Punto de acceso Wifi Raspberry Pi Zero con una antena PCB personalizada: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Que estamos haciendo

El título de este tutorial tiene muchos términos técnicos. Vamos a analizarlo.

¿Qué es una Raspberry Pi Zero (Rπ0)? Una Raspberry Pi Zero es una computadora diminuta. Es la versión más pequeña de la computadora de placa única Raspberry Pi, y puede caber en una caja de 30 mm por 65 mm por 5 mm. Además de su pequeño tamaño, es muy económico y de muy bajo consumo. También es lo suficientemente potente como para ejecutar un sistema operativo completo basado en Linux, Raspbian. Al igual que con cualquier otra computadora, puede usar el Rπ0 para navegar por la web, jugar, usar herramientas de oficina, escribir software, etc. Este tutorial utiliza la Raspberry Pi Zero Model W, que tiene un adaptador wifi integrado.

¿Qué es un adaptador wifi? Si desea utilizar wifi para conectar su teléfono celular, tableta o computadora portátil a Internet, su dispositivo necesita un adaptador wifi. Un adaptador wifi contiene circuitos y una antena. Convierte señales de datos hacia y desde ondas electromagnéticas con una frecuencia cercana, por ejemplo, a 2,4 GHz. La mayoría de los teléfonos móviles, tabletas y portátiles contienen un adaptador wifi integrado. Sin embargo, también puede comprar un adaptador wifi externo que se conecta a una computadora a través de USB. En este proyecto utilizamos tanto el adaptador wifi interno del Rπ0 como un adaptador wifi externo.

¿Qué es un punto de acceso wifi? Varios teléfonos móviles, tabletas o computadoras pueden comunicarse de forma inalámbrica con un solo punto de acceso wifi, y los datos de estos dispositivos se transfieren a través del punto de acceso a Internet. En este proyecto, el Rπ0 es el punto de acceso wifi. ¿Por qué querrías tu propio punto de acceso wifi? Los dispositivos deben estar a unos 100 metros de un punto de acceso para comunicarse. Supongamos que hay un punto de acceso wifi público en el centro de una biblioteca. Cualquiera que tenga una computadora portátil a esa distancia puede usar el punto de acceso para conectarse de forma inalámbrica. ¿Y si quieres acceder al parque junto a la biblioteca, a 200 metros? Puede colocar un nuevo punto de acceso en el borde de la propiedad de la biblioteca, a 100 m del primer punto de acceso. Entonces, cualquier persona con una computadora portátil a menos de 100 m de ese nuevo punto de acceso también puede conectarse. Dentro de los límites del ancho de banda disponible, estos puntos de acceso se pueden encadenar para distribuir el acceso a Internet en un área más amplia.

¿Qué es una placa de circuito impreso (PCB) personalizada? Una PCB es un circuito construido depositando capas de material en una placa aislante. El cobre se modela en las ubicaciones deseadas para formar cables y se perforan orificios donde se colocarán los componentes. Los PCB personalizados se diseñan con software especializado. Para este proyecto, se diseñó una PCB personalizada utilizando el software KiCad de código abierto. Luego, el diseño se envió a un fabricante para su producción. Diseñar y pedir una PCB personalizada no es caro ni requiere mucho tiempo. Los pasos se detallan a continuación. Si diseña una placa de circuito impreso con software y la fabrica, obtiene un circuito que es duradero, fabricado con precisión y diseñado según sus especificaciones exactas. En este proyecto, usamos un PCB personalizado para hacer una antena wifi.

¿Qué es una antena? La antena es la parte del hardware del punto de acceso wifi que convierte las señales hacia y desde la radiación electromagnética. Muchas antenas pueden transmitir y recibir señales igualmente bien desde todas las direcciones. Otras antenas son direccionales y funcionan mucho mejor en una dirección particular. En este proyecto, optamos por utilizar una antena direccional. Cuando una antena direccional transmite una señal, enfoca la energía en una dirección particular, por lo que, en igualdad de condiciones, una antena direccional bien alineada puede comunicarse a una distancia más larga que una que no es direccional. Este Instructable se inspiró en otro Instructable que hizo una antena wifi direccional con (literalmente) clips y palitos de helado. Ese Instructable contenía un patrón para una antena wifi Yagi, y nuestra antena está hecha de ese patrón con ligeras modificaciones. Una antena Yagi, también llamada antena Yagi-Uda, es un tipo de antena direccional diseñada originalmente en 1926. Otra gran fuente de diseños de antenas, así como otra información sobre antenas, es el libro de antenas ARRL.

Si bien algunas personas acceden a Internet varias veces al día, muchas otras personas carecen de un acceso a Internet confiable. La falta de acceso a Internet es un problema tanto en las zonas rurales como en las urbanas, y es un problema tanto en los países desarrollados como en los países en desarrollo. Por ejemplo, el 23% de los hogares en el condado de Wayne Michigan, que incluye Detroit, carecían de acceso a Internet en 2017. Las soluciones a este problema deben ser económicas porque muchas de las personas que no tienen acceso a una computadora tienen recursos limitados. Además, las soluciones deben funcionar sin necesidad de infraestructura, como el tendido de cables de cobre o de fibra óptica. En estas instrucciones, le mostramos cómo crear su propio punto de acceso wifi para que pueda ampliar Internet usted mismo.

Acerca de este tutorial

Estas instrucciones son modulares. Puede seguir partes de estas instrucciones sin tener que completar necesariamente las partes antes o después. Por ejemplo, si está interesado en usar un Rπ0 como punto de acceso, pero no está demasiado interesado en las antenas, no dude en usar cualquier adaptador wifi e ignore los pasos relacionados con la fabricación de la antena. Si está interesado en hacer una antena Yagi personalizada, vaya directamente a esa parte del tutorial. Se incluyen los archivos de diseño de PCB para la antena.

El paso para instalar el adaptador wifi y el paso para configurar el Rπ0 como punto de acceso se probaron con Raspbian Stretch 4.14.52 y 4.14.79. Ojalá sigan trabajando con versiones futuras. Sin embargo, es posible que sea necesario modificar estos pasos si los archivos de configuración para el acceso wifi cambian en versiones más recientes del sistema operativo.

Paso 1: Reúna los suministros

Suministros necesarios para la configuración cero de Raspberry Pi

• Raspberry Pi Zero W Asegúrese de obtener el modelo W que tiene wifi integrado.https://www.adafruit.com/product/3400

  

• Tarjeta Micro SD Obtenga una de al menos 16 GB.https://www.amazon.com/gp/product/B073JWXGNT
• Lector de tarjetas MicroSD
• Hub USB con conector MicroUSB
• Teclado y mouse USB
• Cable Mini-HDMI a HDMI Asegúrese de obtener el tamaño Mini-HDMI, no Micro-HDMI.
• Monitor compatible con HDMI
• Fuente de alimentación Puede utilizar una batería USB en su lugar.

Suministros adicionales necesarios para configurar el punto de acceso Wifi

Adaptador Wifi USB de Amazon Basics con antena desmontable

Suministros adicionales necesarios para la antena de PCB personalizada

• Conector de cable soldable RG-58 Número de pieza de Digikey CONSMA007-R58-ND
• Placa de circuito impresa personalizada
• Soldador y pequeña cantidad de soldadura

Paso 2: Configura la Raspberry Pi Zero

Descargue el archivo zip Raspbian NOOBs Lite de https://www.raspberrypi.org/downloads/noobs y descomprímalo.

Conecte la tarjeta MicroSD a la computadora usando el lector de tarjetas MicroSD. La tarjeta MicroSD debe ser nueva o recién formateada. Copie los archivos en la tarjeta MicroSD.

El siguiente paso es conectar el hardware Rπ0. Inserte la tarjeta MicroSD en el Rπ0. Conecte el concentrador USB al Rπ0 y conecte el teclado y el mouse al concentrador USB. Conecte el Rπ0 a la fuente de alimentación y enchúfelo. El adaptador wifi de Amazon Basics no se utilizará en este paso, así que déjelo desconectado.

Siga las instrucciones del asistente para instalar el sistema operativo Raspbian en el Rπ0. Este paso implica:

• Iniciar sesión en la red wifi establecida
• Instalación de Raspbian Full (tenga paciencia, esto lleva un tiempo).
• Configurar el país, la zona horaria y el idioma
• Establecer una contraseña para el usuario pi
• Conexión a la red wifi establecida
• Actualización (tenga paciencia, esto lleva un tiempo).
• Reiniciando

En este punto, tenemos una computadora Rπ0 en funcionamiento que ejecuta el sistema operativo Raspbian. Haga clic en el icono de wifi en la esquina superior derecha de la pantalla. Debería mostrar wlan0 conectado a su red wifi establecida.

Paso 3: instale el controlador del adaptador Wifi

El adaptador wifi de la marca Amazon Basics es ideal para proyectos de antenas porque la antena suministrada se puede desenroscar para que nuestra antena se pueda atornillar. Desafortunadamente, Raspbian no reconoce este adaptador wifi. Es un adaptador Realtek 818b con número de serie 70F11C0531F8. Según https://www.raspberrypi.org/forums/viewtopic.php?…, el chip requiere el controlador RTL8192EU. El controlador necesario está disponible en línea en MrEngman.

Para instalar el controlador, conecte el adaptador wifi de Amazon Basic al concentrador USB y abra una terminal. Ingrese los siguientes comandos en la línea 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

Haga clic en el icono de wifi en la parte superior derecha de la pantalla.

Debería mostrar wlan0 y wlan1, y ambos deberían estar conectados a la red wifi establecida. En este punto, tiene una computadora Rπ0 en funcionamiento con dos adaptadores wifi en funcionamiento, el interno y el adaptador wifi externo de Amazon Basics.

Paso 4: Configure el Rπ0 como punto de acceso

El siguiente paso es configurar el Rπ0 para que actúe como un punto de acceso wifi. Al final de este paso, el adaptador wifi externo de Amazon Basics será llamado wlan1 por el Rπ0, y se comunicará con la red wifi establecida. El adaptador wifi interno se llamará wlan0 por el Rπ0, y los dispositivos como teléfonos celulares, tabletas y computadoras portátiles pueden conectarse al Rπ0 en la nueva red wifi. Estos teléfonos celulares, tabletas y computadoras portátiles podrán usar este nuevo punto de acceso wifi para comunicarse en Internet.

Este Rπ0 puede ampliar el alcance de una red wifi establecida. Por ejemplo, supongamos que queremos conectar un teléfono móvil a Internet, pero el móvil está a 200 m del punto de acceso wifi establecido. Es posible que el teléfono móvil no pueda comunicarse con el punto de acceso wifi establecido tan lejos. Sin embargo, podemos colocar el Rπ0 con el nuevo punto de acceso en el medio. El Rπ0 puede usar el adaptador wifi externo para comunicarse con la red wifi establecida que está a solo 100 m de distancia, y el Rπ0 puede usar el adaptador wifi interno para comunicarse con el teléfono celular que también está a solo 100 m de distancia.

Adafruit tiene un excelente tutorial sobre cómo configurar una Raspberry Pi como punto de acceso wifi. El tutorial detalla los pasos que incluyen configurar el punto de acceso wifi, instalar los paquetes necesarios, editar archivos de configuración e iniciar servicios. Sin embargo, el procedimiento tiene varios pasos y las instrucciones deben modificarse para nuestros propósitos. Estamos usando un Rπ0 en lugar de la Raspberry Pi más grande, y estamos estableciendo una conexión entre dos puntos de acceso inalámbricos en lugar de un punto de acceso cableado e inalámbrico. Además, se necesitan más cambios en los archivos de configuración para configurar correctamente el punto de acceso.

Escribimos un programa para simplificar el proceso de instalación. El archivo zip adjunto contiene los archivos de configuración modificados necesarios, así como un pequeño programa en C que automatiza la configuración del punto de acceso. Está estrechamente basado en el tutorial de Adafruit. Este programa hace una copia de seguridad de los archivos de configuración existentes, copia los nuevos archivos de configuración contenidos en el archivo zip y completa la instalación del punto de acceso.

Se necesitan algunos paquetes adicionales antes de que podamos usar el script de instalación. Utilice los siguientes comandos para instalar el software necesario.

sudo apt-get install hostapd isc-dhcp-server

sudo apt-get install iptables-persistent

Descargue el archivo zip adjunto y guárdelo en un nuevo directorio. Abra una terminal y cambie a ese directorio. Los siguientes pasos son descomprimir el archivo y ejecutar el script de instalación.

tar-xzvf insatll-rpiAP.tar.gz

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

Este programa le pedirá que ingrese el nombre de la red wifi (establecida) y su contraseña. Configurará un nuevo punto de acceso llamado PI_AP con contraseña Raspberry.

Una vez finalizado el script, reinicie Rπ0. Ahora, si hace clic en el icono de red en la parte superior derecha de la pantalla, dice que no se encuentran interfaces inalámbricas. No te preocupes; existen y están funcionando. En este punto, existe la red wifi original y tenemos una nueva red wifi llamada Pi_AP. Tome un teléfono celular u otro dispositivo e intente conectarse al nuevo punto de acceso wifi. Abra un navegador web en el dispositivo para probar la conexión a Internet mientras usa este nuevo punto de acceso.

Los siguientes siete archivos de configuración son modificados por el programa de instalación: /etc/dhcp/dhcpd.conf, / etc / default / isc-dhcp-server, / etc / network / interfaces, /etc/hostapd/hostapd.conf, / etc / default / hostapd, /etc/init.d/hostapd y /etc/sysctl.conf. Es posible que desee realizar modificaciones adicionales a estos archivos de configuración. El tutorial de Adafruit mencionado anteriormente proporciona detalles adicionales. Por ejemplo, modifique el archivo /etc/hostapd/hostapd.conf si desea cambiar el nombre de su nuevo punto de acceso o su contraseña. