Access Point WiFi Raspberry Pi Zero con Antenna PCB Personalizzata: 6 Passaggi (Illustrato)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Cosa stiamo facendo?

Il titolo di questo tutorial contiene molti termini tecnici. Rompiamolo.

Cos'è un Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Un Raspberry Pi Zero è un piccolo computer. È la versione più piccola del computer a scheda singola Raspberry Pi e può essere inserita in una scatola da 30 mm per 65 mm per 5 mm. Oltre alle sue piccole dimensioni, è molto economico e di bassissima potenza. È anche abbastanza potente da eseguire un sistema operativo completo basato su Linux, Raspbian. Come con qualsiasi altro computer, puoi utilizzare l'Rπ0 per navigare sul Web, giocare, utilizzare strumenti da ufficio, scrivere software e così via. Questo tutorial utilizza il Raspberry Pi Zero Model W, che ha un adattatore wifi integrato.

Che cos'è un adattatore Wi-Fi? Se desideri utilizzare il Wi-Fi per connettere il tuo cellulare, tablet o laptop a Internet, il tuo dispositivo necessita di un adattatore Wi-Fi. Un adattatore wifi contiene circuiti e un'antenna. Converte i segnali di dati da e verso onde elettromagnetiche con frequenza vicina, ad esempio, a 2,4 GHz. La maggior parte dei cellulari, tablet e laptop contiene un adattatore wifi integrato. Tuttavia, puoi anche acquistare un adattatore wifi esterno che si collega a un computer tramite USB. In questo progetto utilizziamo sia l'adattatore Wi-Fi interno dell'Rπ0 che un adattatore Wi-Fi esterno.

Che cos'è un punto di accesso Wi-Fi? Più cellulari, tablet o computer possono comunicare in modalità wireless con un singolo punto di accesso Wi-Fi e i dati da questi dispositivi vengono trasferiti attraverso il punto di accesso a Internet. In questo progetto, l'Rπ0 è il punto di accesso wifi. Perché vorresti il tuo punto di accesso Wi-Fi? I dispositivi devono trovarsi entro circa 100 metri da un punto di accesso per comunicare. Supponiamo che ci sia un punto di accesso Wi-Fi pubblico al centro di una biblioteca. Chiunque disponga di un laptop entro quella distanza può utilizzare il punto di accesso per connettersi in modalità wireless. E se volessi accedere al parco accanto alla biblioteca, a 200 metri di distanza? È possibile inserire un nuovo punto di accesso ai margini della proprietà della biblioteca, a 100 m dal primo punto di accesso. Quindi, anche chiunque disponga di un laptop entro 100 m dal nuovo punto di accesso può collegarsi online. Entro i limiti della larghezza di banda disponibile, questi punti di accesso possono essere concatenati per diffondere l'accesso a Internet su un'area più ampia.

Che cos'è un circuito stampato (PCB) personalizzato? Un PCB è un circuito costruito depositando strati di materiale su una lastra isolante. Il rame viene modellato nelle posizioni desiderate per formare i fili e vengono praticati dei fori dove verranno posizionati i componenti. I PCB personalizzati sono progettati utilizzando un software specializzato. Per questo progetto è stato progettato un PCB personalizzato utilizzando il software open source KiCad. Il design è stato quindi inviato a un produttore per essere prodotto. Progettare e ordinare un PCB personalizzato non è né costoso né dispendioso in termini di tempo. I passaggi sono dettagliati di seguito. Se disponi un PCB utilizzando un software e lo fai fabbricare, ottieni un circuito durevole, fabbricato con precisione e progettato secondo le tue specifiche esatte. In questo progetto, utilizziamo un PCB personalizzato per realizzare un'antenna wifi.

