Điểm truy cập Wifi Raspberry Pi Zero với ăng-ten PCB tùy chỉnh: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Chúng ta đang làm gì?

Tiêu đề của hướng dẫn này có rất nhiều thuật ngữ kỹ thuật trong đó. Hãy phá vỡ nó.

Raspberry Pi Zero (Rπ0) là gì? Raspberry Pi Zero là một máy tính nhỏ. Đây là phiên bản nhỏ hơn của máy tính bảng đơn Raspberry Pi và nó có thể vừa với hộp 30mm x 65mm x 5mm. Ngoài kích thước nhỏ, nó rất rẻ và điện năng rất thấp. Nó cũng đủ mạnh để chạy hệ điều hành Linux đầy đủ, Raspbian. Như với bất kỳ máy tính nào khác, bạn có thể sử dụng Rπ0 để duyệt web, chơi trò chơi, sử dụng các công cụ văn phòng, viết phần mềm, v.v. Hướng dẫn này sử dụng Raspberry Pi Zero Model W, có bộ điều hợp wifi được tích hợp sẵn.

Bộ chuyển đổi wifi là gì? Nếu bạn muốn sử dụng wifi để kết nối điện thoại di động, máy tính bảng hoặc máy tính xách tay với internet, thiết bị của bạn cần có bộ chuyển đổi wifi. Bộ điều hợp wifi có chứa mạch và ăng-ten. Nó chuyển đổi tín hiệu dữ liệu đến và đi từ các sóng điện từ có tần số gần, ví dụ, 2,4 GHz. Hầu hết điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay đều có bộ điều hợp wifi tích hợp sẵn. Tuy nhiên, bạn cũng có thể mua bộ chuyển đổi wifi bên ngoài kết nối với máy tính qua USB. Trong dự án này, chúng tôi sử dụng cả bộ điều hợp wifi bên trong của Rπ0 cũng như bộ điều hợp wifi bên ngoài.

Điểm truy cập wifi là gì? Nhiều điện thoại di động, máy tính bảng hoặc máy tính có thể giao tiếp không dây với một điểm truy cập wifi duy nhất và dữ liệu từ các thiết bị này được truyền qua điểm truy cập tới internet. Trong dự án này, Rπ0 là điểm truy cập wifi. Tại sao bạn muốn điểm truy cập wifi của riêng mình? Các thiết bị cần cách điểm truy cập trong vòng khoảng 100 mét để giao tiếp. Giả sử có một điểm truy cập wifi công cộng ở trung tâm của một thư viện. Bất kỳ ai có máy tính xách tay trong khoảng cách đó đều có thể sử dụng điểm truy cập để kết nối mạng không dây. Điều gì xảy ra nếu bạn muốn vào công viên cạnh thư viện, cách đó 200 m? Bạn có thể đặt một điểm truy cập mới ở rìa tài sản của thư viện, cách điểm truy cập đầu tiên 100 m. Sau đó, bất kỳ ai có máy tính xách tay trong phạm vi 100 m tính từ điểm truy cập mới đó cũng có thể kết nối mạng. Trong giới hạn của băng thông khả dụng, các điểm truy cập này có thể được liên kết với nhau để lan truyền truy cập internet trên một khu vực rộng lớn hơn.

Bảng mạch in tùy chỉnh (PCB) là gì? PCB là một mạch được xây dựng bằng cách lắng các lớp vật liệu trên một bảng cách điện. Đồng được tạo hoa văn ở các vị trí mong muốn để tạo thành dây, và các lỗ được khoan ở nơi các thành phần sẽ được đặt. PCB tùy chỉnh được thiết kế bằng phần mềm chuyên dụng. Đối với dự án này, một PCB tùy chỉnh đã được thiết kế bằng phần mềm KiCad mã nguồn mở. Thiết kế sau đó được gửi đến một nhà sản xuất để được sản xuất. Thiết kế và đặt hàng một PCB tùy chỉnh không tốn kém cũng không mất thời gian. Các bước được trình bày chi tiết bên dưới. Nếu bạn tạo ra một PCB bằng phần mềm và đã sản xuất nó, bạn sẽ có được một mạch bền, được sản xuất chính xác và được thiết kế theo thông số kỹ thuật chính xác của bạn. Trong dự án này, chúng tôi sử dụng một PCB tùy chỉnh để làm ăng-ten wifi.

