Raspberry Pi Zero Wifi נקודת גישה עם אנטנת PCB מותאמת אישית: 6 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

מה אנחנו מכינים?

הכותרת של מדריך זה מכילה המון מונחים טכניים. בואו נפרק את זה.

מהו Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Raspberry Pi Zero הוא מחשב זעיר. זוהי הגרסה הקטנה יותר של מחשב הלוח היחיד של Raspberry Pi, והוא יכול להתאים לארגז 30 מ"מ על 65 מ"מ על 5 מ"מ. בנוסף לגודלו הקטן, הוא זול מאוד והספק נמוך מאוד. היא גם מספיק חזקה להפעלת מערכת הפעלה מלאה מבוססת לינוקס, Raspbian. כמו כל מחשב אחר, אתה יכול להשתמש ב- Rπ0 כדי לגלוש באינטרנט, לשחק משחקים, להשתמש בכלים משרדיים, לכתוב תוכנות וכן הלאה. הדרכה זו משתמשת ב- Raspberry Pi Zero Model W, הכוללת מתאם WiFi מובנה.

מהו מתאם wifi? אם אתה רוצה להשתמש ב- wifi כדי לחבר את הסלולרי, הטאבלט או המחשב הנייד שלך לאינטרנט, המכשיר שלך זקוק למתאם wifi. מתאם wifi מכיל מעגלים ואנטנה. הוא ממיר אותות נתונים אל ומגלים גלים אלקטרומגנטיים עם תדר ליד, למשל, 2.4 GHz. רוב הטלפונים הסלולריים, הטאבלטים והמחשבים הניידים מכילים מתאם WiFi מובנה. עם זאת, תוכל גם לרכוש מתאם wifi חיצוני המתחבר למחשב באמצעות USB. בפרויקט זה אנו משתמשים הן במתאם ה- wifi הפנימי של Rπ0 והן במתאם ה- wifi החיצוני.

מהי נקודת גישה ל- wifi? מספר טלפונים סלולריים, טאבלטים או מחשבים יכולים לתקשר באופן אלחוטי עם נקודת גישה אחת ל- wifi, ונתונים ממכשירים אלה מועברים דרך נקודת הגישה לאינטרנט. בפרויקט זה, Rπ0 הוא נקודת הגישה ל- wifi. מדוע תרצה נקודת גישה משלך ל- wifi? התקנים צריכים להיות במרחק של כ -100 מטרים מנקודת גישה כדי לתקשר. נניח שיש נקודת גישה ציבורית ל- wifi במרכז ספריה. כל מי שיש לו מחשב נייד במרחק זה יכול להשתמש בנקודת הגישה כדי להתחבר באופן אלחוטי. מה אם אתה רוצה גישה בפארק שליד הספרייה, 200 מטרים משם? אתה יכול לשים נקודת גישה חדשה בקצה הנכס של הספרייה, 100 מ 'מנקודת הגישה הראשונה. לאחר מכן, כל מי שיש לו מחשב נייד בטווח של 100 מ 'מנקודת הגישה החדשה הזו יכול גם הוא להיכנס לאינטרנט. בתוך גבולות רוחב הפס הזמין, ניתן לחבר נקודות גישה אלה יחד כדי להפיץ גישה לאינטרנט על פני שטח רחב יותר.

מהו לוח מודפס מותאם אישית (PCB)? PCB הוא מעגל שנבנה על ידי הפקדת שכבות של חומר על לוח בידוד. נחושת מעוצבת במקומות הרצויים ליצירת חוטים, ונקדחים חורים היכן יוצבו רכיבים. מחשבי PCB מותאמים אישית מתוכננים באמצעות תוכנות מיוחדות. לפרויקט זה תוכנן PCB מותאם אישית באמצעות תוכנת קוד פתוח KiCad. לאחר מכן נשלח העיצוב ליצרן כדי לייצר אותו. עיצוב והזמנת PCB מותאם אישית אינה יקרה ואינה גוזלת זמן. השלבים מפורטים להלן. אם אתה פורס PCB באמצעות תוכנה ומייצר אותו, אתה מקבל מעגל עמיד, מיוצר במדויק ומעוצב לפי המפרט המדויק שלך. בפרויקט זה אנו משתמשים ב- PCB מותאם אישית לייצור אנטנת wifi.

