Point d'accès Wifi Raspberry Pi Zero avec une antenne PCB personnalisée : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Que faisons-nous?

Le titre de ce tutoriel contient de nombreux termes techniques. Décomposons-le.

Qu'est-ce qu'un Raspberry Pi Zero (Rπ0) ? Un Raspberry Pi Zero est un petit ordinateur. Il s'agit de la version plus petite de l'ordinateur monocarte Raspberry Pi, et il peut tenir dans une boîte de 30 mm sur 65 mm sur 5 mm. En plus de sa petite taille, il est très peu coûteux et de très faible puissance. Il est également assez puissant pour exécuter un système d'exploitation complet basé sur Linux, Raspbian. Comme avec tout autre ordinateur, vous pouvez utiliser le Rπ0 pour naviguer sur le Web, jouer à des jeux, utiliser des outils bureautiques, écrire des logiciels, etc. Ce tutoriel utilise le Raspberry Pi Zero Model W, qui dispose d'un adaptateur wifi intégré.

Qu'est-ce qu'un adaptateur wifi ? Si vous souhaitez utiliser le wifi pour connecter votre téléphone portable, tablette ou ordinateur portable à Internet, votre appareil a besoin d'un adaptateur wifi. Un adaptateur wifi contient des circuits et une antenne. Il convertit les signaux de données vers et depuis les ondes électromagnétiques avec une fréquence proche, par exemple, de 2,4 GHz. La plupart des téléphones portables, tablettes et ordinateurs portables contiennent un adaptateur wifi intégré. Cependant, vous pouvez également acheter un adaptateur wifi externe qui se connecte à un ordinateur via USB. Dans ce projet, nous utilisons à la fois l'adaptateur wifi interne du Rπ0 ainsi qu'un adaptateur wifi externe.

Qu'est-ce qu'un point d'accès wifi ? Plusieurs téléphones portables, tablettes ou ordinateurs peuvent communiquer sans fil avec un seul point d'accès wifi, et les données de ces appareils sont transférées via le point d'accès à Internet. Dans ce projet, le Rπ0 est le point d'accès wifi. Pourquoi voudriez-vous votre propre point d'accès wifi ? Les appareils doivent se trouver à environ 100 mètres d'un point d'accès pour communiquer. Supposons qu'il y ait un point d'accès wifi public au centre d'une bibliothèque. Toute personne disposant d'un ordinateur portable à cette distance peut utiliser le point d'accès pour se connecter sans fil. Et si vous souhaitez accéder au parc à côté de la bibliothèque, à 200 mètres ? Vous pouvez mettre un nouveau point d'accès en bordure de la propriété de la bibliothèque, à 100 m du premier point d'accès. Ensuite, toute personne possédant un ordinateur portable à moins de 100 m de ce nouveau point d'accès peut également se connecter. Dans les limites de la bande passante disponible, ces points d'accès peuvent être enchaînés pour étendre l'accès Internet sur une zone plus large.

Qu'est-ce qu'une carte de circuit imprimé (PCB) personnalisée ? Un PCB est un circuit construit en déposant des couches de matériau sur un panneau isolant. Le cuivre est modelé aux emplacements souhaités pour former des fils, et des trous sont percés là où les composants seront placés. Les PCB personnalisés sont conçus à l'aide de logiciels spécialisés. Pour ce projet, un PCB personnalisé a été conçu à l'aide du logiciel open source KiCad. Le design a ensuite été envoyé à un fabricant pour être produit. Concevoir et commander un PCB personnalisé n'est ni coûteux ni chronophage. Les étapes sont détaillées ci-dessous. Si vous disposez un circuit imprimé à l'aide d'un logiciel et que vous le faites fabriquer, vous obtenez un circuit durable, fabriqué avec précision et conçu selon vos spécifications exactes. Dans ce projet, nous utilisons un PCB personnalisé pour fabriquer une antenne wifi.

