Raspberry Pi Zero Wifi -yhteyspiste mukautetulla PCB -antennilla: 6 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Mitä me teemme?

Tämän opetusohjelman otsikossa on paljon teknisiä termejä. Hajotetaan se.

Mikä on Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero on pieni tietokone. Se on pienempi versio Raspberry Pi -levytietokoneesta, ja se mahtuu 30 mm x 65 mm x 5 mm laatikkoon. Pienen kokonsa lisäksi se on erittäin edullinen ja erittäin pieni teho. Se on myös riittävän tehokas suorittamaan täysi Linux -pohjainen käyttöjärjestelmä, Raspbian. Kuten minkä tahansa muun tietokoneen kanssa, voit käyttää Rπ0 -näppäintä selataksesi verkkoa, pelata pelejä, käyttää toimistotyökaluja, kirjoittaa ohjelmistoja ja niin edelleen. Tämä opetusohjelma käyttää Raspberry Pi Zero Model W: tä, jossa on sisäänrakennettu wifi -sovitin.

Mikä on wifi -sovitin? Jos haluat yhdistää matkapuhelimen, tabletin tai kannettavan tietokoneen Internetiin wifi -yhteyden kautta, laitteesi tarvitsee wifi -sovittimen. Wifi -sovitin sisältää piirit ja antennin. Se muuntaa datasignaalit sähkömagneettisiin aaltoihin ja taajuuksista, joiden taajuus on esimerkiksi 2,4 GHz. Useimmat matkapuhelimet, tabletit ja kannettavat tietokoneet sisältävät sisäänrakennetun wifi -sovittimen. Voit kuitenkin ostaa myös ulkoisen wifi -sovittimen, joka liitetään tietokoneeseen USB: n kautta. Tässä projektissa käytämme sekä Rπ0: n sisäistä wifi -sovitinta että ulkoista wifi -sovitinta.

Mikä on wifi -tukiasema? Useat matkapuhelimet, tabletit tai tietokoneet voivat kommunikoida langattomasti yhdellä wifi -tukiasemalla, ja näiden laitteiden tiedot siirretään tukiaseman kautta Internetiin. Tässä projektissa Rπ0 on wifi -tukiasema. Miksi haluat oman wifi -tukiaseman? Laitteiden on oltava noin 100 metrin päässä tukiasemasta kommunikoidakseen. Oletetaan, että kirjaston keskustassa on julkinen wifi -tukiasema. Jokainen, jolla on kannettava tietokone tuolla etäisyydellä, voi käyttää tukiasemaa langattomasti verkossa. Mitä jos haluat pääsyn 200 metrin päässä sijaitsevan kirjaston vieressä olevaan puistoon? Voit asettaa uuden tukiaseman kirjaston omaisuuden reunaan, 100 metrin päähän ensimmäisestä tukiasemasta. Kaikki, joilla on kannettava tietokone 100 metrin säteellä tästä uudesta tukiasemasta, voivat myös muodostaa yhteyden verkkoon. Käytettävissä olevan kaistanleveyden rajoissa nämä tukiasemat voidaan ketjuttaa yhteen Internet -yhteyden levittämiseksi laajemmalle alueelle.

Mikä on mukautettu painettu piirilevy (PCB)? Piirilevy on piiri, joka on rakennettu kerrostamalla materiaalikerroksia eristyslevylle. Kupari on kuvioitu haluttuihin paikkoihin lankojen muodostamiseksi, ja reikiä porataan paikkoja varten. Mukautetut piirilevyt on suunniteltu erikoisohjelmistolla. Tätä hanketta varten suunniteltiin mukautettu piirilevy käyttämällä avoimen lähdekoodin KiCad -ohjelmistoa. Suunnitelma lähetettiin sitten valmistajalle tuotettavaksi. Mukautetun piirilevyn suunnittelu ja tilaaminen ei ole kallista eikä aikaa vievää. Vaiheet on kuvattu alla. Jos asennat piirilevyn ohjelmiston avulla ja valmistat sen, saat piirin, joka on kestävä, tarkasti valmistettu ja suunniteltu tarkkojen vaatimusten mukaisesti. Tässä projektissa käytämme mukautettua piirilevyä wifi -antennin valmistamiseen.