Cos'è un'antenna? L'antenna è la parte dell'hardware del punto di accesso wifi che converte i segnali da e verso le radiazioni elettromagnetiche. Molte antenne possono trasmettere e ricevere segnali ugualmente bene da tutte le direzioni. Altre antenne sono direzionali, operando molto meglio lungo una particolare direzione. In questo progetto, abbiamo scelto di utilizzare un'antenna direzionale. Quando un'antenna direzionale trasmette un segnale, concentra l'energia in una particolare direzione, quindi, a parità di altre condizioni, un'antenna direzionale ben allineata può comunicare su una distanza maggiore rispetto a un'antenna non direzionale. Questo Instructable è stato ispirato da un altro Instructable che ha realizzato un'antenna wifi direzionale con (letteralmente) graffette e bastoncini per ghiaccioli. Quel Instructable conteneva uno schema per un'antenna Wi-Fi Yagi, e la nostra antenna è fatta da quel modello con lievi modifiche. Un'antenna Yagi, chiamata anche antenna Yagi-Uda, è un tipo di antenna direzionale originariamente progettata nel 1926. Un'altra grande fonte di progetti di antenne, così come altre informazioni sulle antenne, è il libro sulle antenne ARRL.

Mentre alcune persone accedono a Internet più volte al giorno, molte altre non dispongono di un accesso a Internet affidabile. La mancanza di accesso a Internet è un problema sia nelle aree rurali che urbane, ed è un problema sia nei paesi sviluppati che in quelli in via di sviluppo. Ad esempio, il 23% delle famiglie nella contea di Wayne nel Michigan, che include Detroit, non aveva accesso a Internet nel 2017. Le soluzioni a questo problema devono essere economiche perché molte delle persone senza accesso al computer hanno risorse limitate. Inoltre, le soluzioni devono funzionare senza richiedere infrastrutture come la posa di fili di rame o cavi in fibra ottica. In queste istruzioni mostriamo come costruire il tuo punto di accesso Wi-Fi in modo da poter estendere Internet da solo.

Informazioni su questo tutorial

Queste istruzioni sono modulari. È possibile seguire parti di queste istruzioni senza necessariamente completare le parti prima o dopo. Ad esempio, se sei interessato a utilizzare un Rπ0 come punto di accesso ma non sei troppo interessato alle antenne, sentiti libero di utilizzare qualsiasi adattatore wifi e ignora i passaggi relativi alla realizzazione dell'antenna. Se sei interessato a creare un'antenna Yagi personalizzata, passa direttamente a quella parte del tutorial. I file di layout PCB per l'antenna sono inclusi.

Il passaggio per installare l'adattatore wifi e il passaggio per configurare l'Rπ0 come punto di accesso sono stati testati utilizzando Raspbian Stretch 4.14.52 e 4.14.79. Speriamo che continueranno a funzionare con le versioni future. Tuttavia, potrebbe essere necessario modificare questi passaggi se i file di configurazione per l'accesso Wi-Fi cambiano nelle versioni più recenti del sistema operativo.

Passaggio 1: raccogliere i rifornimenti

Materiali di consumo necessari per l'installazione di Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero WAssicurati di ottenere il modello W con Wi-Fi integrato.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Scheda Micro SD Ottienine una da almeno 16 GB.
• Lettore di schede MicroSD
• Hub USB con connettore MicroUSBhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• Tastiera e mouse USBhttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Cavo da Mini-HDMI a HDMIAssicurati di avere le dimensioni Mini-HDMI, non Micro-HDMI.
• Monitor compatibile con HDMI
• Alimentazione È possibile utilizzare invece una batteria USB.https://www.adafruit.com/product/1995

Forniture aggiuntive necessarie per la configurazione del punto di accesso Wi-Fi

Amazon Basics Adattatore Wi-Fi USB con antenna rimovibile

Materiali di consumo aggiuntivi necessari per l'antenna PCB personalizzata

• Connettore per cavo saldabile RG-58Codice Digikey CONSMA007-R58-ND
• Circuito stampato personalizzato
• Saldatore e piccola quantità di saldatura

Passaggio 2: configura il Raspberry Pi Zero

Scarica il file zip Raspbian NOOBs Lite da https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs e decomprimilo.

Collega la scheda MicroSD al computer utilizzando il lettore di schede MicroSD. La scheda MicroSD dovrebbe essere nuova o formattata di recente. Copia i file sulla scheda MicroSD.

