Ponto de acesso Wi-Fi Raspberry Pi Zero com uma antena PCB personalizada: 6 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

O que estamos fazendo?

O título deste tutorial contém muitos termos técnicos. Vamos decompô-lo.

O que é Raspberry Pi Zero (Rπ0)? O Raspberry Pi Zero é um computador minúsculo. É a versão menor do computador de placa única Raspberry Pi e pode caber em uma caixa de 30 mm por 65 mm por 5 mm. Além de seu pequeno tamanho, é muito barato e de baixíssimo consumo de energia. Também é poderoso o suficiente para executar um sistema operacional baseado em Linux completo, Raspbian. Como com qualquer outro computador, você pode usar o Rπ0 para navegar na web, jogar, usar ferramentas de escritório, escrever software e assim por diante. Este tutorial usa o Raspberry Pi Zero Model W, que possui um adaptador wi-fi integrado.

O que é um adaptador wi-fi? Se você deseja usar wi-fi para conectar seu celular, tablet ou laptop à internet, seu dispositivo precisa de um adaptador wi-fi. Um adaptador wi-fi contém circuitos e uma antena. Ele converte sinais de dados de e para ondas eletromagnéticas com frequência próxima, por exemplo, 2,4 GHz. A maioria dos celulares, tablets e laptops contém um adaptador wi-fi integrado. No entanto, você também pode comprar um adaptador wi-fi externo que se conecta a um computador via USB. Neste projeto, usamos o adaptador wi-fi interno do Rπ0 e também um adaptador wi-fi externo.

O que é um ponto de acesso wi-fi? Vários celulares, tablets ou computadores podem se comunicar sem fio com um único ponto de acesso wi-fi e os dados desses dispositivos são transferidos por meio do ponto de acesso para a Internet. Neste projeto, o Rπ0 é o ponto de acesso wi-fi. Por que você quer seu próprio ponto de acesso wi-fi? Os dispositivos precisam estar a cerca de 100 metros de um ponto de acesso para se comunicar. Suponha que haja um ponto de acesso wi-fi público no centro de uma biblioteca. Qualquer pessoa com um laptop a essa distância pode usar o ponto de acesso para ficar online sem fio. E se você quiser acessar no parque ao lado da biblioteca, a 200 metros de distância? Você pode colocar um novo ponto de acesso na borda da propriedade da biblioteca, a 100 m do primeiro ponto de acesso. Assim, qualquer pessoa com um laptop em um raio de 100 m desse novo ponto de acesso também pode ficar online. Dentro dos limites da largura de banda disponível, esses pontos de acesso podem ser encadeados para espalhar o acesso à Internet por uma área mais ampla.

O que é uma placa de circuito impresso (PCB) personalizada? Um PCB é um circuito construído depositando camadas de material em uma placa isolante. O cobre é padronizado em locais desejados para formar fios, e orifícios são feitos onde os componentes serão colocados. Os PCBs personalizados são projetados com software especializado. Para este projeto, um PCB personalizado foi projetado usando o software KiCad de código aberto. O projeto foi então enviado a um fabricante para ser produzido. Projetar e solicitar um PCB personalizado não é caro nem demorado. As etapas são detalhadas a seguir. Se você criar um PCB usando software e manufaturá-lo, obterá um circuito durável, fabricado com precisão e projetado de acordo com suas especificações exatas. Neste projeto, usamos um PCB personalizado para fazer uma antena wi-fi.

O que é uma antena? A antena é a parte do hardware do ponto de acesso wi-fi que converte sinais de e para radiação eletromagnética. Muitas antenas podem transmitir e receber sinais igualmente bem de todas as direções. Outras antenas são direcionais, operando muito melhor em uma determinada direção. Neste projeto, optamos por usar uma antena direcional. Quando uma antena direcional transmite um sinal, ela foca a energia em uma direção particular de modo que, todo o resto igual, uma antena direcional bem alinhada pode se comunicar por uma distância maior do que uma que não é direcional. Este Instructable foi inspirado por outro Instructable que fez uma antena wi-fi direcional de (literalmente) clipes de papel e palitos de picolé. Esse Instructable continha um padrão para uma antena Yagi wi-fi, e nossa antena é feita desse padrão com pequenas modificações. Uma antena Yagi, também chamada de antena Yagi-Uda, é um tipo de antena direcional projetada originalmente em 1926. Outra grande fonte de designs de antenas, assim como outras informações sobre antenas, é o livro de antenas ARRL.

