Raspberry Pi Zero Wifi Access Point mit einer benutzerdefinierten PCB-Antenne - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Was machen wir?

Der Titel dieses Tutorials enthält viele Fachbegriffe. Lass es uns aufschlüsseln.

Was ist ein Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Ein Raspberry Pi Zero ist ein winziger Computer. Es ist die kleinere Version des Raspberry Pi Einplatinencomputers und passt in eine 30 mm x 65 mm x 5 mm große Box. Neben seiner geringen Größe ist es sehr kostengünstig und sehr stromsparend. Es ist auch leistungsstark genug, um ein vollständiges Linux-basiertes Betriebssystem, Raspbian, auszuführen. Wie bei jedem anderen Computer können Sie mit dem Rπ0 im Internet surfen, Spiele spielen, Office-Tools verwenden, Software schreiben usw. In diesem Tutorial wird das Raspberry Pi Zero Model W verwendet, das über einen integrierten WLAN-Adapter verfügt.

Was ist ein WLAN-Adapter? Wenn Sie Ihr Handy, Tablet oder Laptop über WLAN mit dem Internet verbinden möchten, benötigt Ihr Gerät einen WLAN-Adapter. Ein WLAN-Adapter enthält Schaltkreise und eine Antenne. Es wandelt Datensignale in und von elektromagnetischen Wellen mit einer Frequenz nahe beispielsweise 2,4 GHz um. Die meisten Mobiltelefone, Tablets und Laptops enthalten einen integrierten WLAN-Adapter. Sie können jedoch auch einen externen WLAN-Adapter erwerben, der über USB mit einem Computer verbunden wird. In diesem Projekt verwenden wir sowohl den internen WLAN-Adapter des Rπ0 als auch einen externen WLAN-Adapter.

Was ist ein WLAN-Zugangspunkt? Mehrere Mobiltelefone, Tablets oder Computer können drahtlos mit einem einzigen WLAN-Zugangspunkt kommunizieren, und Daten von diesen Geräten werden über den Zugangspunkt ins Internet übertragen. In diesem Projekt ist der Rπ0 der WLAN-Zugangspunkt. Warum möchten Sie einen eigenen WLAN-Zugangspunkt? Geräte müssen sich innerhalb von etwa 100 Metern von einem Zugangspunkt befinden, um zu kommunizieren. Angenommen, es gibt einen öffentlichen WLAN-Zugangspunkt in der Mitte einer Bibliothek. Jeder, der einen Laptop in dieser Entfernung hat, kann den Access Point verwenden, um drahtlos online zu gehen. Was ist, wenn Sie Zugang zum Park neben der Bibliothek in 200 Metern Entfernung haben möchten? Sie können einen neuen Zugangspunkt am Rand des Bibliotheksgeländes, 100 m vom ersten Zugangspunkt entfernt, platzieren. Dann kann auch jeder, der einen Laptop im Umkreis von 100 m um diesen neuen Zugangspunkt hat, online gehen. Innerhalb der Grenzen der verfügbaren Bandbreite können diese Zugangspunkte miteinander verkettet werden, um den Internetzugang über einen größeren Bereich zu verteilen.

Was ist eine kundenspezifische Leiterplatte (PCB)? Eine PCB ist eine Schaltung, die durch Abscheiden von Materialschichten auf einer Isolierplatte aufgebaut wird. Kupfer wird an gewünschten Stellen gemustert, um Drähte zu bilden, und Löcher werden gebohrt, wo die Komponenten platziert werden. Kundenspezifische Leiterplatten werden mit spezieller Software entworfen. Für dieses Projekt wurde eine kundenspezifische Leiterplatte mit der Open-Source-Software KiCad entworfen. Das Design wurde dann zur Produktion an einen Hersteller geschickt. Das Entwerfen und Bestellen einer kundenspezifischen Leiterplatte ist weder teuer noch zeitaufwändig. Die Schritte sind unten beschrieben. Wenn Sie eine Leiterplatte mit Software auslegen und herstellen lassen, erhalten Sie eine Schaltung, die langlebig, präzise gefertigt und exakt nach Ihren Vorgaben ausgelegt ist. In diesem Projekt verwenden wir eine benutzerdefinierte Leiterplatte, um eine WLAN-Antenne herzustellen.