Mikä on antenni? Antenni on osa wifi -tukiaseman laitteistoa, joka muuntaa signaalit sähkömagneettiseen säteilyyn ja siitä pois. Monet antennit voivat lähettää ja vastaanottaa signaaleja yhtä hyvin kaikista suunnista. Muut antennit ovat suuntaavia ja toimivat paljon paremmin tiettyä suuntaa pitkin. Tässä projektissa päätimme käyttää suunta -antennia. Kun suunta -antenni lähettää signaalin, se keskittää energian tiettyyn suuntaan, joten kaikki muu sama, hyvin kohdistettu suunta -antenni voi kommunikoida pidemmällä etäisyydellä kuin suuntaamaton. Tämä Instructable sai inspiraationsa toisesta Instructable -ohjelmasta, joka teki suunnatun wifi -antennin (kirjaimellisesti) paperiliittimistä ja popsicle -tikkuista. Tuo Instructable sisälsi kuvion wifi Yagi -antennille, ja antennimme on tehty tästä kuviosta pienillä muutoksilla. Yagi-antenni, jota kutsutaan myös nimellä Yagi-Uda-antenni, on suunnattu antenni, joka on alun perin suunniteltu vuonna 1926. Toinen suuri antennimallien lähde ja muut antennitiedot ovat ARRL-antennikirja.

Vaikka jotkut ihmiset käyttävät Internetiä useita kertoja päivässä, monilta muilta puuttuu luotettava Internet -yhteys. Internet -yhteyden puute on ongelma sekä maaseudulla että kaupunkialueilla, ja se on ongelma sekä kehittyneissä että kehitysmaissa. Esimerkiksi 23 prosentilla Wayne County Michiganin kotitalouksista, mukaan lukien Detroit, puuttui Internet -yhteys vuonna 2017. Tämän ongelman ratkaisujen on oltava halpoja, koska monilla ihmisillä, joilla ei ole tietokoneen käyttöoikeutta, on rajalliset resurssit. Lisäksi ratkaisujen on toimittava ilman infrastruktuuria, kuten kuparilangan tai kuitukaapelien asentamista. Näissä ohjeissa näytämme kuinka rakentaa oma wifi -tukiasema, jotta voit laajentaa Internetiä itse.

Tietoja tästä opetusohjelmasta

Nämä ohjeet ovat modulaarisia. Voit noudattaa näiden ohjeiden osia välttämättä suorittamalla osia ennen tai jälkeen. Jos esimerkiksi olet kiinnostunut käyttämään Rπ0 -liitäntää tukiasemana, mutta et ole liian kiinnostunut antenneista, voit vapaasti käyttää mitä tahansa wifi -sovitinta ja jättää antennin valmistusvaiheet huomiotta. Jos haluat tehdä mukautetun Yagi -antennin, siirry suoraan opetusohjelman osaan. Antennin piirilevyasettelutiedostot ovat mukana.

Vaihe wifi -sovittimen asentamiseksi ja vaihe Rπ0: n määrittämiseksi tukiasemana testattiin Raspbian Stretch 4.14.52: n ja 4.14.79: n avulla. Toivottavasti he jatkavat työskentelyä tulevien versioiden kanssa. Näitä vaiheita on kuitenkin ehkä muutettava, jos wifi -käyttöliittymän asetustiedostot muuttuvat käyttöjärjestelmän uudemmissa versioissa.

Vaihe 1: Kerää tarvikkeita

Raspberry Pi Zero -asennukseen tarvittavat tarvikkeet

• Raspberry Pi Zero W Varmista, että saat mallin W, jossa on sisäänrakennettu wifi.

  

• Micro SD -kortti Hanki yksi vähintään 16 Gt.
• MicroSD-kortinlukija
• USB -keskitin, jossa MicroUSB -liitinhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• USB-näppäimistö ja hiirihttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Mini-HDMI-HDMI-kaapeli Varmista, että käytät Mini-HDMI-kokoa, ei Micro-HDMI-kokoa.
• HDMI -yhteensopiva näyttö
• Virtalähde Voit käyttää sen sijaan USB -akkua.

Lisävarusteet, joita tarvitaan Wifi -tukiaseman määrittämiseen

Amazon Basics USB Wifi -sovitin irrotettavalla antennilla

Mukautetut PCB -antennin tarvikkeet

• RG-58 Solderable Cable ConnectorDigikey osanumero CONSMA007-R58-ND
• Mukautettu painettu piirilevy
• Juotosrauta ja pieni määrä juotetta

Vaihe 2: Määritä Raspberry Pi Zero

Lataa Raspbian NOOBs Lite -zip -tiedosto osoitteesta https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs ja pura se.

Liitä MicroSD -kortti tietokoneeseen MicroSD -kortinlukijan avulla. MicroSD -kortin tulee olla uusi tai alustettu. Kopioi tiedostot MicroSD -kortille.