Qu'est-ce qu'une antenne ? L'antenne est la partie du matériel du point d'accès wifi qui convertit les signaux vers et depuis le rayonnement électromagnétique. De nombreuses antennes peuvent transmettre et recevoir des signaux aussi bien de toutes les directions. D'autres antennes sont directionnelles et fonctionnent beaucoup mieux dans une direction particulière. Dans ce projet, nous avons choisi d'utiliser une antenne directionnelle. Lorsqu'une antenne directionnelle transmet un signal, elle concentre l'énergie dans une direction particulière de sorte que, toutes choses égales par ailleurs, une antenne directionnelle bien alignée peut communiquer sur une plus longue distance qu'une antenne non directionnelle. Ce Instructable a été inspiré par un autre Instructable qui a fait une antenne wifi directionnelle à partir de trombones (littéralement) et de bâtons de popsicle. Ce Instructable contenait un modèle pour une antenne wifi Yagi, et notre antenne est fabriquée à partir de ce modèle avec de légères modifications. Une antenne Yagi, également appelée antenne Yagi-Uda, est un type d'antenne directionnelle conçue à l'origine en 1926. Une autre grande source de conceptions d'antennes, ainsi que d'autres informations sur les antennes, est le livre d'antennes ARRL.

Alors que certaines personnes accèdent à Internet plusieurs fois par jour, de nombreuses autres personnes n'ont pas d'accès Internet fiable. Le manque d'accès à Internet est un problème à la fois dans les zones rurales et urbaines, et c'est un problème dans les pays développés et en développement. Par exemple, 23 % des ménages du comté de Wayne au Michigan, qui comprend Detroit, n'avaient pas accès à Internet en 2017. Les solutions à ce problème doivent être peu coûteuses, car de nombreuses personnes sans accès à un ordinateur ont des ressources limitées. De plus, les solutions doivent fonctionner sans nécessiter d'infrastructure telle que la pose de fils de cuivre ou de câbles à fibres optiques. Dans ces instructions, nous montrons comment créer votre propre point d'accès wifi afin que vous puissiez étendre vous-même Internet.

À propos de ce tutoriel

Ces instructions sont modulaires. Vous pouvez suivre certaines parties de ces instructions sans nécessairement terminer les parties avant ou après. Par exemple, si vous souhaitez utiliser un Rπ0 comme point d'accès mais que vous n'êtes pas trop intéressé par les antennes, n'hésitez pas à utiliser n'importe quel adaptateur wifi et ignorez les étapes de fabrication de l'antenne. Si vous souhaitez créer une antenne Yagi personnalisée, passez directement à cette partie du didacticiel. Les fichiers de mise en page PCB pour l'antenne sont inclus.

L'étape d'installation de l'adaptateur wifi et l'étape de configuration du Rπ0 en tant que point d'accès ont été testées à l'aide de Raspbian Stretch 4.14.52 et 4.14.79. Espérons qu'ils continueront à fonctionner avec les futures versions. Cependant, ces étapes peuvent devoir être modifiées si les fichiers de configuration pour l'accès wifi changent dans les nouvelles versions du système d'exploitation.

Étape 1: Rassemblez les fournitures

Fournitures nécessaires pour la configuration Raspberry Pi Zero

• Raspberry Pi Zero WAssurez-vous d'avoir le modèle W qui intègre le wifi.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Carte Micro SDObtenez-en une d'au moins 16 Go.https://www.amazon.com/gp/product/B073JWXGNT
• Lecteur de carte MicroSD
• Hub USB avec connecteur MicroUSBhttps://www.amazon.com/gp/product/B01JL837X8/
• Clavier et souris USBhttps://www.amazon.com/d/Keyboard-Mouse-Combos/Log…
• Câble Mini-HDMI vers HDMI Assurez-vous d'avoir la taille Mini-HDMI, et non Micro-HDMI.
• Moniteur compatible HDMI
• Alimentation Vous pouvez utiliser une batterie USB à la place.https://www.adafruit.com/product/1995

Fournitures supplémentaires nécessaires pour configurer le point d'accès Wifi

Adaptateur Wifi USB Amazon Basics avec antenne détachable

Fournitures supplémentaires nécessaires pour l'antenne PCB personnalisée

• Connecteur de câble à souder RG-58 Numéro de pièce Digikey CONSMA007-R58-ND
• Circuit imprimé personnalisé
• Fer à souder et petite quantité de soudure

Étape 2: Configurer le Raspberry Pi Zero

Téléchargez le fichier zip Raspbian NOOBs Lite depuis https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs et décompressez-le.

Connectez la carte MicroSD à l'ordinateur à l'aide du lecteur de carte MicroSD. La carte MicroSD doit être neuve ou nouvellement formatée. Copiez les fichiers sur la carte MicroSD.

