan lluny. Tot i això, podem situar el Rπ0 amb el nou punt d’accés al centre. Aleshores, el Rπ0 pot utilitzar l’adaptador wifi extern per comunicar-se amb la xarxa wifi establerta que es troba a només 100 m de distància, i el Rπ0 pot utilitzar l’adaptador wifi intern per comunicar-se amb el mòbil que també es troba a només 100 m.

Adafruit té un excel·lent tutorial sobre com configurar un Raspberry Pi com a punt d’accés wifi. El tutorial detalla els passos que inclouen configurar el punt d’accés wifi, instal·lar els paquets necessaris, editar fitxers de configuració i iniciar els serveis. Tot i això, el procediment té diversos passos i cal modificar les instruccions per als nostres propòsits. Estem utilitzant un Rπ0 en lloc del Raspberry Pi més gran i estem establint una connexió entre dos punts d’accés sense fils en lloc d’un punt d’accés sense fils i per cable. A més, cal fer més canvis als fitxers de configuració per configurar correctament el punt d’accés.

Vam escriure un programa per simplificar el procés d’instal·lació. El fitxer zip adjunt conté els fitxers de configuració modificats necessaris, així com un petit programa C que automatitza la configuració del punt d'accés. Està estretament basat en el tutorial d'Adafruit. Aquest programa fa una còpia de seguretat dels fitxers de configuració existents, copia en els nous fitxers de configuració del fitxer zip i completa la instal·lació del punt d’accés.

Calen alguns paquets addicionals abans que puguem utilitzar l'script d'instal·lació. Utilitzeu les ordres següents per instal·lar el programari necessari.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Baixeu-vos el fitxer zip adjunt i deseu-lo en un directori nou. Obriu un terminal i canvieu a aquest directori. Els passos següents són descomprimir el fitxer i executar l'script d'instal·lació.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Aquest programa us demanarà que introduïu el nom de la xarxa wifi (establerta) i la seva contrasenya. Establirà un nou punt d’accés anomenat PI_AP amb contrasenya Raspberry.

Un cop acabat el script, reinicieu el Rπ0. Ara, si feu clic a la icona de xarxa a la part superior dreta de la pantalla, es diu que no es troben interfícies sense fils. No us preocupeu; existeixen i funcionen. En aquest moment, existeix la xarxa wifi original i tenim una nova xarxa wifi anomenada Pi_AP. Agafeu un telèfon mòbil o un altre dispositiu i proveu de connectar-vos al nou punt d'accés wifi. Obriu un navegador web al dispositiu per provar la connexió a Internet mentre utilitzeu aquest nou punt d'accés.

El programa d'instal·lació modifica els set fitxers de configuració següents: /etc/dhcp/dhcpd.conf, / etc / default / isc-dhcp-server, / etc / network / interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf, / etc / default / hostapd, /etc/init.d/hostapd i /etc/sysctl.conf. És possible que vulgueu fer modificacions addicionals a aquests fitxers de configuració. El tutorial d'Adafruit esmentat anteriorment proporciona detalls addicionals. Per exemple, modifiqueu el fitxer /etc/hostapd/hostapd.conf si voleu canviar el nom del vostre nou punt d'accés o la seva contrasenya. Si voleu connectar diversos punts d’accés Rπ0 a la vostra xarxa establerta, cadascun necessita una adreça IP única. El procés d’instal·lació utilitza 192.168.42.1. Caldrà modificar els fitxers /etc/dhcp/dhcpd.conf i / etc / network / interfaces. A més, necessitareu l'ordre sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 on zz és substituït per un altre enter. A més, aquest punt d’accés s’ha provat només per a la comunicació IPv4. Pot ser que siguin necessàries modificacions addicionals al procediment d'instal·lació o als fitxers de configuració tant per a la comunicació IPv4 com IPv6 al punt d'accés.

Pas 5: Dissenyeu l'antena

Dissenyar i fabricar una antena és més fàcil del que sembla. El nostre enfocament era començar amb un patró, modificar-lo, simular-lo per assegurar-nos que encara satisfà les nostres necessitats i, després, dissenyar-lo en un PCB. Si no voleu fabricar la vostra pròpia antena, utilitzeu la que s'inclou amb l'adaptador wifi. Com a alternativa, si voleu crear, però no dissenyar o simular, la vostra pròpia antena, hem adjuntat els nostres fitxers de disseny de PCB. Tanmateix, seguiu llegint si esteu interessats en el disseny d’antenes, la simulació d’antenes o el disseny de PCB. L'antena que fem servir no s'ha optimitzat. El propòsit aquí és mostrar com podeu fabricar la vostra pròpia antena, no mostrar una antena ideal.