מהי אנטנה? האנטנה היא החלק מחומרת נקודת הגישה ל- wifi הממירה אותות לקרינה אלקטרומגנטית וממנה. אנטנות רבות יכולות לשדר ולקבל אותות באותה מידה מכל הכיוונים. אנטנות אחרות מכוונות ופועלות הרבה יותר טוב לאורך כיוון מסוים. בפרויקט זה בחרנו להשתמש באנטנת כיוון. כאשר אנטנה כיוונית משדרת אות, היא ממקדת את האנרגיה בכיוון מסוים, כך ששווה כל דבר, אנטנה מכוונת היטב יכולה לתקשר על פני מרחק ארוך יותר מזה שאינו כיווני. מדריך זה נוצר בהשראת מדריך אחר שהכין אנטנת wifi מכוונת מתוך מהדקים (תרתי משמע) מקלות וארטיקים. אותו מדריך הכיל דפוס לאנטנת Yagi wifi, והאנטנה שלנו עשויה מהתבנית הזו עם שינויים קלים. אנטנת Yagi, הנקראת גם אנטנת Yagi-Uda, היא סוג של אנטנת כיוון שתוכננה במקור בשנת 1926. מקור נהדר נוסף לעיצוב אנטנות, כמו גם מידע אחר על אנטנות, הוא ספר האנטנות של ARRL.

בעוד שחלק מהאנשים ניגשים לאינטרנט מספר פעמים ביום, אנשים רבים אחרים חסרים גישה לאינטרנט אמין. חוסר גישה לאינטרנט מהווה בעיה הן באזורים כפריים והן עירוניים, וזוהי בעיה במדינות מפותחות ומפותחות כאחד. לדוגמה, 23% ממשקי הבית במחוז וויין מישיגן, הכולל את דטרויט, חסרה גישה לאינטרנט בשנת 2017. הפתרונות לבעיה זו צריכים להיות זולים מכיוון שלרבים מהאנשים ללא גישה למחשב יש משאבים מוגבלים. בנוסף, הפתרונות צריכים לעבוד ללא צורך בתשתיות כגון הנחת חוט נחושת או כבלי סיבים אופטיים. בהוראות אלה אנו מראים כיצד לבנות נקודת גישה wifi משלך כך שתוכל להרחיב את האינטרנט בעצמך.

על הדרכה זו

הוראות אלה הן מודולריות. אתה יכול לעקוב אחר חלקים מהוראות אלה מבלי להשלים בהכרח את החלקים לפניה או לאחריה. לדוגמה, אם אתה מעוניין להשתמש ב- Rπ0 כנקודת גישה אך אינך מעוניין יותר מדי באנטנות, אל תהסס להשתמש בכל מתאם wifi והתעלם מהשלבים הכרוכים בהכנת האנטנה. אם אתה מעוניין ליצור אנטנת Yagi מותאמת אישית, דלג ישר לחלק זה של ההדרכה. קבצי פריסת ה- PCB לאנטנה כלולים.

השלב להתקנת מתאם ה- wifi והשלב להגדרת ה- Rπ0 כנקודת גישה נבדקו באמצעות Raspbian Stretch 4.14.52 ו- 4.14.79. אני מקווה שהם ימשיכו לעבוד עם גרסאות עתידיות. עם זאת, ייתכן שיהיה צורך לשנות שלבים אלה אם קבצי התצורה לגישה ל- WiFi ישתנו בגרסאות חדשות יותר של מערכת ההפעלה.

