Raspberry Pi Zero Wifi Access Point با آنتن PCB سفارشی: 6 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

ما چه می سازیم؟

عنوان این آموزش دارای بسیاری از اصطلاحات فنی است. بیایید آن را تجزیه کنیم.

Raspberry Pi Zero (Rπ0) چیست؟ Raspberry Pi Zero یک کامپیوتر کوچک است. این نسخه کوچکتر رایانه تک برد Raspberry Pi است و می تواند در جعبه 30 میلی متر در 65 میلی متر در 5 میلی متر قرار گیرد. علاوه بر اندازه کوچک ، بسیار ارزان و قدرت بسیار کمی است. همچنین به اندازه کافی قدرتمند است که بتواند یک سیستم عامل کامل مبتنی بر لینوکس ، Raspbian را اجرا کند. مانند هر رایانه دیگری ، می توانید از Rπ0 برای مرور وب ، بازی کردن ، استفاده از ابزارهای آفیس ، نوشتن نرم افزار و غیره استفاده کنید. این آموزش از Raspberry Pi Zero Model W استفاده می کند که دارای آداپتور wifi داخلی است.

آداپتور wifi چیست؟ اگر می خواهید از wifi برای اتصال تلفن همراه ، رایانه لوحی یا لپ تاپ خود به اینترنت استفاده کنید ، دستگاه شما به آداپتور wifi نیاز دارد. یک آداپتور wifi شامل مدار و آنتن است. این سیگنال های داده را به و از امواج الکترومغناطیسی با فرکانس نزدیک ، به عنوان مثال ، 2.4 گیگاهرتز تبدیل می کند. اکثر تلفن های همراه ، تبلت ها و لپ تاپ ها دارای آداپتور داخلی wifi هستند. با این حال ، می توانید یک آداپتور وای فای خارجی خریداری کنید که از طریق USB به کامپیوتر متصل می شود. در این پروژه ، ما هم از آداپتور wifi داخلی Rπ0 و هم از آداپتور wifi خارجی استفاده می کنیم.

نقطه دسترسی wifi چیست؟ چندین تلفن همراه ، رایانه لوحی یا رایانه می توانند به صورت بی سیم با یک نقطه دسترسی وای فای ارتباط برقرار کنند و داده های این دستگاه ها از طریق نقطه دسترسی به اینترنت منتقل می شود. در این پروژه ، Rπ0 نقطه دسترسی وای فای است. چرا می خواهید نقطه دسترسی وای فای خود را داشته باشید؟ دستگاهها برای برقراری ارتباط باید در فاصله 100 متری نقطه دسترسی باشند. فرض کنید یک نقطه دسترسی وای فای عمومی در مرکز کتابخانه وجود دارد. هرکسی که دارای لپ تاپ در این فاصله باشد می تواند از نقطه دسترسی برای اتصال بی سیم به صورت آنلاین استفاده کند. اگر می خواهید در پارک کنار کتابخانه ، 200 متر دورتر دسترسی داشته باشید ، چطور؟ می توانید یک نقطه دسترسی جدید در لبه ویژگی کتابخانه ، 100 متر از اولین نقطه دسترسی ، قرار دهید. سپس ، هرکسی که دارای لپ تاپ در فاصله 100 متری آن نقطه دسترسی جدید باشد ، می تواند آنلاین شود. در محدوده پهنای باند موجود ، این نقاط دسترسی را می توان با هم زنجیر کرد تا دسترسی به اینترنت را در منطقه وسیع تری گسترش دهد.

برد مدار چاپی سفارشی (PCB) چیست؟ PCB مداری است که با قرار دادن لایه های مواد روی یک تخته عایق ساخته شده است. مس در مکانهای مورد نظر برای ایجاد سیم طراحی شده است و سوراخهایی در آنجا ایجاد می شود که اجزاء در آن قرار می گیرند. PCB های سفارشی با استفاده از نرم افزارهای تخصصی طراحی شده اند. برای این پروژه ، یک PCB سفارشی با استفاده از نرم افزار منبع باز KiCad طراحی شد. سپس طرح به تولید کننده ارسال شد تا تولید شود. طراحی و سفارش PCB سفارشی نه گران است و نه وقت گیر. مراحل به شرح زیر است. اگر یک PCB را با استفاده از نرم افزار تهیه کرده و آن را تولید کنید ، یک مدار با دوام ، دقیق تولید شده و مطابق با مشخصات دقیق شما دریافت می کنید. در این پروژه ، ما از یک PCB سفارشی برای ساختن آنتن wifi استفاده می کنیم.