Was ist eine Antenne? Die Antenne ist der Teil der WLAN-Access-Point-Hardware, der Signale in und aus elektromagnetischer Strahlung umwandelt. Viele Antennen können Signale aus allen Richtungen gleich gut senden und empfangen. Andere Antennen sind gerichtet und arbeiten in einer bestimmten Richtung viel besser. In diesem Projekt haben wir uns für eine Richtantenne entschieden. Wenn eine Richtantenne ein Signal überträgt, fokussiert sie die Energie in eine bestimmte Richtung, sodass eine gut ausgerichtete Richtantenne bei ansonsten gleichen Bedingungen über eine größere Distanz als eine nicht gerichtete kommunizieren kann. Dieses Instructable wurde von einem anderen Instructable inspiriert, das eine gerichtete WLAN-Antenne aus (buchstäblich) Büroklammern und Eis am Stiel machte. Dieses Instructable enthielt ein Muster für eine WLAN-Yagi-Antenne, und unsere Antenne wird mit leichten Modifikationen aus diesem Muster hergestellt. Eine Yagi-Antenne, auch Yagi-Uda-Antenne genannt, ist eine Art Richtantenne, die ursprünglich im Jahr 1926 entwickelt wurde. Eine weitere großartige Quelle für Antennendesigns sowie andere Informationen über Antennen ist das ARRL-Antennenbuch.

Während manche Menschen mehrmals täglich auf das Internet zugreifen, fehlt vielen anderen Menschen ein zuverlässiger Internetzugang. Der Mangel an Internetzugang ist sowohl in ländlichen als auch in städtischen Gebieten ein Problem, und es ist ein Problem sowohl in Industrie- als auch in Entwicklungsländern. So hatten beispielsweise 23 % der Haushalte in Wayne County Michigan, zu dem auch Detroit gehört, 2017 keinen Internetzugang. Lösungen für dieses Problem müssen kostengünstig sein, da viele der Menschen ohne Computerzugriff über begrenzte Ressourcen verfügen. Darüber hinaus müssen Lösungen funktionieren, ohne dass eine Infrastruktur wie das Verlegen von Kupferdrähten oder Glasfaserkabeln erforderlich ist. In dieser Anleitung zeigen wir, wie Sie Ihren eigenen WLAN-Zugangspunkt aufbauen, damit Sie das Internet selbst erweitern können.

Über dieses Tutorial

Diese Anleitung ist modular aufgebaut. Sie können Teile dieser Anleitung befolgen, ohne die Teile davor oder danach unbedingt fertig zu stellen. Wenn Sie beispielsweise daran interessiert sind, einen Rπ0 als Zugangspunkt zu verwenden, aber nicht allzu an Antennen interessiert sind, können Sie einen beliebigen WLAN-Adapter verwenden und die Schritte zur Herstellung der Antenne ignorieren. Wenn Sie daran interessiert sind, eine benutzerdefinierte Yagi-Antenne herzustellen, gehen Sie direkt zu diesem Teil des Tutorials. Die PCB-Layout-Dateien für die Antenne sind enthalten.

Der Schritt zur Installation des WLAN-Adapters und der Schritt zum Einrichten des Rπ0 als Access Point wurden mit Raspbian Stretch 4.14.52 und 4.14.79 getestet. Hoffentlich funktionieren sie auch mit zukünftigen Versionen. Diese Schritte müssen jedoch möglicherweise geändert werden, wenn sich Konfigurationsdateien für den WLAN-Zugang in neueren Versionen des Betriebssystems ändern.