Anten là gì? Ăng-ten là một phần của phần cứng điểm truy cập wifi có chức năng chuyển đổi tín hiệu đến và đi từ bức xạ điện từ. Nhiều ăng-ten có thể truyền và nhận tín hiệu tốt như nhau từ mọi hướng. Các ăng-ten khác là định hướng, hoạt động tốt hơn nhiều dọc theo một hướng cụ thể. Trong dự án này, chúng tôi đã chọn sử dụng một ăng-ten định hướng. Khi một ăng-ten định hướng truyền tín hiệu, nó tập trung năng lượng theo một hướng cụ thể, do đó, tất cả những điều khác đều bằng nhau, một ăng-ten định hướng được căn chỉnh tốt có thể liên lạc trong một khoảng cách xa hơn một ăng-ten không định hướng. Có thể hướng dẫn này được lấy cảm hứng từ một Thiết bị hướng dẫn khác đã tạo ra một ăng-ten wifi định hướng từ (theo nghĩa đen) giấy bìa cứng và que kem. Có thể hướng dẫn đó chứa một mẫu cho ăng-ten Wi-Fi Yagi và ăng-ten của chúng tôi được làm từ mẫu đó với những sửa đổi nhỏ. Ăng-ten Yagi, còn được gọi là ăng-ten Yagi-Uda, là một loại ăng-ten định hướng được thiết kế ban đầu vào năm 1926. Một nguồn tuyệt vời khác về thiết kế ăng-ten, cũng như các thông tin khác về ăng-ten, là cuốn sách ăng-ten ARRL.

Trong khi một số người truy cập internet nhiều lần trong ngày, thì nhiều người khác lại thiếu khả năng truy cập internet đáng tin cậy. Thiếu truy cập internet là một vấn đề ở cả nông thôn và thành thị, và nó là một vấn đề ở cả các nước phát triển và đang phát triển. Ví dụ, 23% hộ gia đình ở Wayne County Michigan, bao gồm Detroit, thiếu truy cập Internet vào năm 2017. Các giải pháp cho vấn đề này cần không tốn kém vì nhiều người không có quyền truy cập máy tính có nguồn lực hạn chế. Ngoài ra, các giải pháp cần hoạt động mà không yêu cầu cơ sở hạ tầng như đặt dây đồng hoặc cáp quang. Trong các hướng dẫn này, chúng tôi chỉ ra cách xây dựng điểm truy cập wifi của riêng bạn để bạn có thể tự mở rộng internet.

Giới thiệu về Hướng dẫn này

Các hướng dẫn này là mô-đun. Bạn có thể làm theo các phần của các hướng dẫn này mà không nhất thiết phải hoàn thành các phần trước hoặc sau nó. Ví dụ: nếu bạn quan tâm đến việc sử dụng Rπ0 làm điểm truy cập nhưng không quá quan tâm đến ăng-ten, hãy sử dụng bất kỳ bộ điều hợp wifi nào và bỏ qua các bước liên quan đến việc tạo ăng-ten. Nếu bạn quan tâm đến việc tạo một ăng-ten Yagi tùy chỉnh, hãy chuyển thẳng đến phần đó của hướng dẫn. Các tệp bố trí PCB cho ăng-ten được bao gồm.

Bước cài đặt bộ điều hợp wifi và bước thiết lập Rπ0 làm điểm truy cập đã được thử nghiệm bằng Raspbian Stretch 4.14.52 và 4.14.79. Hy vọng rằng họ sẽ tiếp tục làm việc với các phiên bản trong tương lai. Tuy nhiên, các bước này có thể cần được sửa đổi nếu các tệp cấu hình để truy cập Wi-Fi thay đổi trong các phiên bản mới hơn của hệ điều hành.