שלב 1: אסוף חומרים מתכלים

חומרים מתכלים הדרושים להתקנת ה- Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero WM הקפד להשיג את דגם W שבנה wifi.

  

• כרטיס מיקרו SD קבל כרטיס אחד לפחות 16GB.
• קורא כרטיסי MicroSD
• רכזת USB עם מחבר MicroUSB
• מקלדת ועכבר USB
• כבל מיני HDMI ל- HDMI הקפד לקבל את גודל Mini-HDMI, לא מיקרו HDMI.
• צג תואם HDMI
• ספק כוח אתה יכול להשתמש במקום חבילת סוללות USB.

דרושים אביזרים נוספים להקמת נקודת הגישה ל- Wifi

מתאם Wifi USB Basics של אמזון עם אנטנה ניתנת להסרה

דרושים אביזרים נוספים לאנטנת ה- PCB המותאמת אישית

• מחבר כבל RG-58 הלחמה מספר חלק של Digikey CONSMA007-R58-ND
• לוח מעגלים מודפסים בהתאמה אישית
• מלחם וכמות קטנה של הלחמה

שלב 2: הגדר את ה- Raspberry Pi Zero

הורד את קובץ ה- zip של Raspbian NOOBs Lite מ- https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs ופרק אותו.

חבר את כרטיס ה- MicroSD למחשב באמצעות קורא כרטיסי ה- MicroSD. כרטיס ה- MicroSD צריך להיות חדש או מעוצב חדש. העתק את הקבצים לכרטיס ה- MicroSD.

השלב הבא הוא חיבור חומרת Rπ0. הכנס את כרטיס ה- MicroSD ל- Rπ0. חבר את רכזת ה- USB ל- Rπ0, וחבר את המקלדת והעכבר לרכזת ה- USB. חבר את ה- Rπ0 לחשמל, וחבר אותו. מתאם ה- wifi של Amazon Basics לא ישמש בשלב זה, אז השאר אותו ללא חיבור.

עקוב אחר ההוראות באשף להתקנת מערכת ההפעלה Raspbian על ה- Rπ0. שלב זה כולל:

• כניסה לרשת ה- wifi שהוקמה
• התקנת Raspbian Full (סבלנות, זה לוקח זמן.)
• הגדרת המדינה, אזור הזמן והשפה
• הגדרת סיסמה עבור משתמש pi
• חיבור לרשת ה- wifi שהוקמה
• עדכון (סבלנות, זה לוקח זמן.)
• אתחול מחדש

בשלב זה, יש לנו מחשב Rπ0 פועל שמריץ את מערכת ההפעלה Raspbian. לחץ על סמל ה- wifi בפינה השמאלית העליונה של המסך. זה אמור להראות wlan0 מחובר לרשת ה- wifi שהוקמה.

שלב 3: התקן את מנהל ההתקן של מתאם ה- Wifi

מתאם ה- wifi של המותג Amazon Basics מצוין לפרויקטים של אנטנות מכיוון שניתן לפתוח את האנטנה המסופקת כך שניתן להבריג את האנטנה שלנו. לרוע המזל, Raspbian אינו מזהה את מתאם ה- wifi הזה. זהו מתאם Realtek 818b עם מספר סידורי 70F11C0531F8. על פי https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, השבב בו דורש את מנהל ההתקן RTL8192EU. הנהג הדרוש זמין באינטרנט מ- MrEngman.

כדי להתקין את מנהל ההתקן, חבר את מתאם ה- WiFi Basic של Amazon לרכזת ה- USB ופתח מסוף. הזן את הפקודות הבאות בשורת הפקודה:

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

לחץ על סמל ה- wifi בפינה השמאלית העליונה של המסך.

הוא אמור להראות wlan0 ו- wlan1, ושניהם צריכים להיות מחוברים לרשת ה- wifi שהוקמה. בשלב זה, יש לך מחשב Rπ0 עובד עם שני מתאמי wifi פועלים, אחד הפנימי ומתאם ה- wifi החיצוני של Amazon Basics.