Embora algumas pessoas acessem a Internet várias vezes ao dia, muitas outras não têm acesso confiável à Internet. A falta de acesso à Internet é um problema tanto nas áreas rurais como urbanas, e é um problema tanto nos países desenvolvidos como nos países em desenvolvimento. Por exemplo, 23% das famílias em Wayne County Michigan, que inclui Detroit, não tinham acesso à Internet em 2017. As soluções para esse problema precisam ser baratas porque muitas das pessoas sem acesso ao computador têm recursos limitados. Além disso, as soluções precisam funcionar sem exigir infraestrutura, como cabos de cobre ou de fibra óptica. Nestas instruções, mostramos como construir seu próprio ponto de acesso wi-fi para que você possa estender a Internet por conta própria.

Sobre este tutorial

Essas instruções são modulares. Você pode seguir partes destas instruções sem necessariamente completar as partes antes ou depois. Por exemplo, se você está interessado em usar um Rπ0 como ponto de acesso, mas não está muito interessado em antenas, sinta-se à vontade para usar qualquer adaptador wi-fi e ignore as etapas que envolvem fazer a antena. Se você estiver interessado em fazer uma antena Yagi personalizada, pule direto para essa parte do tutorial. Os arquivos de layout de PCB para a antena estão incluídos.

A etapa para instalar o adaptador wi-fi e a etapa para configurar o Rπ0 como um ponto de acesso foram testadas usando Raspbian Stretch 4.14.52 e 4.14.79. Esperançosamente, eles continuarão a trabalhar com versões futuras. No entanto, essas etapas podem precisar ser modificadas se os arquivos de configuração para acesso wi-fi mudarem em versões mais recentes do sistema operacional.

Etapa 1: reunir suprimentos

Suprimentos necessários para a configuração Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero WCertifique-se de obter o modelo W que vem com wifi.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Cartão Micro SD Obtenha um de pelo menos 16 GB.https://www.amazon.com/gp/product/B073JWXGNT
• Leitor de cartão MicroSD
• Hub USB com conector MicroUSBhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• Teclado e mouse USBhttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Cabo Mini-HDMI para HDMICertifique-se de obter o tamanho Mini-HDMI, não Micro-HDMI.
• Monitor compatível com HDMI
• Fonte de alimentação Em vez disso, você pode usar uma bateria USB.https://www.adafruit.com/product/1995

Suprimentos adicionais necessários para configurar o ponto de acesso Wifi

Adaptador wi-fi USB básico da Amazon com antena removível

Suprimentos adicionais necessários para a antena de PCB personalizada

• Conector de cabo soldável RG-58 Número da peça Digikey CONSMA007-R58-ND
• Placa de circuito impresso personalizado
• Ferro de soldar e pequena quantidade de solda

Etapa 2: configurar o Raspberry Pi Zero

Baixe o arquivo zip Raspbian NOOBs Lite em https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs e descompacte-o.

Conecte o cartão MicroSD ao computador usando o leitor de cartão MicroSD. O cartão MicroSD deve ser novo ou formatado recentemente. Copie os arquivos para o cartão MicroSD.

O próximo passo é conectar o hardware Rπ0. Insira o cartão MicroSD no Rπ0. Conecte o hub USB ao Rπ0 e conecte o teclado e o mouse ao hub USB. Conecte o Rπ0 à fonte de alimentação e conecte-o. O adaptador wi-fi Amazon Basics não será usado nesta etapa, portanto, deixe-o desconectado.

Siga as instruções do assistente para instalar o sistema operacional Raspbian no Rπ0. Esta etapa envolve:

• Conectando-se à rede wi-fi estabelecida
• Instalando o Raspbian Full (seja paciente, isso demora um pouco.)
• Configuração de país, fuso horário e idioma
• Configurando uma senha para o usuário pi
• Conectando-se à rede wi-fi estabelecida
• Atualizando (seja paciente, isso leva um tempo.)
• Reiniciando

Neste ponto, temos um computador Rπ0 funcionando com o sistema operacional Raspbian. Clique no ícone wi-fi no canto superior direito da tela. Deve mostrar wlan0 conectado à sua rede wi-fi estabelecida.

Etapa 3: instalar o driver do adaptador Wifi

O adaptador wi-fi da marca Amazon Basics é ótimo para projetos de antena porque a antena fornecida pode ser desparafusada para que nossa antena possa ser aparafusada. Infelizmente, Raspbian não reconhece este adaptador wi-fi. É um adaptador Realtek 818b com número de série 70F11C0531F8. De acordo com https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, o chip nele requer o driver RTL8192EU. O driver necessário está disponível online no MrEngman.

Para instalar o driver, conecte o adaptador wi-fi Amazon Basic ao hub USB e abra um terminal. Digite os seguintes comandos na linha de 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

Clique no ícone wi-fi no canto superior direito da tela.