Bước 1: Thu thập nguồn cung cấp

Nguồn cung cấp cần thiết để thiết lập Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero WĐảm bảo nhận được mô hình W được tích hợp sẵn wifi.

  

• Thẻ Micro SD Nhận một thẻ tối thiểu 16GB.
• Đầu đọc thẻ MicroSD
• Hub USB với đầu nối MicroUSB
• Bàn phím và chuột USB
• Cáp Mini-HDMI to HDMI Đảm bảo có kích thước Mini-HDMI, không phải Micro-HDMI.
• Màn hình tương thích HDMI
• Nguồn điện Bạn có thể sử dụng bộ pin USB để thay thế.

Nguồn cung cấp bổ sung cần thiết để thiết lập điểm truy cập Wi-Fi

Bộ điều hợp USB Wifi Amazon Basics với Anten có thể tháo rời

Nguồn cung cấp bổ sung cần thiết cho ăng ten PCB tùy chỉnh

• Đầu nối cáp có thể hàn RG-58 Mã bộ phận phím số CONSMA007-R58-ND
• Bảng mạch in tùy chỉnh
• Sắt hàn và lượng nhỏ vật hàn

Bước 2: Thiết lập Raspberry Pi Zero

Tải xuống tệp zip Raspbian NOOBs Lite từ https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs và giải nén.

Kết nối thẻ MicroSD với máy tính bằng đầu đọc thẻ MicroSD. Thẻ MicroSD phải được định dạng mới hoặc mới. Sao chép các tập tin vào Thẻ MicroSD.

Bước tiếp theo là kết nối phần cứng Rπ0. Cắm thẻ MicroSD vào Rπ0. Kết nối bộ chia USB với Rπ0 và kết nối bàn phím và chuột với bộ chia USB. Kết nối Rπ0 với nguồn điện và cắm nó. Bộ điều hợp Wi-Fi Amazon Basics sẽ không được sử dụng trong bước này, vì vậy hãy để nó không được kết nối.

Làm theo hướng dẫn trong trình hướng dẫn để cài đặt hệ điều hành Raspbian vào Rπ0. Bước này bao gồm:

• Đăng nhập vào mạng wifi đã thiết lập
• Cài đặt Raspbian Full (Hãy kiên nhẫn, quá trình này mất một lúc.)
• Đặt quốc gia, múi giờ và ngôn ngữ
• Đặt mật khẩu cho người dùng pi
• Kết nối với mạng wifi đã thiết lập
• Đang cập nhật (Hãy kiên nhẫn, điều này mất một lúc.)
• Khởi động lại

Tại thời điểm này, chúng ta có một máy tính Rπ0 đang hoạt động chạy hệ điều hành Raspbian. Nhấn vào biểu tượng wifi ở góc trên bên phải màn hình. Nó sẽ hiển thị wlan0 được kết nối với mạng wifi đã thiết lập của bạn.

Bước 3: Cài đặt Trình điều khiển Bộ điều hợp Wifi

Bộ điều hợp wifi thương hiệu Amazon Basics rất phù hợp cho các dự án ăng-ten vì ăng-ten được cung cấp có thể được tháo ra để có thể vặn ăng-ten của chúng tôi. Thật không may, Raspbian không nhận ra bộ điều hợp wifi này. Đó là bộ chuyển đổi Realtek 818b với số sê-ri 70F11C0531F8. Theo https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, chip trong đó yêu cầu trình điều khiển RTL8192EU. Trình điều khiển cần thiết có sẵn trực tuyến từ MrEngman.

Để cài đặt trình điều khiển, hãy cắm bộ điều hợp Wi-Fi Amazon Basic vào bộ chia USB và mở một thiết bị đầu cuối. Nhập các lệnh sau trên dòng lệnh:

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

Nhấn vào biểu tượng wifi phía trên bên phải màn hình.

Nó sẽ hiển thị wlan0 và wlan1, và cả hai phải được kết nối với mạng wifi đã thiết lập. Tại thời điểm này, bạn có một máy tính Rπ0 đang hoạt động với hai bộ điều hợp wifi đang hoạt động, bộ điều hợp bên trong và bộ điều hợp wifi Amazon Basics bên ngoài.