שלב 4: הגדר את Rπ0 כנקודת גישה

השלב הבא הוא הגדרת ה- Rπ0 לשמש כנקודת גישה ל- wifi. בסוף שלב זה, מתאם ה- wifi החיצוני של Amazon Basics ייקרא wlan1 על ידי Rπ0, והוא יתקשר עם רשת ה- wifi שהוקמה. מתאם ה- wifi הפנימי ייקרא wlan0 על ידי Rπ0, והתקנים כגון טלפונים ניידים, טאבלטים ומחשבים ניידים יכולים להתחבר ל- Rπ0 ברשת ה- wifi החדשה. טלפונים סלולריים, טאבלטים ומחשבים ניידים אלה יוכלו להשתמש בנקודת גישה חדשה זו כדי לתקשר באינטרנט.

Rπ0 זה יכול להרחיב את הטווח של רשת wifi מבוססת. לדוגמה, נניח שאנחנו רוצים לחבר טלפון סלולרי לאינטרנט, אך הסלולרי נמצא 200 מ 'מנקודת הגישה ל- wifi שהוקמה. ייתכן שהסלולרי לא יוכל לתקשר עם נקודת גישה מבוססת wifi כל כך רחוקה. עם זאת, אנו יכולים למקם את Rπ0 עם נקודת הגישה החדשה באמצע. ה- Rπ0 יכול אז להשתמש במתאם ה- wifi החיצוני כדי לתקשר עם רשת ה- wifi המוקמת שנמצאת במרחק של 100 מ 'בלבד, ו- Rπ0 יכול להשתמש במתאם ה- wifi הפנימי כדי לתקשר עם הסלולרי שנמצא גם הוא במרחק של 100 מ' בלבד.

ל- Adafruit הדרכה מצוינת כיצד להגדיר פטל פטל כנקודת גישה ל- wifi. המדריך מפרט את השלבים הכוללים הגדרת נקודת הגישה ל- wifi, התקנת חבילות דרושות, עריכת קבצי תצורה והפעלת שירותים. עם זאת, להליך מספר שלבים, ויש לשנות את ההוראות למטרותינו. אנו משתמשים ב- Rπ0 במקום ב- Raspberry Pi הגדול יותר, ואנו יוצרים חיבור בין שתי נקודות גישה אלחוטיות במקום נקודת גישה קווית ואלחוטית. בנוסף, יש צורך בשינויים נוספים בקבצי התצורה כדי להגדיר את נקודת הגישה בהצלחה.

כתבנו תוכנית לפשט את תהליך ההתקנה. קובץ ה- zip המצורף מכיל את קבצי התצורה הנדרשים כמו גם תוכנית C קטנה אשר הופכת את נקודת הגישה לאוטומטית. הוא מבוסס באופן הדוק על מדריך Adafruit. תוכנית זו מגבה את קבצי התצורה הקיימים, מעתיקה את קובצי התצורה החדשים הכלולים בקובץ ה- zip ומשלימה את התקנת נקודת הגישה.

יש צורך בחבילות נוספות לפני שנוכל להשתמש בסקריפט ההתקנה. השתמש בפקודות הבאות להתקנת התוכנה הדרושה.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

הורד את קובץ ה- zip המצורף ושמור אותו בספרייה חדשה. פתח מסוף ושנה לספרייה זו. השלבים הבאים הם לפרוק את הקובץ ולהריץ את סקריפט ההתקנה.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

תוכנית זו תבקש ממך להזין את שם רשת ה- wifi (הוקמה) והסיסמה שלה. הוא יקים נקודת גישה חדשה בשם PI_AP עם הסיסמה פטל.

לאחר סיום התסריט, הפעל מחדש את Rπ0. כעת, אם תלחץ על סמל הרשת בחלק הימני העליון של המסך, כתוב שלא נמצאו ממשקים אלחוטיים. אל תדאג; הם קיימים ועובדים. בשלב זה קיימת רשת ה- wifi המקורית, ויש לנו רשת WiFi חדשה בשם Pi_AP. קח טלפון סלולרי או מכשיר אחר ונסה להתחבר לנקודת הגישה החדשה ל- wifi. פתח דפדפן אינטרנט במכשיר כדי לבדוק את חיבור האינטרנט בעת שימוש בנקודת גישה חדשה זו.

שבעת קבצי התצורה הבאים משתנים על ידי תוכנית ההתקנה: /etc/dhcp/dhcpd.conf,/etc/default/isc-dhcp-server,/etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf,/etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd ו- /etc/sysctl.conf. ייתכן שתרצה לבצע שינויים נוספים בקבצי התצורה הללו. מדריך Adafruit שהוזכר לעיל מספק פרטים נוספים. לדוגמה, שנה את הקובץ /etc/hostapd/hostapd.conf אם ברצונך לשנות את שם נקודת הגישה החדשה שלך או את הסיסמה שלה. אם אתה רוצה לחבר נקודות גישה מרובות Rπ0 לרשת שהוקמה, כל אחת מהן צריכה כתובת IP ייחודית. תהליך ההתקנה משתמש ב- 192.168.42.1. יהיה צורך לשנות את הקבצים /etc/dhcp/dhcpd.conf ו/etc/network/ממשקים. בנוסף, תזדקק לפקודה sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 כאשר zz מוחלף במספר שלם אחר. כמו כן, נקודת גישה זו נבדקה לתקשורת IPv4 בלבד. ייתכן שיהיה צורך בשינויים נוספים בהליך ההתקנה או בקבצי התצורה הן עבור תקשורת IPv4 והן IPv6 בנקודת הגישה.

שלב 5: עיצוב האנטנה

עיצוב ויצירת אנטנה קלים יותר ממה שזה נשמע. הגישה שלנו הייתה להתחיל בתבנית, לשנות אותה, לדמות אותה כדי להבטיח שהיא עדיין מספקת את צרכינו ולאחר מכן להניח אותה על לוח PCB. אם אינך רוצה לייצר אנטנה משלך, השתמש באחד המצורף למתאם ה- wifi. לחלופין, אם אתה רוצה ליצור, אך לא לעצב או לדמות, אנטנה משלך, צירפנו את קבצי פריסת ה- PCB שלנו. עם זאת, המשך לקרוא אם אתה מעוניין בעיצוב אנטנות, הדמיית אנטנות או פריסת PCB. האנטנה שבה אנו משתמשים לא הופעלה. המטרה כאן היא להראות כיצד אתה יכול ליצור אנטנה משלך, לא להציג אנטנה אידיאלית.

רצינו אנטנה כיוונית שעובדת בתדרי wifi. המדריך שהתחלנו בו כולל תבנית מפורטת לאנטנת Yagi מכוונת הניתנת לבנה מאבניות ומקלות ארטיק. ביצענו רק שינוי אחד. אורכה של אנטנה זו הוא 42 ס מ ומכיל 15 אלמנטים מוליכים. נפטרנו מכל המרכיבים מלבד ארבעה, כך שהאנטנה תהיה קצרה יותר.

לאחר מכן, הדמנו את האנטנה כדי לוודא שהיא עדיין מכוונת, אפילו עם פחות אלמנטים. EZNECby Roy Lewallen הוא כלי סימולציה לאנטנה קל לשימוש. השתמשנו בגרסת ההדגמה של EZNEC 6.0. הצעד הראשון לשימוש בתוכנה זו הוא תיאור האנטנה. לחץ על כפתור Wires והזן את המיקום של רכיבי האנטנה. הגודל והמיקום של האלמנטים הללו מפורטים בדפוס האנטנה. לאחר מכן, הגדרנו את התדר ל- 2.4 GHz עבור אותות wifi, ובחרנו בסוג הקרקע שיהיה מקום פנוי. מצורף קובץ EZNEC המתאר את האנטנה, WifiYagi.ez.