Il passaggio successivo consiste nel collegare l'hardware Rπ0. Inserisci la scheda MicroSD nell'Rπ0. Collegate l'hub USB all'Rπ0 e collegate la tastiera e il mouse all'hub USB. Collega l'Rπ0 all'alimentatore e collegalo. L'adattatore wifi Amazon Basics non verrà utilizzato in questo passaggio, quindi lascialo scollegato.

Seguire le istruzioni della procedura guidata per installare il sistema operativo Raspbian sull'Rπ0. Questo passaggio comporta:

• Accedere alla rete Wi-Fi stabilita
• Installazione di Raspbian Full (sii paziente, ci vuole un po' di tempo.)
• Impostazione del paese, del fuso orario e della lingua
• Impostazione di una password per l'utente pi
• Connessione alla rete Wi-Fi stabilita
• Aggiornamento (sii paziente, ci vuole un po' di tempo.)
• Riavvio

A questo punto, abbiamo un computer Rπ0 funzionante che esegue il sistema operativo Raspbian. Fare clic sull'icona Wi-Fi nell'angolo in alto a destra dello schermo. Dovrebbe mostrare wlan0 connesso alla rete Wi-Fi stabilita.

Passaggio 3: installare il driver dell'adattatore Wi-Fi

L'adattatore wifi del marchio Amazon Basics è ottimo per i progetti di antenne perché l'antenna in dotazione può essere svitata in modo che la nostra antenna possa essere avvitata. Sfortunatamente, Raspbian non riconosce questo adattatore wifi. È un adattatore Realtek 818b con numero di serie 70F11C0531F8. Secondo https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, il chip al suo interno richiede il driver RTL8192EU. Il driver necessario è disponibile online da MrEngman.

Per installare il driver, collega l'adattatore wifi Amazon Basic all'hub USB e apri un terminale. Immettere i seguenti comandi sulla riga di comando:

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

Fare clic sull'icona Wi-Fi in alto a destra dello schermo.

Dovrebbe mostrare wlan0 e wlan1 ed entrambi dovrebbero essere collegati alla rete wifi stabilita. A questo punto, hai un computer Rπ0 funzionante con due adattatori Wi-Fi funzionanti, quello interno e l'adattatore Wi-Fi Amazon Basics esterno.

Passaggio 4: configurare l'Rπ0 come punto di accesso

Il passaggio successivo consiste nell'impostare l'Rπ0 in modo che funga da punto di accesso Wi-Fi. Al termine di questo passaggio, l'adattatore wifi esterno di Amazon Basics verrà chiamato wlan1 da Rπ0 e comunicherà con la rete wifi stabilita. L'adattatore wifi interno sarà chiamato wlan0 dall'Rπ0 e dispositivi come cellulari, tablet e laptop possono connettersi all'Rπ0 sulla nuova rete wifi. Questi cellulari, tablet e laptop potranno utilizzare questo nuovo punto di accesso Wi-Fi per comunicare su Internet.

Questo Rπ0 può estendere la portata di una rete Wi-Fi stabilita. Ad esempio, supponiamo di voler connettere un cellulare a Internet, ma il cellulare si trova a 200 m dal punto di accesso wifi stabilito. Il cellulare potrebbe non essere in grado di comunicare con un punto di accesso Wi-Fi stabilito così lontano. Tuttavia, possiamo posizionare l'Rπ0 con il nuovo punto di accesso nel mezzo. L'Rπ0 può quindi utilizzare l'adattatore wifi esterno per comunicare con la rete wifi stabilita che si trova a soli 100 m di distanza e l'Rπ0 può utilizzare l'adattatore wifi interno per comunicare con il cellulare, anch'esso a soli 100 m di distanza.

Adafruit ha un eccellente tutorial su come configurare un Raspberry Pi come punto di accesso Wi-Fi. Il tutorial descrive in dettaglio i passaggi che includono la configurazione del punto di accesso Wi-Fi, l'installazione dei pacchetti necessari, la modifica dei file di configurazione e l'avvio dei servizi. Tuttavia, la procedura prevede più passaggi e le istruzioni devono essere modificate per i nostri scopi. Stiamo utilizzando un Rπ0 invece del Raspberry Pi più grande e stiamo stabilendo una connessione tra due punti di accesso wireless invece di un punto di accesso cablato e wireless. Inoltre, sono necessarie ulteriori modifiche ai file di configurazione per configurare correttamente il punto di accesso.