Bước 4: Thiết lập Rπ0 làm điểm truy cập

Bước tiếp theo là thiết lập Rπ0 để hoạt động như một điểm truy cập wifi. Khi kết thúc bước này, bộ điều hợp wifi Amazon Basics bên ngoài sẽ được gọi là wlan1 bởi Rπ0 và nó sẽ giao tiếp với mạng wifi đã thiết lập. Bộ điều hợp wifi bên trong sẽ được gọi là wlan0 bởi Rπ0 và các thiết bị như điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay có thể kết nối với Rπ0 trên mạng wifi mới. Những điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay này sẽ có thể sử dụng điểm truy cập wifi mới này để giao tiếp trên internet.

Rπ0 này có thể mở rộng phạm vi của một mạng wifi đã được thiết lập. Ví dụ: giả sử chúng ta muốn kết nối điện thoại di động với internet, nhưng điện thoại di động đó cách điểm truy cập wifi đã thiết lập 200 m. Điện thoại di động có thể không kết nối được với điểm truy cập wifi đã thiết lập ở xa. Tuy nhiên, chúng ta có thể đặt Rπ0 với điểm truy cập mới ở giữa. Sau đó, Rπ0 có thể sử dụng bộ điều hợp wifi bên ngoài để giao tiếp với mạng wifi đã thiết lập cách đó chỉ 100 m và Rπ0 có thể sử dụng bộ điều hợp wifi bên trong để giao tiếp với điện thoại di động cách đó chỉ 100 m.

Adafruit có một hướng dẫn tuyệt vời về cách thiết lập Raspberry Pi làm điểm truy cập wifi. Hướng dẫn chi tiết các bước bao gồm thiết lập điểm truy cập wifi, cài đặt các gói cần thiết, chỉnh sửa tệp cấu hình và khởi động dịch vụ. Tuy nhiên, quy trình này có nhiều bước và các hướng dẫn cần được sửa đổi cho mục đích của chúng tôi. Chúng tôi đang sử dụng Rπ0 thay vì Raspberry Pi lớn hơn và chúng tôi đang thiết lập kết nối giữa hai điểm truy cập không dây thay vì điểm truy cập có dây và không dây. Ngoài ra, cần có thêm các thay đổi đối với tệp cấu hình để thiết lập thành công điểm truy cập.

Chúng tôi đã viết một chương trình để đơn giản hóa quá trình cài đặt. Tệp zip đính kèm chứa các tệp cấu hình đã sửa đổi cần thiết cũng như một chương trình C nhỏ tự động thiết lập điểm truy cập. Nó dựa rất chặt chẽ vào hướng dẫn Adafruit. Chương trình này sao lưu các tệp cấu hình hiện có, sao chép trong tệp cấu hình mới có trong tệp zip và hoàn tất quá trình cài đặt điểm truy cập.

Một số gói bổ sung là cần thiết trước khi chúng tôi có thể sử dụng tập lệnh cài đặt. Sử dụng các lệnh sau để cài đặt phần mềm cần thiết.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-dai dẳng

Tải xuống tệp zip đính kèm và lưu vào thư mục mới. Mở một thiết bị đầu cuối và thay đổi thư mục đó. Các bước tiếp theo là giải nén tệp và chạy tập lệnh cài đặt.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Chương trình này sẽ nhắc bạn nhập tên của mạng wifi (đã được thiết lập) và mật khẩu của mạng đó. Nó sẽ thiết lập một điểm truy cập mới có tên PI_AP với mật khẩu Raspberry.

Sau khi tập lệnh hoàn tất, hãy khởi động lại Rπ0. Bây giờ, nếu bạn nhấp vào biểu tượng mạng ở phần trên bên phải của màn hình, nó cho biết không tìm thấy giao diện không dây nào. Đừng lo lắng; chúng tồn tại và đang hoạt động. Tại thời điểm này, mạng wifi gốc đã tồn tại và chúng ta có một mạng wifi mới tên là Pi_AP. Lấy điện thoại di động hoặc thiết bị khác và cố gắng kết nối với điểm truy cập wifi mới. Mở trình duyệt web trên thiết bị để kiểm tra kết nối internet trong khi sử dụng điểm truy cập mới này.