Schritt 1: Vorräte sammeln

Benötigtes Zubehör für das Raspberry Pi Zero Setup

• Raspberry Pi Zero WVergewissern Sie sich, dass Sie das Modell W mit integriertem WLAN kaufen.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Micro-SD-KarteBesorgen Sie sich eine mindestens 16 GB.https://www.amazon.com/gp/product/B073JWXGNT
• MicroSD-Kartenleser
• USB-Hub mit MicroUSB-Anschlusshttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• USB-Tastatur und -Maushttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Mini-HDMI-zu-HDMI-Kabel Achten Sie darauf, dass Sie die Größe Mini-HDMI und nicht Micro-HDMI verwenden.
• HDMI-kompatibler Monitor
• Stromversorgung Sie können stattdessen einen USB-Akku verwenden.https://www.adafruit.com/product/1995

Zusätzliches Zubehör, das zum Einrichten des Wifi Access Points benötigt wird

Amazon Basics USB Wifi Adapter mit abnehmbarer Antenne

Zusätzliches Zubehör, das für die kundenspezifische PCB-Antenne benötigt wird

• RG-58 Lötbarer KabelsteckerDigikey Teilenummer CONSMA007-R58-ND
• Kundenspezifische Leiterplatte
• Lötkolben und kleine Menge Lot

Schritt 2: Einrichten des Raspberry Pi Zero

Laden Sie die Raspbian NOOBs Lite-Zip-Datei von https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs herunter und entpacken Sie sie.

Verbinden Sie die MicroSD-Karte über den MicroSD-Kartenleser mit dem Computer. Die MicroSD-Karte sollte entweder neu oder neu formatiert sein. Kopieren Sie die Dateien auf die MicroSD-Karte.

Der nächste Schritt besteht darin, die Rπ0-Hardware anzuschließen. Legen Sie die MicroSD-Karte in den Rπ0 ein. Verbinden Sie den USB-Hub mit dem Rπ0 und schließen Sie Tastatur und Maus an den USB-Hub an. Verbinden Sie den Rπ0 mit dem Netzteil und stecken Sie ihn ein. Der Amazon Basics-WLAN-Adapter wird in diesem Schritt nicht verwendet, also lassen Sie ihn unverbunden.

Folgen Sie den Anweisungen des Assistenten, um das Raspbian-Betriebssystem auf dem Rπ0 zu installieren. Dieser Schritt beinhaltet:

• Anmelden am eingerichteten WLAN-Netzwerk
• Raspbian Full installieren (Seien Sie geduldig, das dauert eine Weile.)
• Einstellen von Land, Zeitzone und Sprache
• Passwort für Benutzer pi. setzen
• Verbindung mit dem etablierten WLAN-Netzwerk herstellen
• Aktualisieren (Seien Sie geduldig, das dauert eine Weile.)
• Neustart

Zu diesem Zeitpunkt haben wir einen funktionierenden Rπ0-Computer, auf dem das Raspbian-Betriebssystem läuft. Klicken Sie auf das WLAN-Symbol in der oberen rechten Ecke des Bildschirms. Es sollte wlan0 anzeigen, das mit Ihrem etablierten WLAN-Netzwerk verbunden ist.

Schritt 3: Installieren Sie den WLAN-Adaptertreiber

Der WLAN-Adapter der Marke Amazon Basics eignet sich hervorragend für Antennenprojekte, da die mitgelieferte Antenne abgeschraubt werden kann, sodass unsere Antenne angeschraubt werden kann. Leider erkennt Raspbian diesen WLAN-Adapter nicht. Es handelt sich um einen Realtek 818b Adapter mit der Seriennummer 70F11C0531F8. Laut https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?… benötigt der Chip darin den RTL8192EU-Treiber. Der benötigte Treiber ist online bei MrEngman erhältlich.

Um den Treiber zu installieren, stecken Sie den Amazon Basic-WLAN-Adapter in den USB-Hub und öffnen Sie ein Terminal. Geben Sie die folgenden Befehle in die Befehlszeile ein:

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

Klicken Sie oben rechts auf dem Bildschirm auf das WLAN-Symbol.

Es sollte wlan0 und wlan1 anzeigen und beide sollten mit dem eingerichteten WLAN-Netzwerk verbunden sein. Zu diesem Zeitpunkt haben Sie einen funktionierenden Rπ0-Computer mit zwei funktionierenden WLAN-Adaptern, dem internen und dem externen Amazon Basics-WLAN-Adapter.