آنتن چیست؟ آنتن بخشی از سخت افزار نقطه دسترسی wifi است که سیگنال ها را به و از تابش الکترومغناطیسی تبدیل می کند. بسیاری از آنتن ها می توانند سیگنال ها را از هر جهت به همان اندازه خوب ارسال و دریافت کنند. سایر آنتن ها جهت دار هستند و در جهت خاصی بسیار بهتر عمل می کنند. در این پروژه ، ما استفاده از آنتن جهت دار را انتخاب کردیم. هنگامی که یک آنتن جهت دار سیگنالی را منتقل می کند ، انرژی را در جهت خاصی متمرکز می کند ، بنابراین ، آنتن جهت دار کاملاً برابر می تواند در مسافت طولانی تری نسبت به آنتی جهت دار ارتباط برقرار کند. این دستورالعمل از دستورالعمل دیگری الهام گرفته شده است که از گیره های کاغذی و چوب بستنی یک آنتن wifi جهت دار ساخته است. این دستورالعمل حاوی الگویی برای آنتن wifi Yagi بود و آنتن ما از آن الگو با کمی تغییرات ساخته شده است. آنتن Yagi ، که آنتن Yagi-Uda نیز نامیده می شود ، نوعی آنتن جهت دار است که در ابتدا در سال 1926 طراحی شده است. منبع بزرگ دیگری از طرح های آنتن و سایر اطلاعات مربوط به آنتن ها ، کتاب آنتن ARRL است.

در حالی که برخی از افراد چندین بار در روز به اینترنت دسترسی دارند ، بسیاری دیگر از افراد از دسترسی به اینترنت قابل اعتماد برخوردار نیستند. عدم دسترسی به اینترنت هم در مناطق روستایی و هم در شهرها مشکل ساز است و هم در کشورهای توسعه یافته و هم در حال توسعه مشکل ساز است. به عنوان مثال ، 23 درصد از خانوارهای شهرستان وین میشیگان ، شامل دیترویت ، در سال 2017 دسترسی به اینترنت نداشتند. راه حل های این مشکل باید ارزان باشد زیرا بسیاری از افرادی که دسترسی به رایانه ندارند منابع محدودی دارند. علاوه بر این ، راه حل ها باید بدون نیاز به زیرساخت هایی مانند قرار دادن سیم مسی یا کابل های فیبر نوری کار کنند. در این دستورالعمل ها نحوه ایجاد نقطه دسترسی وای فای خود را نشان می دهیم تا بتوانید خودتان اینترنت را گسترش دهید.

در مورد این آموزش

این دستورالعمل ها مدولار هستند. شما می توانید بخش هایی از این دستورالعمل را بدون تکمیل لزوما قبل یا بعد از آن دنبال کنید. به عنوان مثال ، اگر علاقه مند به استفاده از Rπ0 به عنوان نقطه دسترسی هستید اما علاقه چندانی به آنتن ندارید ، با خیال راحت از هر آداپتور wifi استفاده کنید و مراحل مربوط به ساخت آنتن را نادیده بگیرید. اگر به ساخت آنتن سفارشی Yagi علاقه دارید ، مستقیماً به آن قسمت از آموزش بروید. فایلهای چیدمان PCB برای آنتن گنجانده شده است.

مرحله نصب آداپتور wifi و مرحله تنظیم Rπ0 به عنوان نقطه دسترسی با استفاده از Raspbian Stretch 4.14.52 و 4.14.79 مورد آزمایش قرار گرفت. امیدوارم با نسخه های بعدی به کار خود ادامه دهند. با این حال ، اگر فایلهای پیکربندی برای دسترسی به وای فای در نسخه های جدیدتر سیستم عامل تغییر کند ، ممکن است نیاز به اصلاح این مراحل باشد.