Bảy tệp cấu hình sau được sửa đổi bởi chương trình cài đặt: /etc/dhcp/dhcpd.conf, / etc / default / isc-dhcp-server, / etc / network / interface, /etc/hostapd/hostapd.conf, / etc / default / hostapd, /etc/init.d/hostapd và /etc/sysctl.conf. Bạn có thể muốn thực hiện các sửa đổi bổ sung đối với các tệp cấu hình này. Hướng dẫn Adafruit được đề cập ở trên cung cấp thêm chi tiết. Ví dụ: sửa đổi tệp /etc/hostapd/hostapd.conf nếu bạn muốn thay đổi tên của điểm truy cập mới hoặc mật khẩu của nó. Nếu bạn muốn kết nối nhiều điểm truy cập Rπ0 với mạng đã thiết lập của mình, mỗi điểm cần một địa chỉ IP duy nhất. Quá trình cài đặt sử dụng 192.168.42.1. Các tệp /etc/dhcp/dhcpd.conf và / etc / network / interface sẽ cần được sửa đổi. Ngoài ra, bạn sẽ cần lệnh sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 trong đó zz được thay thế bằng một số nguyên khác. Ngoài ra, điểm truy cập này đã được thử nghiệm chỉ dành cho giao tiếp IPv4. Có thể cần các sửa đổi bổ sung đối với quy trình cài đặt hoặc tệp cấu hình cho cả giao tiếp IPv4 và IPv6 trên điểm truy cập.

Bước 5: Thiết kế Antenna

Thiết kế và chế tạo một ăng-ten dễ dàng hơn nhiều so với âm thanh. Cách tiếp cận của chúng tôi là bắt đầu với một mẫu, sửa đổi nó, mô phỏng nó để đảm bảo nó vẫn đáp ứng nhu cầu của chúng tôi, và sau đó bố trí nó trên PCB. Nếu bạn không muốn tạo ăng-ten của riêng mình, hãy sử dụng ăng-ten đi kèm với bộ chuyển đổi wifi. Ngoài ra, nếu bạn muốn tạo, nhưng không thiết kế hoặc mô phỏng, ăng-ten của riêng bạn, chúng tôi đã đính kèm các tệp bố cục PCB của chúng tôi. Tuy nhiên, hãy đọc tiếp nếu bạn quan tâm đến thiết kế ăng-ten, mô phỏng ăng-ten hoặc cách bố trí PCB. Ăng-ten chúng tôi sử dụng chưa được tối ưu hóa. Mục đích ở đây là chỉ ra cách bạn có thể tạo ra một ăng-ten của riêng mình, không phải để chỉ ra một ăng-ten lý tưởng.

Chúng tôi muốn có một ăng-ten định hướng hoạt động ở tần số wifi. Có thể hướng dẫn chúng tôi bắt đầu với một mô hình chi tiết cho một ăng ten Yagi định hướng có thể được tạo ra từ giấy bìa cứng và que kem. Chúng tôi chỉ thực hiện một sửa đổi. Ăng-ten này dài 42 cm và chứa 15 phần tử dẫn điện. Chúng tôi đã loại bỏ tất cả ngoại trừ bốn phần tử để ăng-ten sẽ ngắn hơn.

Tiếp theo, chúng tôi mô phỏng ăng-ten để đảm bảo rằng nó vẫn có hướng, ngay cả khi có ít phần tử hơn. EZNECby Roy Lewallen là một công cụ mô phỏng ăng-ten dễ sử dụng. Chúng tôi đã sử dụng phiên bản demo của EZNEC 6.0. Bước đầu tiên để sử dụng phần mềm này là mô tả ăng-ten. Nhấp vào nút Wires và nhập vị trí của các phần tử ăng-ten. Kích thước và vị trí của các phần tử này được thể hiện chi tiết trong mẫu ăng-ten. Tiếp theo, chúng tôi đặt tần số thành 2,4 GHz cho tín hiệu wifi và chúng tôi chọn loại mặt đất là không gian trống. Tệp EZNEC mô tả ăng-ten, WifiYagi.ez, được đính kèm.