Schritt 4: Einrichten des Rπ0 als Zugangspunkt

Der nächste Schritt besteht darin, den Rπ0 als WLAN-Zugangspunkt einzurichten. Am Ende dieses Schrittes wird der externe Amazon Basics-WLAN-Adapter vom Rπ0 wlan1 genannt und kommuniziert mit dem eingerichteten WLAN-Netzwerk. Der interne WLAN-Adapter wird vom Rπ0 wlan0 genannt, und Geräte wie Mobiltelefone, Tablets und Laptops können sich mit dem Rπ0 im neuen WLAN-Netzwerk verbinden. Diese Mobiltelefone, Tablets und Laptops können diesen neuen WLAN-Zugangspunkt verwenden, um im Internet zu kommunizieren.

Dieses Rπ0 kann die Reichweite eines etablierten WLAN-Netzwerks erweitern. Angenommen, wir möchten ein Mobiltelefon mit dem Internet verbinden, das Mobiltelefon ist jedoch 200 m vom eingerichteten WLAN-Zugangspunkt entfernt. Das Mobiltelefon kann möglicherweise nicht mit einem so weit entfernten WLAN-Zugangspunkt kommunizieren. Allerdings können wir den Rπ0 mit dem neuen Access Point in der Mitte platzieren. Der Rπ0 kann dann über den externen WLAN-Adapter mit dem aufgebauten WLAN-Netzwerk in nur 100 m Entfernung kommunizieren und der Rπ0 kann über den internen WLAN-Adapter mit dem ebenfalls nur 100 m entfernten Mobiltelefon kommunizieren.

Adafruit hat ein hervorragendes Tutorial zum Einrichten eines Raspberry Pi als WLAN-Zugangspunkt. Das Tutorial beschreibt die Schritte, die das Einrichten des WLAN-Zugangspunkts, das Installieren der erforderlichen Pakete, das Bearbeiten von Konfigurationsdateien und das Starten von Diensten umfassen. Das Verfahren umfasst jedoch mehrere Schritte, und die Anweisungen müssen für unsere Zwecke geändert werden. Wir verwenden einen Rπ0 anstelle des größeren Raspberry Pi und stellen eine Verbindung zwischen zwei drahtlosen Access Points anstelle eines kabelgebundenen und eines drahtlosen Access Points her. Darüber hinaus sind weitere Änderungen an den Konfigurationsdateien erforderlich, um den Access Point erfolgreich einzurichten.

Wir haben ein Programm geschrieben, um den Installationsprozess zu vereinfachen. Die angehängte Zip-Datei enthält die benötigten geänderten Konfigurationsdateien sowie ein kleines C-Programm, das die Einrichtung des Access Points automatisiert. Es basiert eng auf dem Adafruit-Tutorial. Dieses Programm sichert vorhandene Konfigurationsdateien, kopiert die neuen Konfigurationsdateien, die in der ZIP-Datei enthalten sind, und schließt die Installation des Access Points ab.

Einige zusätzliche Pakete werden benötigt, bevor wir das Installationsskript verwenden können. Verwenden Sie die folgenden Befehle, um die erforderliche Software zu installieren.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Laden Sie die angehängte ZIP-Datei herunter und speichern Sie sie in einem neuen Verzeichnis. Öffnen Sie ein Terminal und wechseln Sie in dieses Verzeichnis. Die nächsten Schritte bestehen darin, die Datei zu entpacken und das Installationsskript auszuführen.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Dieses Programm fordert Sie auf, den Namen des (eingerichteten) WLAN-Netzwerks und sein Passwort einzugeben. Es wird einen neuen Zugangspunkt namens PI_AP mit dem Passwort Raspberry einrichten.

Nachdem das Skript fertig ist, starten Sie den Rπ0 neu. Wenn Sie nun auf das Netzwerksymbol oben rechts im Bildschirm klicken, wird angezeigt, dass keine drahtlosen Schnittstellen gefunden wurden. Mach dir keine Sorge; sie existieren und funktionieren. An diesem Punkt existiert das ursprüngliche WLAN-Netzwerk und wir haben ein neues WLAN-Netzwerk namens Pi_AP. Nehmen Sie ein Mobiltelefon oder ein anderes Gerät und versuchen Sie, eine Verbindung zum neuen WLAN-Zugangspunkt herzustellen. Öffnen Sie einen Webbrowser auf dem Gerät, um die Internetverbindung zu testen, während Sie diesen neuen Zugangspunkt verwenden.