Seuraava askel on liittää Rπ0 -laitteisto. Aseta MicroSD -kortti Rπ0 -korttiin. Liitä USB -keskitin Rπ0: een ja näppäimistö ja hiiri USB -keskittimeen. Kytke Rπ0 virtalähteeseen ja kytke se. Amazon Basicsin wifi -sovitinta ei käytetä tässä vaiheessa, joten jätä se irrottamatta.

Asenna Raspbian -käyttöjärjestelmä Rπ0 -laitteeseen noudattamalla ohjatun toiminnon ohjeita. Tämä vaihe sisältää:

• Kirjautuminen vakiintuneeseen wifi -verkkoon
• Raspbian Full -ohjelman asentaminen (ole kärsivällinen, tämä kestää hetken.)
• Maan, aikavyöhykkeen ja kielen asettaminen
• Salasanan asettaminen käyttäjälle pi
• Yhdistetään vakiintuneeseen wifi -verkkoon
• Päivitys (Ole kärsivällinen, tämä kestää hetken.)
• Käynnistetään uudelleen

Tässä vaiheessa meillä on toimiva Rπ0 -tietokone, joka käyttää Raspbian -käyttöjärjestelmää. Napsauta näytön oikeassa yläkulmassa olevaa wifi -kuvaketta. Sen pitäisi näyttää wlan0, joka on yhdistetty vakiintuneeseen wifi -verkkoon.

Vaihe 3: Asenna Wifi -sovittimen ohjain

Amazon Basics -merkin wifi -sovitin sopii erinomaisesti antenniprojekteihin, koska mukana toimitettu antenni voidaan irrottaa, jotta antennimme voidaan kiinnittää. Valitettavasti Raspbian ei tunnista tätä wifi -sovitinta. Se on Realtek 818b -sovitin sarjanumerolla 70F11C0531F8. Mukaan https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, siinä oleva siru vaatii RTL8192EU -ohjaimen. Tarvittava ohjain on saatavana verkossa MrEngmanilta.

Asenna ohjain liittämällä Amazon Basic wifi -sovitin USB -keskittimeen ja avaamalla päätelaite. Kirjoita komentoriville seuraavat komennot:

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

Napsauta näytön oikeassa yläkulmassa olevaa wifi -kuvaketta.

Sen pitäisi näyttää wlan0 ja wlan1, ja molempien on oltava yhteydessä vakiintuneeseen wifi -verkkoon. Tässä vaiheessa sinulla on toimiva Rπ0 -tietokone, jossa on kaksi toimivaa wifi -sovitinta, sisäinen ja ulkoinen Amazon Basics -wifi -sovitin.

Vaihe 4: Määritä Rπ0 tukiasemana

Seuraava askel on asettaa Rπ0 toimimaan wifi -tukiasemana. Tämän vaiheen lopussa Rπ0 kutsuu ulkoista Amazon Basics -wifi -sovitinta wlan1: ksi, ja se kommunikoi vakiintuneen wifi -verkon kanssa. Rπ0 kutsuu sisäistä wifi -sovitinta wlan0: ksi, ja laitteet, kuten matkapuhelimet, tabletit ja kannettavat, voivat muodostaa yhteyden uuden wifi -verkon Rπ0 -laitteeseen. Nämä matkapuhelimet, tabletit ja kannettavat tietokoneet voivat käyttää tätä uutta wifi -tukiasemaa kommunikoidakseen Internetissä.

Tämä Rπ0 voi laajentaa vakiintuneen wifi -verkon kantamaa. Oletetaan esimerkiksi, että haluamme yhdistää matkapuhelimen Internetiin, mutta matkapuhelin on 200 metrin päässä vakiintuneesta wifi -tukiasemasta. Matkapuhelin ei ehkä pysty kommunikoimaan vakiintuneen wifi -tukiaseman kanssa. Voimme kuitenkin sijoittaa Rπ0: n ja uuden tukiaseman keskelle. Rπ0 voi sitten käyttää ulkoista wifi -sovitinta kommunikoidakseen vakiintuneen wifi -verkon kanssa, joka on vain 100 metrin päässä, ja Rπ0 voi käyttää sisäistä wifi -sovitinta kommunikoidakseen matkapuhelimen kanssa, joka on myös vain 100 metrin päässä.

Adafruitilla on erinomainen opetusohjelma Raspberry Pi: n määrittämisestä wifi -tukiasemana. Opetusohjelmassa kuvataan vaiheet, jotka sisältävät wifi -tukiaseman määrittämisen, tarvittavien pakettien asentamisen, määritystiedostojen muokkaamisen ja palveluiden käynnistämisen. Menettelyssä on kuitenkin useita vaiheita, ja ohjeita on muutettava tarkoituksiamme varten. Käytämme Rπ0: ta suuremman Raspberry Pi: n sijasta ja muodostamme yhteyden kahden langattoman tukiaseman välille langallisen ja langattoman tukiaseman sijaan. Lisäksi määritystiedostoihin on tehtävä lisämuutoksia tukiaseman määrittämiseksi onnistuneesti.