Ele deve mostrar wlan0 e wlan1, e ambos devem estar conectados à rede wi-fi estabelecida. Neste ponto, você tem um computador Rπ0 funcionando com dois adaptadores wi-fi funcionando, o interno e o adaptador wi-fi Amazon Basics externo.

Etapa 4: Configure o Rπ0 como um ponto de acesso

A próxima etapa é configurar o Rπ0 para atuar como um ponto de acesso wi-fi. No final desta etapa, o adaptador wi-fi externo do Amazon Basics será chamado de wlan1 pelo Rπ0 e se comunicará com a rede wi-fi estabelecida. O adaptador wi-fi interno será chamado de wlan0 pelo Rπ0, e dispositivos como celulares, tablets e laptops podem se conectar ao Rπ0 na nova rede wi-fi. Esses celulares, tablets e laptops poderão usar esse novo ponto de acesso wi-fi para se comunicar na internet.

Este Rπ0 pode estender o alcance de uma rede wi-fi estabelecida. Por exemplo, suponha que desejamos conectar um telefone celular à Internet, mas o telefone celular está a 200 m do ponto de acesso wi-fi estabelecido. O celular pode não ser capaz de se comunicar com o ponto de acesso wi-fi estabelecido tão longe. No entanto, podemos colocar o Rπ0 com o novo ponto de acesso no meio. O Rπ0 então pode usar o adaptador wi-fi externo para se comunicar com a rede wi-fi estabelecida que está a apenas 100 m de distância, e o Rπ0 pode usar o adaptador wi-fi interno para se comunicar com o celular que também está a apenas 100 m de distância.

Adafruit tem um excelente tutorial sobre como configurar um Raspberry Pi como um ponto de acesso wi-fi. O tutorial detalha as etapas que incluem configurar o ponto de acesso wi-fi, instalar os pacotes necessários, editar os arquivos de configuração e iniciar os serviços. No entanto, o procedimento tem várias etapas e as instruções precisam ser modificadas para nossos propósitos. Estamos usando um Rπ0 em vez do Raspberry Pi maior e estamos estabelecendo uma conexão entre dois pontos de acesso sem fio em vez de um ponto de acesso com fio e sem fio. Além disso, outras alterações nos arquivos de configuração são necessárias para configurar o ponto de acesso com êxito.

Escrevemos um programa para simplificar o processo de instalação. O arquivo zip anexado contém os arquivos de configuração modificados necessários, bem como um pequeno programa C que automatiza a configuração do ponto de acesso. É estritamente baseado no tutorial Adafruit. Este programa faz backup dos arquivos de configuração existentes, copia os novos arquivos de configuração contidos no arquivo zip e conclui a instalação do ponto de acesso.

Alguns pacotes adicionais são necessários antes de podermos usar o script de instalação. Use os seguintes comandos para instalar o software necessário.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Baixe o arquivo zip anexado e salve-o em um novo diretório. Abra um terminal e mude para esse diretório. As próximas etapas são descompactar o arquivo e executar o script de instalação.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Este programa solicitará que você insira o nome da rede wi-fi (estabelecida) e sua senha. Ele configurará um novo ponto de acesso denominado PI_AP com a senha Raspberry.

Depois que o script estiver pronto, reinicie o Rπ0. Agora, se você clicar no ícone de rede na parte superior direita da tela, ele diz que nenhuma interface sem fio foi encontrada. Não se preocupe; eles existem e estão funcionando. Neste ponto, a rede wi-fi original existe e temos uma nova rede wi-fi chamada Pi_AP. Pegue um celular ou outro dispositivo e tente se conectar ao novo ponto de acesso wi-fi. Abra um navegador da web no dispositivo para testar a conexão com a Internet ao usar este novo ponto de acesso.

Os sete arquivos de configuração a seguir são modificados pelo programa de instalação: /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. Você pode querer fazer modificações adicionais nesses arquivos de configuração. O tutorial Adafruit mencionado acima fornece detalhes adicionais. Por exemplo, modifique o arquivo /etc/hostapd/hostapd.conf se desejar alterar o nome de seu novo ponto de acesso ou sua senha. Se você deseja conectar vários pontos de acesso Rπ0 à sua rede estabelecida, cada um precisa de um endereço IP exclusivo. O processo de instalação usa 192.168.42.1. Os arquivos /etc/dhcp/dhcpd.conf e / etc / network / interfaces precisarão ser modificados. Além disso, você precisará do comando sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 onde zz é substituído por outro inteiro. Além disso, este ponto de acesso foi testado apenas para comunicação IPv4. Modificações adicionais no procedimento de instalação ou nos arquivos de configuração podem ser necessárias para a comunicação IPv4 e IPv6 no ponto de acesso.