Die folgenden sieben Konfigurationsdateien werden vom Installationsprogramm geändert: /etc/dhcp/dhcpd.conf, /etc/default/isc-dhcp-server, /etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf, /etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd und /etc/sysctl.conf. Möglicherweise möchten Sie zusätzliche Änderungen an diesen Konfigurationsdateien vornehmen. Das oben erwähnte Adafruit-Tutorial bietet zusätzliche Details. Ändern Sie beispielsweise die Datei /etc/hostapd/hostapd.conf, wenn Sie den Namen Ihres neuen Zugangspunkts oder sein Kennwort ändern möchten. Wenn Sie mehrere Rπ0 Access Points an Ihr bestehendes Netzwerk anschließen möchten, benötigt jeder eine eindeutige IP-Adresse. Der Installationsprozess verwendet 192.168.42.1. Die Dateien /etc/dhcp/dhcpd.conf und /etc/network/interfaces müssen geändert werden. Zusätzlich benötigen Sie den Befehl sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 wobei zz durch eine andere ganze Zahl ersetzt wird. Außerdem wurde dieser Access Point nur für die IPv4-Kommunikation getestet. Sowohl für die IPv4- als auch für die IPv6-Kommunikation auf dem Access Point können zusätzliche Änderungen am Installationsverfahren oder an den Konfigurationsdateien erforderlich sein.

Schritt 5: Entwerfen Sie die Antenne

Das Entwerfen und Herstellen einer Antenne ist einfacher, als es sich anhört. Unser Ansatz bestand darin, mit einem Muster zu beginnen, es zu modifizieren, zu simulieren, um sicherzustellen, dass es noch unseren Anforderungen entspricht, und es dann auf einer Leiterplatte auszulegen. Wenn Sie keine eigene Antenne herstellen möchten, verwenden Sie die mit dem WLAN-Adapter gelieferte. Wenn Sie alternativ Ihre eigene Antenne erstellen, aber nicht entwerfen oder simulieren möchten, haben wir unsere PCB-Layout-Dateien angehängt. Lesen Sie jedoch weiter, wenn Sie sich für Antennendesign, Antennensimulation oder PCB-Layout interessieren. Die von uns verwendete Antenne wurde nicht optimiert. Der Zweck hier ist zu zeigen, wie Sie Ihre eigene Antenne herstellen können, nicht um eine ideale Antenne zu zeigen.

Wir wollten eine Richtantenne, die bei WLAN-Frequenzen funktioniert. Das Instructable, mit dem wir begonnen haben, enthält ein detailliertes Muster für eine gerichtete Yagi-Antenne, die aus Büroklammern und Eis am Stiel hergestellt werden kann. Wir haben nur eine Modifikation vorgenommen. Diese Antenne ist 42 cm lang und enthält 15 leitfähige Elemente. Wir haben alle bis auf vier Elemente entfernt, damit die Antenne kürzer ist.

Als nächstes haben wir die Antenne simuliert, um sicherzustellen, dass sie auch mit weniger Elementen noch gerichtet ist. EZNEC von Roy Lewallen ist ein einfach zu bedienendes Antennensimulationstool. Wir haben die Demoversion von EZNEC 6.0 verwendet. Der erste Schritt zur Verwendung dieser Software besteht darin, die Antenne zu beschreiben. Klicken Sie auf die Schaltfläche Drähte und geben Sie die Position der Antennenelemente ein. Die Größe und Position dieser Elemente sind im Antennendiagramm aufgeführt. Als Nächstes haben wir die Frequenz für WLAN-Signale auf 2,4 GHz eingestellt und als Bodentyp den freien Speicherplatz gewählt. Die EZNEC-Datei, die die Antenne beschreibt, WifiYagi.ez, ist beigefügt.