Abbiamo scritto un programma per semplificare il processo di installazione. Il file zip allegato contiene i file di configurazione modificati necessari e un piccolo programma C che automatizza la configurazione del punto di accesso. È strettamente basato sul tutorial di Adafruit. Questo programma esegue il backup dei file di configurazione esistenti, copia i nuovi file di configurazione contenuti nel file zip e completa l'installazione del punto di accesso.

Sono necessari alcuni pacchetti aggiuntivi prima di poter utilizzare lo script di installazione. Utilizzare i seguenti comandi per installare il software necessario.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Scarica il file zip allegato e salvalo in una nuova directory. Apri un terminale e passa a quella directory. I passaggi successivi sono decomprimere il file ed eseguire lo script di installazione.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Questo programma ti chiederà di inserire il nome della rete wifi (stabilita) e la sua password. Verrà configurato un nuovo punto di accesso denominato PI_AP con password Raspberry.

Al termine dello script, riavviare Rπ0. Ora, se fai clic sull'icona di rete nella parte in alto a destra dello schermo, si dice che non sono state trovate interfacce wireless. Non preoccuparti; esistono e funzionano. A questo punto, esiste la rete wifi originale e abbiamo una nuova rete wifi chiamata Pi_AP. Prendi un cellulare o un altro dispositivo e prova a connetterti al nuovo punto di accesso wifi. Aprire un browser Web sul dispositivo per testare la connessione Internet durante l'utilizzo di questo nuovo punto di accesso.

I seguenti sette file di configurazione vengono modificati dal programma di installazione: /etc/dhcp/dhcpd.conf, /etc/default/isc-dhcp-server, /etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf, /etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd e /etc/sysctl.conf. Potresti voler apportare modifiche aggiuntive a questi file di configurazione. Il tutorial di Adafruit sopra menzionato fornisce ulteriori dettagli. Ad esempio, modifica il file /etc/hostapd/hostapd.conf se vuoi cambiare il nome del tuo nuovo access point o la sua password. Se desideri connettere più punti di accesso Rπ0 alla tua rete stabilita, ognuno ha bisogno di un indirizzo IP univoco. Il processo di installazione utilizza 192.168.42.1. I file /etc/dhcp/dhcpd.conf e /etc/network/interfaces dovranno essere modificati. Inoltre, avrai bisogno del comando sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 dove zz è sostituito da un altro intero. Inoltre, questo punto di accesso è stato testato solo per la comunicazione IPv4. Potrebbero essere necessarie ulteriori modifiche alla procedura di installazione o ai file di configurazione per la comunicazione IPv4 e IPv6 sul punto di accesso.

Passaggio 5: progettare l'antenna

Progettare e realizzare un'antenna è più facile di quanto sembri. Il nostro approccio è stato quello di iniziare con un modello, modificarlo, simularlo per assicurarci che soddisfi ancora le nostre esigenze e quindi disporlo su un PCB. Se non vuoi creare la tua antenna, usa quella fornita con l'adattatore wifi. In alternativa, se desideri realizzare, ma non progettare o simulare, la tua antenna, abbiamo allegato i nostri file di layout PCB. Tuttavia, continua a leggere se sei interessato al design dell'antenna, alla simulazione dell'antenna o al layout del PCB. L'antenna che usiamo non è stata ottimizzata. Lo scopo qui è mostrare come puoi creare la tua antenna, non mostrare un'antenna ideale.

Volevamo un'antenna direzionale che funzionasse alle frequenze wifi. L'Instructable con cui abbiamo iniziato include uno schema dettagliato per un'antenna Yagi direzionale che può essere realizzata con graffette e bastoncini per ghiaccioli. Abbiamo fatto una sola modifica. Questa antenna è lunga 42 cm e contiene 15 elementi conduttivi. Abbiamo eliminato tutti gli elementi tranne quattro, quindi l'antenna sarà più corta.