Volíem una antena direccional que funcionés amb freqüències wifi. L'instructible amb què vam començar inclou un patró detallat per a una antena direccional Yagi que es pot fer a partir de clips de paper i palets de palets. Només vam fer una modificació. Aquesta antena fa 42 cm de llarg i conté 15 elements conductors. Ens hem eliminat de tots els elements, excepte quatre, de manera que l’antena serà més curta.

A continuació, vam simular l’antena per assegurar-nos que seguia sent direccional, fins i tot amb menys elements. EZNEC de Roy Lewallen és una eina de simulació d'antena fàcil d'utilitzar. Hem utilitzat la versió de demostració d’EZNEC 6.0. El primer pas per utilitzar aquest programari és descriure l’antena. Feu clic al botó Wires i introduïu la ubicació dels elements de l'antena. La mida i la ubicació d’aquests elements es detallen al patró de l’antena. A continuació, vam establir la freqüència a 2,4 GHz per als senyals wifi i vam triar el tipus de terra per ser espai lliure. S'adjunta el fitxer EZNEC que descriu l'antena, WifiYagi.ez.

A continuació es mostra la sortida de la simulació EZNEC i verifica que l’antena modificada encara és direccional. La part esquerra de la figura mostra l’antena. Les línies negres són els elements conductors i el cercle vermell del segon element és on es connecta l’adaptador wifi. La part dreta de la figura és el dibuix del patró de radiació 3D. La figura mostra la força relativa del senyal a una distància fixa d’una antena transmissora en diferents angles. Com que la trama és més gran en direcció x que en altres direccions, l'antena és direccional. La major part de l'energia transmesa per l'antena anirà en la direcció x. Si orientem correctament aquesta antena i suposant que tota la resta és igual, aquesta antena hauria de poder comunicar-se a distàncies més llargues en la direcció x que si no haguéssim utilitzat una antena direccional.

El següent pas és dissenyar el PCB personalitzat. Tot i que el patró d'antena amb què vam començar és fàcil de construir, és difícil de construir amb precisió. Les plaques de circuits impresos es fabriquen amb més precisió i són més duradores. Hem utilitzat el programa de codi obert KiCad. Els nostres fitxers de disseny de PCB s’adjunten a wifi_pcb.tar.gz. Per descomprimir el fitxer, utilitzeu l'ordre:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Els passos per dissenyar el PCB són:

• Obriu un nou projecte KiCad.
• Aneu a l'Editor de disseny de PCB.
• Seleccioneu el botó Afegeix línies gràfiques i la capa Edge. Cuts i definiu el perímetre del PCB.
• Seleccioneu el botó Afegeix línies gràfiques i la capa F. Cu i dibuixeu els elements de l'antena a la capa de coure frontal.
• Seleccioneu el botó Afegeix Vias i inseriu dos forats on es connectarà l'adaptador wifi.
• Seleccioneu el botó Afegeix polígon gràfic i la capa F. Màscara i dibuixeu un forat a la màscara de soldadura frontal perquè no cobreixi els forats de la via. Repetiu amb la capa B. Mask per dibuixar un forat també a la màscara de soldadura posterior.
• Afegiu les marques o etiquetes addicionals que vulgueu a les capes de serigrafia.
• Seleccioneu Fitxer i Plotgeu per generar fitxers Gerber.

Pas 6: Feu l'antena

Hem comprat PCB fabricats amb el nostre disseny. Adafruit té una llista de fabricants de PCB adaptats als aficionats. Tot i que hem provat alguns fabricants de PCB, realment no sabem quin és el millor. El PCB mostrat va ser fabricat per Oshpark.

Un cop arriba la PCB, el següent pas és soldar el connector coaxial RG-58. El PCB té dos orificis de pas. El passador que ve amb el connector és massa curt, de manera que soldeu un petit tros de fil en un dels forats de la via. Col·loqueu un gran punt de soldadura que connecti la closca a l’altra mitjançant un forat. Ara teniu una antena Yagi wifi direccional fabricada amb un PCB personalitzat.

Desconnecteu l'adaptador wifi d'Amazon Basics. Descargoleu l’antena que venia amb ella i enrosqueu la nova antena PCB. Torneu a connectar l’adaptador wifi al concentrador USB. El projecte ja està complet.