L'étape suivante consiste à connecter le matériel Rπ0. Insérez la carte MicroSD dans le Rπ0. Connectez le hub USB au Rπ0, et connectez le clavier et la souris au hub USB. Connectez le Rπ0 à l'alimentation et branchez-le. L'adaptateur wifi Amazon Basics ne sera pas utilisé à cette étape, alors laissez-le déconnecté.

Suivez les instructions de l'assistant pour installer le système d'exploitation Raspbian sur le Rπ0. Cette étape implique:

• Connexion au réseau wifi établi
• Installation de Raspbian Full (Soyez patient, cela prend un certain temps.)
• Réglage du pays, du fuseau horaire et de la langue
• Définir un mot de passe pour l'utilisateur pi
• Connexion au réseau wifi établi
• Mise à jour (Soyez patient, cela prend un certain temps.)
• Redémarrage

À ce stade, nous avons un ordinateur Rπ0 fonctionnel exécutant le système d'exploitation Raspbian. Cliquez sur l'icône wifi dans le coin supérieur droit de l'écran. Il devrait afficher wlan0 connecté à votre réseau wifi établi.

Étape 3: Installez le pilote de l'adaptateur Wifi

L'adaptateur wifi de la marque Amazon Basics est idéal pour les projets d'antenne car l'antenne fournie peut être dévissée afin que notre antenne puisse être vissée. Malheureusement, Raspbian ne reconnaît pas cet adaptateur wifi. Il s'agit d'un adaptateur Realtek 818b avec le numéro de série 70F11C0531F8. Selon https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, la puce qu'il contient nécessite le pilote RTL8192EU. Le pilote nécessaire est disponible en ligne auprès de MrEngman.

Pour installer le pilote, branchez l'adaptateur wifi Amazon Basic sur le concentrateur USB et ouvrez un terminal. Saisissez les commandes suivantes sur la ligne de commande:

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

Cliquez sur l'icône wifi en haut à droite de l'écran.

Il doit afficher wlan0 et wlan1, et les deux doivent être connectés au réseau wifi établi. À ce stade, vous disposez d'un ordinateur Rπ0 fonctionnel fonctionnant avec deux adaptateurs wifi fonctionnels, l'adaptateur wifi interne et l'adaptateur wifi externe Amazon Basics.

Étape 4: Configurer le Rπ0 en tant que point d'accès

L'étape suivante consiste à configurer le Rπ0 pour qu'il serve de point d'accès wifi. À la fin de cette étape, l'adaptateur wifi externe Amazon Basics sera appelé wlan1 par le Rπ0, et il communiquera avec le réseau wifi établi. L'adaptateur wifi interne sera appelé wlan0 par le Rπ0, et les appareils tels que les téléphones portables, les tablettes et les ordinateurs portables peuvent se connecter au Rπ0 sur le nouveau réseau wifi. Ces téléphones portables, tablettes et ordinateurs portables pourront utiliser ce nouveau point d'accès wifi pour communiquer sur internet.

Ce Rπ0 peut étendre la portée d'un réseau wifi établi. Par exemple, supposons que nous voulions connecter un téléphone portable à Internet, mais que le téléphone portable se trouve à 200 m du point d'accès wifi établi. Le téléphone portable peut ne pas être en mesure de communiquer avec le point d'accès wifi établi si loin. Cependant, nous pouvons placer le Rπ0 avec le nouveau point d'accès au milieu. Le Rπ0 peut alors utiliser l'adaptateur wifi externe pour communiquer avec le réseau wifi établi qui n'est qu'à 100 m, et le Rπ0 peut utiliser l'adaptateur wifi interne pour communiquer avec le téléphone portable qui se trouve également à seulement 100 m.

Adafruit a un excellent tutoriel sur la façon de configurer un Raspberry Pi comme point d'accès wifi. Le didacticiel détaille les étapes qui incluent la configuration du point d'accès wifi, l'installation des packages nécessaires, la modification des fichiers de configuration et le démarrage des services. Cependant, la procédure comporte plusieurs étapes et les instructions doivent être modifiées pour nos besoins. Nous utilisons un Rπ0 au lieu du plus grand Raspberry Pi, et nous établissons une connexion entre deux points d'accès sans fil au lieu d'un point d'accès filaire et sans fil. De plus, d'autres modifications des fichiers de configuration sont nécessaires pour configurer avec succès le point d'accès.