Kirjoitimme ohjelman asennusprosessin yksinkertaistamiseksi. Liitteenä oleva zip -tiedosto sisältää tarvittavat muokatut määritystiedostot sekä pienen C -ohjelman, joka automatisoi tukiaseman asennuksen. Se perustuu läheisesti Adafruit -opetusohjelmaan. Tämä ohjelma varmuuskopioi olemassa olevat määritystiedostot, kopioi zip -tiedoston sisältämät uudet määritystiedostot ja viimeistelee tukiaseman asennuksen.

Joitakin lisäpaketteja tarvitaan, ennen kuin voimme käyttää asennusohjelmaa. Asenna tarvittava ohjelmisto seuraavien komentojen avulla.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Lataa liitteenä oleva zip -tiedosto ja tallenna se uuteen hakemistoon. Avaa pääte ja vaihda kyseiseen hakemistoon. Seuraavat vaiheet ovat tiedoston purkaminen ja asennusohjelman suorittaminen.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Tämä ohjelma pyytää sinua antamaan (vakiintuneen) wifi -verkon nimen ja sen salasanan. Se perustaa uuden tukiaseman nimeltä PI_AP salasanalla Raspberry.

Kun komentosarja on valmis, käynnistä Rπ0 uudelleen. Jos nyt napsautat verkkokuvaketta näytön oikeassa yläkulmassa, se sanoo, että langattomia rajapintoja ei löydy. Älä huoli; ne ovat olemassa ja toimivat. Tässä vaiheessa alkuperäinen wifi -verkko on olemassa, ja meillä on uusi wifi -verkko nimeltä Pi_AP. Ota matkapuhelin tai muu laite ja yritä muodostaa yhteys uuteen wifi -tukiasemaan. Avaa laitteen verkkoselain ja testaa Internet -yhteys käyttäessäsi tätä uutta tukiasemaa.

Asennusohjelma muuttaa seuraavia seitsemää määritystiedostoa: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd ja /etc/sysctl.conf. Haluat ehkä tehdä lisämuutoksia näihin asetustiedostoihin. Edellä mainittu Adafruit -opetusohjelma tarjoaa lisätietoja. Muokkaa esimerkiksi tiedostoa /etc/hostapd/hostapd.conf, jos haluat muuttaa uuden tukiaseman nimen tai salasanan. Jos haluat yhdistää useita Rπ0 -tukiasemia vakiintuneeseen verkkoon, jokainen tarvitsee yksilöllisen IP -osoitteen. Asennusprosessi käyttää 192.168.42.1. Tiedostot /etc/dhcp/dhcpd.conf ja/etc/network/interfaces on muutettava. Lisäksi tarvitset komennon sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1, jossa zz korvataan toisella kokonaisluvulla. Lisäksi tämä tukiasema on testattu vain IPv4 -tiedonsiirtoa varten. Lisämuutoksia asennustoimenpiteisiin tai määritystiedostoihin saatetaan tarvita sekä tukiaseman IPv4- että IPv6 -viestinnässä.

Vaihe 5: Suunnittele antenni

Antennin suunnittelu ja tekeminen on helpompaa kuin miltä se kuulostaa. Lähestymistapamme oli aloittaa mallilla, muokata sitä, simuloida sitä varmistaaksemme, että se edelleen täyttää tarpeemme ja asettaa sen sitten piirilevylle. Jos et halua tehdä omaa antennia, käytä wifi -sovittimen mukana toimitettua antennia. Vaihtoehtoisesti, jos haluat tehdä oman antennisi, mutta et suunnittele tai simuloi sitä, olemme liittäneet piirilevyasettelutiedostomme. Lue kuitenkin, jos olet kiinnostunut antennin suunnittelusta, antennisimulaatiosta tai piirilevyasettelusta. Käyttämäämme antennia ei ole optimoitu. Tarkoituksena on näyttää, miten voit tehdä oman antennin, ei näyttää ihanteellista antennia.

Halusimme suunta -antennin, joka toimii wifi -taajuuksilla. Instructable, jolla aloitimme, sisältää yksityiskohtaisen suunnan Yagi -antennille, joka voidaan tehdä paperiliittimistä ja popsicle -tikuista. Teimme vain yhden muutoksen. Tämä antenni on 42 cm pitkä ja sisältää 15 johtavaa elementtiä. Pääsimme eroon kaikista paitsi neljästä elementistä, joten antenni on lyhyempi.