مرحله 1: وسایل را جمع آوری کنید

وسایل مورد نیاز برای راه اندازی رزبری پای صفر

• Raspberry Pi Zero W مطمئن شوید که مدل W را که دارای wifi داخلی است تهیه کنید.

  

• کارت حافظه Micro SD حداقل یک گیگابایت دریافت کنید.
• کارت خوان MicroSD
• هاب USB با اتصال MicroUSB
• صفحه کلید و ماوس USB
• کابل Mini-HDMI به HDMI مطمئن شوید که اندازه Mini-HDMI را دارید ، نه Micro-HDMI.
• مانیتور سازگار با HDMI
• منبع تغذیه می توانید به جای آن از یک باتری USB استفاده کنید.

لوازم اضافی مورد نیاز برای راه اندازی Wifi Access Point

مبدل USB WiFi WiFi مبدأ با آنتن قابل جدا شدن

لوازم اضافی مورد نیاز برای آنتن PCB سفارشی

• RG-58 اتصال دهنده کابل قابل جوش Digikey شماره قسمت CONSMA007-R58-ND
• برد مدار چاپی سفارشی
• آهن لحیم کاری و مقدار کمی لحیم کاری

مرحله 2: Raspberry Pi Zero را تنظیم کنید

فایل زیپ Raspbian NOOBs Lite را از https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs بارگیری کرده و از حالت فشرده خارج کنید.

با استفاده از کارت خوان MicroSD کارت MicroSD را به کامپیوتر وصل کنید. کارت MicroSD باید جدید یا جدید فرمت شود. فایلها را روی کارت MicroSD کپی کنید.

مرحله بعدی اتصال سخت افزار Rπ0 است. کارت MicroSD را در Rπ0 قرار دهید. هاب USB را به Rπ0 وصل کنید و صفحه کلید و ماوس را به هاب USB متصل کنید. Rπ0 را به منبع تغذیه متصل کرده و آن را وصل کنید. از آداپتور وای فای Amazon Basics در این مرحله استفاده نمی شود ، بنابراین آن را بدون اتصال رها کنید.

برای نصب سیستم عامل Raspbian بر روی Rπ0 ، دستورالعمل های جادوگر را دنبال کنید. این مرحله شامل موارد زیر است:

• ورود به شبکه wifi ایجاد شده
• نصب Raspbian Full (صبور باشید ، این کار کمی طول می کشد.)
• تنظیم کشور ، منطقه زمانی و زبان
• تنظیم رمز عبور برای کاربر pi
• اتصال به شبکه wifi ایجاد شده
• به روز رسانی (صبور باشید ، این کار کمی طول می کشد.)
• راه اندازی مجدد

در این مرحله ، ما یک کامپیوتر Rπ0 در حال کار داریم که سیستم عامل Raspbian را اجرا می کند. روی نماد wifi در گوشه سمت راست بالای صفحه کلیک کنید. باید wlan0 متصل به شبکه wifi ایجاد شده شما را نشان دهد.

مرحله 3: درایور آداپتور Wifi را نصب کنید

آداپتور وای فای مارک آمازون برای پروژه های آنتن عالی است ، زیرا آنتن ارائه شده را می توان شل کرد ، بنابراین آنتن ما می تواند پیچ خورده باشد. متأسفانه ، Raspbian این آداپتور wifi را نمی شناسد. این یک آداپتور Realtek 818b با شماره سریال 70F11C0531F8 است. طبق https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php؟… ، تراشه موجود در آن به درایور RTL8192EU نیاز دارد. درایور مورد نیاز بصورت آنلاین از MrEngman موجود است.

برای نصب درایور ، آداپتور وای فای Amazon Basic را به هاب USB متصل کرده و ترمینال را باز کنید. دستورات زیر را در خط فرمان وارد کنید:

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

روی نماد wifi در بالا سمت راست صفحه کلیک کنید.

باید wlan0 و wlan1 را نشان دهد و هر دو باید به شبکه wifi ایجاد شده متصل شوند. در این مرحله ، شما یک کامپیوتر Rπ0 فعال با دو آداپتور wifi کار می کنید ، داخلی و آداپتور وای فای خارجی Amazon Basics.

مرحله 4: Rπ0 را به عنوان نقطه دسترسی تنظیم کنید

گام بعدی این است که Rp0 را تنظیم کنید تا به عنوان یک نقطه دسترسی wifi عمل کند. در پایان این مرحله ، آداپتور وای فای خارجی Amazon Basics توسط Rπ0 wlan1 نامیده می شود و با شبکه wifi ایجاد شده ارتباط برقرار می کند. آداپتور wifi داخلی توسط Rπ0 wlan0 نامیده می شود و دستگاه هایی مانند تلفن های همراه ، تبلت ها و لپ تاپ ها می توانند در شبکه وای فای جدید به Rπ0 متصل شوند. این تلفن های همراه ، تبلت ها و لپ تاپ ها می توانند از این نقطه دسترسی wifi جدید برای برقراری ارتباط در اینترنت استفاده کنند.

این Rπ0 می تواند محدوده یک شبکه wifi ایجاد شده را افزایش دهد. به عنوان مثال ، فرض کنید ما می خواهیم یک تلفن همراه را به اینترنت متصل کنیم ، اما تلفن همراه 200 متر از نقطه دسترسی wifi تعیین شده فاصله دارد. تلفن همراه ممکن است قادر به برقراری ارتباط با نقطه دسترسی wifi تا این حد دور نباشد. با این حال ، ما می توانیم Rπ0 را با نقطه دسترسی جدید در وسط قرار دهیم. سپس Rπ0 می تواند از آداپتور wifi خارجی برای برقراری ارتباط با شبکه wifi ایجاد شده که فقط 100 متر دورتر است استفاده کند ، و Rπ0 می تواند از آداپتور wifi داخلی برای ارتباط با تلفن همراه که فقط 100 متر دورتر است استفاده کند.

Adafruit دارای یک آموزش عالی در مورد نحوه تنظیم Raspberry Pi به عنوان نقطه دسترسی وای فای است. این آموزش مراحل انجام کار شامل تنظیم نقطه دسترسی wifi ، نصب بسته های مورد نیاز ، ویرایش فایل های پیکربندی و راه اندازی خدمات را توضیح می دهد. با این حال ، این روش چندین مرحله دارد و دستورالعمل ها باید برای اهداف ما اصلاح شوند. ما به جای رزبری پای بزرگتر از Rπ0 استفاده می کنیم و در حال برقراری ارتباط بین دو نقطه دسترسی بی سیم به جای نقطه دسترسی سیمی و بی سیم هستیم. علاوه بر این ، تغییرات بیشتری در پیکربندی فایل ها برای راه اندازی موفقیت آمیز نقطه دسترسی مورد نیاز است.

ما برنامه ای را برای ساده سازی روند نصب نوشتیم. فایل فشرده متصل شده شامل فایلهای پیکربندی اصلاح شده مورد نیاز و همچنین یک برنامه کوچک C است که تنظیم نقطه دسترسی را به صورت خودکار انجام می دهد. این بر اساس آموزش Adafruit است. این برنامه از فایلهای پیکربندی موجود نسخه پشتیبان تهیه می کند ، در فایلهای پیکربندی جدید موجود در فایل zip کپی می کند و نصب نقطه دسترسی را تکمیل می کند.

قبل از استفاده از اسکریپت نصب ، برخی بسته های اضافی مورد نیاز است. برای نصب نرم افزار مورد نیاز از دستورات زیر استفاده کنید.

sudo apt-get hostapd isc-dhcp-server را نصب کنید

sudo apt-get install iptables-persistent

فایل فشرده ضمیمه شده را بارگیری کرده و در یک فهرست جدید ذخیره کنید. یک ترمینال را باز کرده و به آن فهرست تغییر دهید. مراحل بعدی این است که فایل را از حالت فشرده خارج کرده و اسکریپت نصب را اجرا کنید.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

این برنامه از شما می خواهد که نام شبکه wifi (ایجاد شده) و رمز عبور آن را وارد کنید. این یک نقطه دسترسی جدید به نام PI_AP با رمز رزبری ایجاد می کند.