Nous avons écrit un programme pour simplifier le processus d'installation. Le fichier zip ci-joint contient les fichiers de configuration modifiés nécessaires ainsi qu'un petit programme C qui automatise la configuration du point d'accès. Il est étroitement basé sur le tutoriel Adafruit. Ce programme sauvegarde les fichiers de configuration existants, les copie dans les nouveaux fichiers de configuration contenus dans le fichier zip et termine l'installation du point d'accès.

Certains packages supplémentaires sont nécessaires avant de pouvoir utiliser le script d'installation. Utilisez les commandes suivantes pour installer le logiciel nécessaire.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Téléchargez le fichier zip ci-joint et enregistrez-le dans un nouveau répertoire. Ouvrez un terminal et accédez à ce répertoire. Les étapes suivantes consistent à décompresser le fichier et à exécuter le script d'installation.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Ce programme vous demandera d'entrer le nom du réseau wifi (établi) et son mot de passe. Il configurera un nouveau point d'accès nommé PI_AP avec le mot de passe Raspberry.

Une fois le script terminé, redémarrez le Rπ0. Maintenant, si vous cliquez sur l'icône de réseau dans la partie supérieure droite de l'écran, aucune interface sans fil n'est trouvée. Ne t'inquiète pas; ils existent et fonctionnent. À ce stade, le réseau wifi d'origine existe et nous avons un nouveau réseau wifi nommé Pi_AP. Prenez un téléphone portable ou un autre appareil et essayez de vous connecter au nouveau point d'accès wifi. Ouvrez un navigateur Web sur l'appareil pour tester la connexion Internet tout en utilisant ce nouveau point d'accès.

Les sept fichiers de configuration suivants sont modifiés par le programme d'installation: /etc/dhcp/dhcpd.conf, /etc/default/isc-dhcp-server, /etc/network/interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf, /etc /default/hostapd, /etc/init.d/hostapd et /etc/sysctl.conf. Vous voudrez peut-être apporter des modifications supplémentaires à ces fichiers de configuration. Le tutoriel Adafruit mentionné ci-dessus fournit des détails supplémentaires. Par exemple, modifiez le fichier /etc/hostapd/hostapd.conf si vous souhaitez changer le nom de votre nouveau point d'accès ou son mot de passe. Si vous souhaitez connecter plusieurs points d'accès Rπ0 à votre réseau établi, chacun a besoin d'une adresse IP unique. Le processus d'installation utilise 192.168.42.1. Les fichiers /etc/dhcp/dhcpd.conf et /etc/network/interfaces devront être modifiés. De plus, vous aurez besoin de la commande sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 où zz est remplacé par un autre entier. De plus, ce point d'accès a été testé uniquement pour la communication IPv4. Des modifications supplémentaires de la procédure d'installation ou des fichiers de configuration peuvent être nécessaires pour les communications IPv4 et IPv6 sur le point d'accès.

Étape 5: Concevoir l'antenne

Concevoir et fabriquer une antenne est plus facile qu'il n'y paraît. Notre approche consistait à commencer par un modèle, à le modifier, à le simuler pour s'assurer qu'il répond toujours à nos besoins, puis à le disposer sur un PCB. Si vous ne souhaitez pas fabriquer votre propre antenne, utilisez celle fournie avec l'adaptateur wifi. Alternativement, si vous souhaitez créer, mais pas concevoir ou simuler, votre propre antenne, nous avons joint nos fichiers de mise en page PCB. Cependant, lisez la suite si vous êtes intéressé par la conception d'antennes, la simulation d'antennes ou la disposition des circuits imprimés. L'antenne que nous utilisons n'a pas été optimisée. Le but ici est de montrer comment vous pouvez fabriquer votre propre antenne, pas de montrer une antenne idéale.

Nous voulions une antenne directionnelle qui fonctionne aux fréquences wifi. L'Instructable avec lequel nous avons commencé comprend un modèle détaillé pour une antenne Yagi directionnelle qui peut être fabriquée à partir de trombones et de bâtons de popsicle. Nous n'avons fait qu'une seule modification. Cette antenne mesure 42 cm de long et contient 15 éléments conducteurs. Nous nous sommes débarrassés de tous les éléments sauf quatre, donc l'antenne sera plus courte.