Die Ausgabe der EZNEC-Simulation wird unten gezeigt und überprüft, ob die modifizierte Antenne immer noch gerichtet ist. Der linke Teil der Abbildung zeigt die Antenne. Die schwarzen Linien sind die leitenden Elemente und der rote Kreis auf dem zweiten Element ist der Ort, an dem der WLAN-Adapter angeschlossen wird. Der rechte Teil der Abbildung ist das 3D-Strahlungsdiagramm. Die Abbildung zeigt die relative Stärke des Signals in einem festen Abstand von einer Sendeantenne unter verschiedenen Winkeln. Da der Plot in x-Richtung größer ist als in anderen Richtungen, ist die Antenne gerichtet. Der größte Teil der von der Antenne gesendeten Energie geht in die x-Richtung. Wenn wir diese Antenne richtig ausrichten und vorausgesetzt, dass alles andere gleich ist, sollte diese Antenne in der Lage sein, über größere Entfernungen in x-Richtung zu kommunizieren, als wenn wir keine Richtantenne verwendet hätten.

Der nächste Schritt besteht darin, die benutzerdefinierte Leiterplatte auszulegen. Während das Antennenmuster, mit dem wir begonnen haben, leicht zu konstruieren ist, ist es schwierig, genau zu konstruieren. Leiterplatten werden genauer hergestellt und sind langlebiger. Wir haben das Open-Source-Programm KiCad verwendet. Unsere PCB-Layout-Dateien sind in wifi_pcb.tar.gz angehängt. Um die Datei zu entpacken, verwenden Sie den Befehl:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Die Schritte zum Auslegen der Leiterplatte sind:

• Öffnen Sie ein neues KiCad-Projekt.
• Gehen Sie zum PCB-Layout-Editor.
• Wählen Sie die Schaltfläche Grafische Linien hinzufügen und den Layer Edge. Cuts und definieren Sie den Umfang der Leiterplatte.
• Wählen Sie die Schaltfläche Grafische Linien hinzufügen und den F. Cu-Layer aus und zeichnen Sie die Antennenelemente in den vorderen Kupferlayer.
• Wählen Sie die Schaltfläche Vias hinzufügen und fügen Sie zwei Löcher ein, in denen der WLAN-Adapter verbunden wird.
• Wählen Sie die Schaltfläche Grafisches Polygon hinzufügen und die Ebene F. Mask und zeichnen Sie ein Loch in die vordere Lötmaske, damit es die Durchgangslöcher nicht bedeckt. Wiederholen Sie dies mit der B. Mask-Ebene, um auch ein Loch in die hintere Lötstoppmaske zu zeichnen.
• Fügen Sie den Siebdruckschichten alle gewünschten zusätzlichen Markierungen oder Etiketten hinzu.
• Wählen Sie Datei und dann Plotten, um Gerber-Dateien zu generieren.

Schritt 6: Machen Sie die Antenne

Wir kauften Leiterplatten aus unserem Layout. Adafruit hat eine Liste von hobbyfreundlichen PCB-Herstellern. Obwohl wir einige PCB-Hersteller ausprobiert haben, wissen wir wirklich nicht, welcher der beste ist. Die abgebildete Leiterplatte wurde von Oshpark hergestellt.

Sobald die Platine angekommen ist, besteht der nächste Schritt darin, den RG-58-Koaxialstecker anzulöten. Die Platine hat zwei Durchgangslöcher. Der mit dem Stecker gelieferte Pin ist zu kurz, also löten Sie ein kleines Stück Draht in eines der Durchgangslöcher. Setzen Sie einen großen Lötpunkt, der die Schale mit dem anderen Durchgangsloch verbindet. Sie haben jetzt eine gerichtete Yagi-WLAN-Antenne aus einer benutzerdefinierten Platine.

Trennen Sie den WLAN-Adapter von Amazon Basics. Schrauben Sie die mitgelieferte Antenne ab und schrauben Sie die neue PCB-Antenne an. Stecken Sie den WLAN-Adapter wieder in den USB-Hub. Das Projekt ist nun abgeschlossen.