הפלט של סימולציית EZNEC מוצג להלן והוא מאמת שהאנטנה שהשתנתה עדיין מכוונת. החלק השמאלי של הדמות מציג את האנטנה. הקווים השחורים הם האלמנטים המוליכים, והעיגול האדום באלמנט השני הוא המקום בו מתחבר מתאם ה- wifi. החלק הימני של הדמות הוא חלקת תבנית הקרינה התלת -ממדית. האיור מראה את החוזק היחסי של האות במרחק קבוע מאנטנת שידור בזוויות שונות. מכיוון שהעלילה גדולה יותר בכיוון x מאשר בכיוונים אחרים, האנטנה מכוונת. רוב האנרגיה המועברת על ידי האנטנה תלך בכיוון x. אם אנו מכוונים את האנטנה הזו כראוי, ובהנחה שכל השאר שווים, אנטנה זו אמורה להיות מסוגלת לתקשר למרחקים ארוכים יותר בכיוון x מאשר אם לא היינו משתמשים באנטנה כיוונית.

השלב הבא הוא פריסת ה- PCB המותאם אישית. דפוס האנטנה שהתחלנו איתו אמנם קל לבנות, אך קשה לבנות אותו במדויק. מעגלים מודפסים מיוצרים בצורה מדויקת יותר, והם עמידים יותר. השתמשנו בתוכנית קוד פתוח KiCad. קבצי פריסת ה- PCB שלנו מצורפים ב- wifi_pcb.tar.gz. כדי לפתוח את הקובץ, השתמש בפקודה:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

השלבים לפריסת ה- PCB הם:

• פתח פרויקט KiCad חדש.
• עבור אל עורך פריסת ה- PCB.
• בחר בלחצן הוסף קווים גרפיים ובשכבה Edge. Cuts והגדר את היקף הלוח.
• בחר בלחצן הוסף קווים גרפיים ובשכבת F. Cu, וצייר את רכיבי האנטנה בשכבת הנחושת הקדמית.
• בחר בלחצן הוסף Vias והכנס שני חורים שבהם מחובר מתאם ה- wifi.
• בחר בכפתור הוסף מצולע גרפי ושכבת F. מסכה, וצייר חור במסכת ההלחמה הקדמית כך שלא יכסה את חורי הווידיאו. חזור על הפעולה באמצעות שכבת B. Mask כדי לצייר חור גם במסכת הלחמה האחורית.
• הוסף את כל הסימנים או התוויות הרצויים לשכבות מסך המשי.
• בחר קובץ ואז תכנן כדי ליצור קבצי Gerber.

שלב 6: הכינו את האנטנה

רכשנו מחשבי PCB המיוצרים מהפריסה שלנו. ל- Adafruit יש רשימה של יצרני PCB ידידותיים לתחביבים. למרות שניסינו כמה יצרני PCB, אנחנו באמת לא יודעים מה הטוב ביותר. ה- PCB המוצג יוצר על ידי Oshpark.

לאחר הגעת ה- PCB, השלב הבא הוא הלחמה על מחבר הקואקס RG-58. ל- PCB יש שני חורי דרך. הסיכה שמגיעה עם המחבר קצרה מדי, לכן הלחם פיסת חוט קטנה לאחד מחורי ה via. שים נקודה גדולה של הלחמה המחברת את הקליפה לחור השני דרך. כעת יש לך אנטנת wifi Yagi מכוונת העשויה ממחשב אישי מותאם אישית.

נתק את מתאם ה- wifi של Amazon Basics. הברג את האנטנה שהגיעה איתה, והברג את אנטנת ה- PCB החדשה. חבר שוב את מתאם ה- wifi לרכזת ה- USB. הפרויקט הסתיים כעת.