Ensuite, nous avons simulé l'antenne pour nous assurer qu'elle était toujours directionnelle, même avec moins d'éléments. EZNEC de Roy Lewallen est un outil de simulation d'antenne facile à utiliser. Nous avons utilisé la version démo d'EZNEC 6.0. La première étape pour utiliser ce logiciel est de décrire l'antenne. Cliquez sur le bouton Fils et entrez l'emplacement des éléments d'antenne. La taille et l'emplacement de ces éléments sont détaillés dans le diagramme d'antenne. Ensuite, nous avons réglé la fréquence sur 2,4 GHz pour les signaux wifi, et nous avons choisi le type de sol comme espace libre. Le fichier EZNEC décrivant l'antenne, WifiYagi.ez, est joint.

La sortie de la simulation EZNEC est montrée ci-dessous, et elle vérifie que l'antenne modifiée est toujours directionnelle. La partie gauche de la figure montre l'antenne. Les lignes noires sont les éléments conducteurs, et le cercle rouge sur le deuxième élément est l'endroit où l'adaptateur wifi se connecte. La partie droite de la figure est le tracé du diagramme de rayonnement 3D. La figure montre la force relative du signal à une distance fixe d'une antenne émettrice à différents angles. Comme le tracé est plus grand dans la direction x que dans les autres directions, l'antenne est directionnelle. La majeure partie de l'énergie transmise par l'antenne ira dans la direction x. Si nous orientons correctement cette antenne, et en supposant que tout le reste soit égal, cette antenne devrait pouvoir communiquer sur de plus longues distances dans la direction x que si nous n'avions pas utilisé d'antenne directionnelle.

L'étape suivante consiste à disposer le PCB personnalisé. Alors que le diagramme d'antenne avec lequel nous avons commencé est facile à construire, il est difficile à construire avec précision. Les circuits imprimés sont fabriqués avec plus de précision et ils sont plus durables. Nous avons utilisé le programme open source KiCad. Nos fichiers de mise en page PCB sont joints, dans wifi_pcb.tar.gz. Pour décompresser le fichier, utilisez la commande:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Les étapes de la mise en place du PCB sont les suivantes:

• Ouvrez un nouveau projet KiCad.
• Accédez à l'éditeur de mise en page PCB.
• Sélectionnez le bouton Ajouter des lignes graphiques et le calque Edge. Cuts, et définissez le périmètre du PCB.
• Sélectionnez le bouton Ajouter des lignes graphiques et la couche F. Cu, et dessinez les éléments d'antenne dans la couche de cuivre avant.
• Sélectionnez le bouton Ajouter des vias et insérez deux trous où l'adaptateur wifi sera connecté.
• Sélectionnez le bouton Ajouter un polygone graphique et le calque F. Mask, puis tracez un trou dans le masque de soudure avant afin qu'il ne recouvre pas les trous de traversée. Répétez l'utilisation de la couche B. Mask pour dessiner un trou dans le masque de soudure arrière également.
• Ajoutez toutes les marques ou étiquettes supplémentaires souhaitées aux couches de sérigraphie.
• Sélectionnez Fichier puis Tracer pour générer des fichiers Gerber.

Étape 6: Fabriquez l'antenne

Nous avons acheté des PCB fabriqués à partir de notre réseau. Adafruit a une liste de fabricants de PCB adaptés aux amateurs. Bien que nous ayons essayé quelques fabricants de PCB, nous ne savons vraiment pas lequel est le meilleur. Le PCB montré a été fabriqué par Oshpark.

Une fois le PCB arrivé, l'étape suivante consiste à souder le connecteur coaxial RG-58. Le PCB a deux trous de passage. La broche fournie avec le connecteur est trop courte, alors soudez un petit morceau de fil dans l'un des trous de passage. Mettez un gros point de soudure reliant la coque à l'autre via trou. Vous disposez maintenant d'une antenne wifi directionnelle Yagi fabriquée à partir d'un PCB personnalisé.

Débranchez l'adaptateur wifi Amazon Basics. Dévissez l'antenne fournie et vissez la nouvelle antenne PCB. Rebranchez l'adaptateur wifi sur le hub USB. Le projet est maintenant terminé.