Etapa 5: Projete a antena

Projetar e fazer uma antena é mais fácil do que parece. Nossa abordagem foi começar com um padrão, modificá-lo, simulá-lo para garantir que ainda satisfaça nossas necessidades e, em seguida, colocá-lo em um PCB. Se você não quiser fazer sua própria antena, use a que vem com o adaptador wi-fi. Alternativamente, se você deseja fazer, mas não projetar ou simular, sua própria antena, anexamos nossos arquivos de layout de PCB. No entanto, continue lendo se estiver interessado em design de antena, simulação de antena ou layout de PCB. A antena que usamos não foi otimizada. O objetivo aqui é mostrar como você pode fazer sua própria antena, não mostrar uma antena ideal.

Queríamos uma antena direcional que funcionasse em frequências wi-fi. O Instructable com o qual começamos inclui um padrão detalhado para uma antena Yagi direcional que pode ser feita de clipes de papel e palitos de picolé. Fizemos apenas uma modificação. Esta antena tem 42 cm de comprimento e 15 elementos condutores. Nós nos livramos de todos, exceto quatro dos elementos, então a antena será mais curta.

Em seguida, simulamos a antena para garantir que ela ainda fosse direcional, mesmo com menos elementos. EZNECby Roy Lewallen é uma ferramenta de simulação de antena fácil de usar. Usamos a versão demo do EZNEC 6.0. O primeiro passo para usar este software é descrever a antena. Clique no botão Fios e insira a localização dos elementos da antena. O tamanho e a localização desses elementos são detalhados no padrão da antena. Em seguida, definimos a frequência para 2,4 GHz para sinais wi-fi e escolhemos o tipo de solo como espaço livre. O arquivo EZNEC que descreve a antena, WifiYagi.ez, está anexado.

A saída da simulação EZNEC é mostrada abaixo e verifica se a antena modificada ainda é direcional. A parte esquerda da figura mostra a antena. As linhas pretas são os elementos condutores e o círculo vermelho no segundo elemento é onde o adaptador wi-fi se conecta. A parte direita da figura é o gráfico do padrão de radiação 3D. A figura mostra a força relativa do sinal a uma distância fixa de uma antena transmissora em diferentes ângulos. Como o gráfico é maior na direção x do que nas outras direções, a antena é direcional. A maior parte da energia transmitida pela antena irá na direção x. Se orientarmos esta antena corretamente, e assumindo que todo o resto é igual, esta antena deve ser capaz de se comunicar por distâncias mais longas na direção x do que se não tivéssemos usado uma antena direcional.

A próxima etapa é criar o layout do PCB personalizado. Embora o padrão de antena com que começamos seja fácil de construir, é difícil construir com precisão. As placas de circuito impresso são fabricadas com mais precisão e são mais duráveis. Usamos o programa de código aberto KiCad. Nossos arquivos de layout de PCB estão anexados, em wifi_pcb.tar.gz. Para descompactar o arquivo, use o comando:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

As etapas para preparar o PCB são:

• Abra um novo projeto KiCad.
• Vá para o Editor de Layout de PCB.
• Selecione o botão Adicionar Linhas Gráficas e a camada Edge. Cuts, e defina o perímetro do PCB.
• Selecione o botão Adicionar Linhas Gráficas e a camada F. Cu, e desenhe os elementos da antena na camada de cobre frontal.
• Selecione o botão Adicionar Vias e insira dois orifícios onde o adaptador wi-fi será conectado.
• Selecione o botão Add Graphic Polygon e a camada F. Mask, e desenhe um orifício na máscara de solda frontal para que não cubra os orifícios de passagem. Repita usando a camada B. Mask para desenhar um orifício na máscara de solda traseira também.
• Adicione quaisquer marcas ou rótulos adicionais desejados às camadas da serigrafia.
• Selecione Arquivo e Plot para gerar arquivos Gerber.

Etapa 6: faça a antena

Compramos PCBs feitos com nosso layout. A Adafruit tem uma lista de fabricantes de PCB amigáveis para amadores. Embora tenhamos tentado alguns fabricantes de PCB, realmente não sabemos qual é o melhor. O PCB mostrado foi fabricado pela Oshpark.

Assim que o PCB chegar, o próximo passo é soldar o conector coaxial RG-58. O PCB tem dois orifícios de passagem. O pino que vem com o conector é muito curto, então solde um pequeno pedaço de fio em um dos orifícios de passagem. Coloque um ponto grande de solda conectando o casco ao outro através do orifício. Agora você tem uma antena wi-fi Yagi direcional feita de um PCB personalizado.

Desconecte o adaptador wi-fi Amazon Basics. Desaparafuse a antena que veio com ela e aparafuse a nova antena PCB. Conecte o adaptador wi-fi de volta ao hub USB. O projeto agora está concluído.