Successivamente, abbiamo simulato l'antenna per assicurarci che fosse ancora direzionale, anche con meno elementi. EZNEC di Roy Lewallen è uno strumento di simulazione dell'antenna facile da usare. Abbiamo usato la versione demo di EZNEC 6.0. Il primo passo per utilizzare questo software è descrivere l'antenna. Fare clic sul pulsante Fili e inserire la posizione degli elementi dell'antenna. La dimensione e la posizione di questi elementi sono dettagliate nel modello dell'antenna. Successivamente, abbiamo impostato la frequenza su 2,4 GHz per i segnali wifi e abbiamo scelto il tipo di terreno come spazio libero. Il file EZNEC che descrive l'antenna, WifiYagi.ez, è allegato.

L'output della simulazione EZNEC è mostrato di seguito e verifica che l'antenna modificata sia ancora direzionale. La parte sinistra della figura mostra l'antenna. Le linee nere sono gli elementi conduttivi e il cerchio rosso sul secondo elemento è il punto in cui si connette l'adattatore wifi. La parte destra della figura è il diagramma del diagramma di radiazione 3D. La figura mostra la forza relativa del segnale a una distanza fissa da un'antenna trasmittente a diverse angolazioni. Poiché il grafico è più grande nella direzione x rispetto alle altre direzioni, l'antenna è direzionale. La maggior parte dell'energia trasmessa dall'antenna andrà nella direzione x. Se orientiamo questa antenna correttamente e supponendo che tutto il resto sia uguale, questa antenna dovrebbe essere in grado di comunicare su distanze maggiori nella direzione x rispetto a se non avessimo usato un'antenna direzionale.

Il passaggio successivo consiste nel disporre il PCB personalizzato. Mentre il modello di antenna con cui abbiamo iniziato è facile da costruire, è difficile da costruire con precisione. I circuiti stampati sono prodotti in modo più accurato e sono più durevoli. Abbiamo usato il programma open source KiCad. I nostri file di layout PCB sono allegati, in wifi_pcb.tar.gz. Per decomprimere il file, usa il comando:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

I passaggi per disporre il PCB sono:

• Apri un nuovo progetto KiCad.
• Vai all'editor di layout PCB.
• Selezionare il pulsante Aggiungi linee grafiche e il livello Edge. Cuts e definire il perimetro del PCB.
• Seleziona il pulsante Aggiungi linee grafiche e il livello F. Cu e disegna gli elementi dell'antenna nel livello di rame anteriore.
• Seleziona il pulsante Aggiungi Via e inserisci due fori in cui verrà collegato l'adattatore Wi-Fi.
• Seleziona il pulsante Aggiungi poligono grafico e il livello F. Mask e disegna un foro nella maschera di saldatura anteriore in modo che non copra i fori passanti. Ripeti usando il livello B. Mask per disegnare un foro anche nella maschera di saldatura posteriore.
• Aggiungi eventuali segni o etichette aggiuntivi desiderati ai livelli serigrafici.
• Seleziona File quindi Plot per generare file Gerber.

Passaggio 6: crea l'antenna

Abbiamo acquistato PCB realizzati con il nostro layout. Adafruit ha un elenco di produttori di PCB a misura di hobbista. Anche se abbiamo provato alcuni produttori di PCB, non sappiamo davvero quale sia il migliore. Il PCB mostrato è stato prodotto da Oshpark.

Una volta arrivato il PCB, il passo successivo è saldare il connettore coassiale RG-58. Il PCB ha due fori passanti. Il pin fornito con il connettore è troppo corto, quindi saldare un piccolo pezzo di filo in uno dei fori passanti. Metti un grosso punto di saldatura collegando il guscio all'altro tramite il foro. Ora hai un'antenna Wi-Fi Yagi direzionale realizzata con un PCB personalizzato.

Scollega l'adattatore wifi Amazon Basics. Svitare l'antenna in dotazione e avvitare la nuova antenna PCB. Ricollega l'adattatore Wi-Fi all'hub USB. Il progetto è ora completo.