Đầu ra của mô phỏng EZNEC được hiển thị bên dưới và nó xác minh rằng ăng ten đã sửa đổi vẫn có hướng. Phần bên trái của hình cho thấy ăng-ten. Các đường màu đen là phần tử dẫn điện và vòng tròn màu đỏ trên phần tử thứ hai là nơi kết nối bộ chuyển đổi wifi. Phần bên phải của hình là đồ thị mẫu bức xạ 3D. Hình thể hiện cường độ tương đối của tín hiệu tại một khoảng cách cố định từ một ăng-ten phát ở các góc khác nhau. Vì âm mưu theo hướng x lớn hơn so với các hướng khác, nên ăng ten là hướng. Phần lớn năng lượng do anten truyền sẽ đi theo phương x. Nếu chúng ta định hướng ăng-ten này đúng cách và giả sử tất cả các ăng-ten khác đều bằng nhau, thì ăng-ten này sẽ có thể giao tiếp trong khoảng cách xa hơn theo hướng x so với nếu chúng tôi không sử dụng ăng-ten định hướng.

Bước tiếp theo là đặt PCB tùy chỉnh. Mặc dù mô hình ăng-ten mà chúng tôi bắt đầu dễ xây dựng, nhưng rất khó để xây dựng một cách chính xác. Bảng mạch in được sản xuất chính xác hơn và chúng bền hơn. Chúng tôi đã sử dụng chương trình mã nguồn mở KiCad. Các tệp bố cục PCB của chúng tôi được đính kèm trong wifi_pcb.tar.gz. Để giải nén tệp, hãy sử dụng lệnh:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Các bước để sản xuất PCB là:

• Mở một dự án KiCad mới.
• Đi tới Trình chỉnh sửa bố cục PCB.
• Chọn nút Add Graphic Lines và layer Edge. Cuts, và xác định chu vi của PCB.
• Chọn nút Add Graphic Lines và lớp F. Cu, và vẽ các phần tử ăng-ten trong lớp đồng phía trước.
• Chọn nút Add Vias và chèn hai lỗ nơi bộ điều hợp wifi sẽ được kết nối.
• Chọn nút Add Graphic Polygon và lớp F. Mask, và vẽ một lỗ trên mặt nạ hàn phía trước để nó không che các lỗ xuyên qua. Lặp lại việc sử dụng lớp B. Mask để vẽ một lỗ trên mặt nạ hàn phía sau.
• Thêm bất kỳ nhãn hoặc nhãn bổ sung nào bạn muốn vào các lớp màn hình lụa.
• Chọn Tệp rồi chọn Lô để tạo tệp Gerber.

Bước 6: Tạo ăng-ten

Chúng tôi đã mua PCB được tạo ra từ cách bố trí của chúng tôi. Adafruit có một danh sách các nhà sản xuất PCB thân thiện với người có sở thích. Trong khi chúng tôi đã thử một vài nhà sản xuất PCB, chúng tôi thực sự không biết cái nào là tốt nhất. PCB hiển thị được sản xuất bởi Oshpark.

Khi PCB đến, bước tiếp theo là hàn trên đầu nối đồng trục RG-58. PCB có hai lỗ thông qua. Chốt đi kèm với đầu nối quá ngắn, vì vậy hãy hàn một đoạn dây nhỏ vào một trong các lỗ thông qua. Đặt một chấm lớn hàn nối vỏ này với vỏ kia qua lỗ. Bây giờ bạn có một ăng-ten wifi Yagi định hướng được làm từ một PCB tùy chỉnh.

Rút phích cắm bộ điều hợp Wi-Fi Amazon Basics. Tháo ăng-ten đi kèm và vặn ăng-ten PCB mới. Cắm lại bộ điều hợp wifi vào bộ chia USB. Dự án hiện đã hoàn thành.