Seuraavaksi simuloimme antennia varmistaaksemme, että se oli edelleen suuntaava, vaikka siinä olisi vähemmän elementtejä. EZNECby Roy Lewallen on helppokäyttöinen antennin simulointityökalu. Käytimme EZNEC 6.0: n demoversiota. Ensimmäinen askel tämän ohjelmiston käyttöön on kuvata antenni. Napsauta Johdot -painiketta ja kirjoita antennielementtien sijainti. Näiden elementtien koko ja sijainti on kuvattu yksityiskohtaisesti antennikuviossa. Seuraavaksi asetimme taajuudeksi 2,4 GHz wifi -signaaleille ja valitsimme maan tyypiksi vapaata tilaa. Antennia kuvaava EZNEC -tiedosto, WifiYagi.ez, on liitteenä.

EZNEC -simulaation lähtö näkyy alla, ja se varmistaa, että muokattu antenni on edelleen suunnattu. Kuvan vasemmassa osassa näkyy antenni. Mustat viivat ovat johtavia elementtejä, ja punainen ympyrä toisessa elementissä on wifi -sovittimen yhteys. Kuvion oikea osa on 3D -säteilykuviokaavio. Kuvassa näkyy signaalin suhteellinen voimakkuus kiinteällä etäisyydellä lähetysantennista eri kulmista. Koska kuvaaja on x -suunnassa suurempi kuin muihin suuntiin, antenni on suunnattu. Suurin osa antennin lähettämästä energiasta menee x -suuntaan. Jos suuntaamme tämän antennin oikein ja olettaen, että kaikki muu on sama, tämän antennin pitäisi pystyä kommunikoimaan pidemmillä etäisyyksillä x -suunnassa kuin jos emme olisi käyttäneet suunta -antennia.

Seuraava askel on mukautetun piirilevyn asettaminen. Vaikka antennikuvio, josta aloitimme, on helppo rakentaa, sitä on vaikea rakentaa tarkasti. Painetut piirilevyt valmistetaan tarkemmin ja ne ovat kestävämpiä. Käytimme avoimen lähdekoodin ohjelmaa KiCad. Piirilevyasettelutiedostomme on liitetty osoitteeseen wifi_pcb.tar.gz. Voit purkaa tiedoston pakkauksen komennolla:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

PCB: n asettamisvaiheet ovat seuraavat:

• Avaa uusi KiCad -projekti.
• Siirry PCB Layout Editoriin.
• Valitse Lisää graafisia viivoja -painike ja Edge. Cuts -kerros ja määritä piirilevyn kehä.
• Valitse Lisää graafisia viivoja -painike ja F. Cu -kerros ja piirrä antennielementit kuparikerrokseen.
• Valitse Lisää Vias -painike ja aseta kaksi reikää, joihin wifi -sovitin liitetään.
• Valitse Lisää graafinen monikulmio -painike ja F. Mask -kerros ja piirrä reikä etummaiseen juotosmaskiin, jotta se ei peitä läpivientireikiä. Toista B. Mask -kerroksen avulla myös reikä takajuotosmaskiin.
• Lisää mahdolliset lisämerkit tai tarrat silkkipainokerroksiin.
• Luo Gerber -tiedostoja valitsemalla Tiedosto ja sitten Piirrä.

Vaihe 6: Tee antenni

Ostimme piirustuksestamme valmistettuja piirilevyjä. Adafruitilla on luettelo harrastajaystävällisistä PCB-valmistajista. Vaikka olemme kokeilleet muutamia PCB -valmistajia, emme todellakaan tiedä, mikä on paras. Esitetty piirilevy on Oshparkin valmistama.

Kun piirilevy on saapunut, seuraava vaihe on juottaa RG-58-koaksiaaliliitin. Piirilevyssä on kaksi läpivientireikää. Liittimen mukana toimitettu tappi on liian lyhyt, joten juota pieni lankakappale yhteen läpivientireikistä. Laita suuri juotospiste, joka yhdistää kuoren toiseen läpivientireikään. Sinulla on nyt suunnattu Yagi -wifi -antenni, joka on valmistettu mukautetusta piirilevystä.

Irrota Amazon Basicsin wifi -sovitin. Kierrä mukana toimitettu antenni irti ja kierrä uusi PCB -antenni kiinni. Liitä wifi -sovitin takaisin USB -keskittimeen. Hanke on nyt valmis.