پس از اتمام اسکریپت ، Rπ0 را راه اندازی مجدد کنید. اکنون ، اگر روی نماد شبکه در قسمت بالا سمت راست صفحه کلیک کنید ، می گوید هیچ رابط بی سیم یافت نمی شود. نگران نباشید ؛ وجود دارند و کار می کنند در این مرحله ، شبکه اصلی wifi وجود دارد و ما یک شبکه wifi جدید به نام Pi_AP داریم. یک تلفن همراه یا دستگاه دیگر بگیرید و سعی کنید به نقطه دسترسی wifi جدید متصل شوید. هنگام آزمایش اتصال به اینترنت هنگام استفاده از این نقطه دسترسی جدید ، یک مرورگر وب را در دستگاه باز کنید.

هفت فایل پیکربندی زیر توسط برنامه نصب تغییر می کند: /default/hostapd ، /etc/init.d/hostapd ، و /etc/sysctl.conf. ممکن است بخواهید تغییرات بیشتری در این فایل های پیکربندی ایجاد کنید. آموزش Adafruit که در بالا ذکر شد جزئیات بیشتری را ارائه می دهد. برای مثال ، اگر می خواهید نام نقطه دسترسی جدید یا گذرواژه آن را تغییر دهید ، فایل /etc/hostapd/hostapd.conf را اصلاح کنید. اگر می خواهید چندین نقطه دسترسی Rπ0 را به شبکه مستقر خود متصل کنید ، هر یک به یک آدرس IP منحصر به فرد نیاز دارند. فرآیند نصب از 192.168.42.1 استفاده می کند. فایلهای /etc/dhcp/dhcpd.conf و/etc/network/interfaces باید اصلاح شوند. علاوه بر این ، به دستور sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 نیاز دارید که zz با یک عدد صحیح دیگر جایگزین می شود. همچنین ، این نقطه دسترسی فقط برای ارتباط IPv4 آزمایش شده است. تغییرات اضافی در روش نصب یا فایلهای پیکربندی ممکن است برای ارتباطات IPv4 و IPv6 در نقطه دسترسی مورد نیاز باشد.

مرحله 5: طراحی آنتن

طراحی و ساخت آنتن آسان تر از آن است که به نظر می رسد. رویکرد ما این بود که با یک الگو شروع کنیم ، آن را اصلاح کنیم ، آن را شبیه سازی کنیم تا مطمئن شویم که هنوز نیازهای ما را برآورده می کند و سپس آن را روی PCB قرار دهیم. اگر نمی خواهید آنتن خود را بسازید ، از آنتی که همراه آداپتور wifi است استفاده کنید. متناوبا ، اگر می خواهید آنتن خود را بسازید ، اما طراحی یا شبیه سازی نکنید ، ما فایلهای چیدمان PCB خود را ضمیمه کرده ایم. با این حال ، اگر به طراحی آنتن ، شبیه سازی آنتن یا طرح PCB علاقه دارید ، ادامه مطلب را مطالعه کنید. آنتن مورد استفاده ما بهینه نشده است. هدف در اینجا این است که نشان دهید چگونه می توانید آنتن خود را بسازید ، نه نشان دادن یک آنتن ایده آل.

ما یک آنتن جهت دار می خواستیم که در فرکانس های wifi کار کند. دستورالعملی که ما با آن شروع کردیم شامل یک الگوی دقیق برای آنتن جهت دار Yagi است که می تواند از گیره کاغذ و چوب بستنی ساخته شود. ما فقط یک اصلاح انجام دادیم. این آنتن 42 سانتی متر طول دارد و شامل 15 عنصر رسانا است. ما به جز چهار عنصر را از بین بردیم تا آنتن کوتاه تر شود.

در مرحله بعد ، آنتن را شبیه سازی کردیم تا مطمئن شویم که هنوز جهت دار است ، حتی با عناصر کمتری. EZNECby Roy Lewallen یک ابزار شبیه سازی آنتن آسان برای استفاده است. ما از نسخه نمایشی EZNEC 6.0 استفاده کردیم. اولین قدم برای استفاده از این نرم افزار ، توصیف آنتن است. روی دکمه Wires کلیک کنید و محل قرارگیری عناصر آنتن را وارد کنید. اندازه و موقعیت این عناصر در الگوی آنتن به تفصیل آمده است. در مرحله بعد ، فرکانس را برای سیگنال های wifi روی 2.4 گیگاهرتز تنظیم کردیم و نوع زمین را فضای آزاد انتخاب کردیم. فایل EZNEC که آنتن را توصیف می کند ، WifiYagi.ez ، ضمیمه شده است.

خروجی شبیه سازی EZNEC در زیر نشان داده شده است و تأیید می کند که آنتن اصلاح شده هنوز جهت دار است. قسمت سمت چپ شکل آنتن را نشان می دهد. خطوط سیاه عناصر رسانا هستند و دایره قرمز روی عنصر دوم محل اتصال آداپتور wifi است. قسمت راست تصویر نمودار الگوی تابش سه بعدی است. شکل قدرت نسبی سیگنال را در فاصله ثابت از آنتن فرستنده در زوایای مختلف نشان می دهد. از آنجا که نمودار در جهت x بزرگتر از جهات دیگر است ، آنتن جهت دار است. بیشتر انرژی منتقل شده توسط آنتن در جهت x خواهد بود. اگر این آنتن را به درستی جهت دهی کنیم و با فرض برابری همه موارد ، این آنتن باید بتواند در مسافتهای طولانی تری در جهت x نسبت به زمانی که از آنتن جهت دار استفاده نمی کردیم ، ارتباط برقرار کند.

گام بعدی تنظیم PCB سفارشی است. در حالی که الگوی آنتن ای که با آن شروع کرده ایم به راحتی ساخته می شود ، ساخت دقیق آن دشوار است. تخته های مدار چاپی با دقت بیشتری تولید می شوند و دوام بیشتری نیز دارند. ما از برنامه منبع باز KiCad استفاده کردیم. فایلهای طرح PCB ما در wifi_pcb.tar.gz پیوست شده است. برای فشرده سازی فایل از دستور زیر استفاده کنید:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

مراحل چسباندن PCB به شرح زیر است:

• یک پروژه KiCad جدید باز کنید.
• به PCB Layout Editor بروید.
• دکمه Add Graphic Lines و لایه Edge. Cuts را انتخاب کرده و محیط PCB را مشخص کنید.
• دکمه Add Graphic Lines و لایه F. Cu را انتخاب کرده و عناصر آنتن را در لایه مسی جلو بکشید.
• دکمه Add Vias را انتخاب کنید و دو سوراخ را در جایی که آداپتور وای فای متصل است وارد کنید.
• دکمه Add Graphic Polygon و لایه F. Mask را انتخاب کرده و در ماسک لحیم کاری جلویی یک سوراخ بکشید تا سوراخ های آن را نپوشاند. با استفاده از لایه B. Mask یک حفره در ماسک لحیم کاری پشت نیز ایجاد کنید.
• هرگونه علامت یا برچسب اضافی دلخواه را به لایه های صفحه ابریشم اضافه کنید.
• برای ایجاد فایل Gerber ، File و سپس Plot را انتخاب کنید.

مرحله 6: آنتن را بسازید

ما PCB های تهیه شده از طرح خود را خریداری کردیم. Adafruit لیستی از تولیدکنندگان PCB دوستدار علاقه مندان دارد. در حالی که ما چند تولید کننده PCB را امتحان کرده ایم ، واقعاً نمی دانیم کدام بهترین است. PCB نشان داده شده توسط Oshpark تولید شده است.

پس از ورود PCB ، مرحله بعدی این است که روی کانکتور کواکس RG-58 لحیم شوید. PCB دارای دو سوراخ از طریق ورودی است. پایه ای که به همراه کانکتور می آید بسیار کوتاه است ، بنابراین یک تکه کوچک سیم را به یکی از سوراخ های ورودی لحیم کنید. یک نقطه بزرگ لحیم کاری کنید که پوسته را از طریق سوراخ به قسمت دیگر متصل می کند. شما اکنون یک آنتن wifi جهت دار Yagi دارید که از PCB سفارشی ساخته شده است.

آداپتور وای فای Amazon Basics را از برق بکشید. آنتن همراه خود را باز کرده و آنتن جدید PCB را پیچ کنید. آداپتور wifi را دوباره به هاب USB وصل کنید. اکنون پروژه تکمیل شده است.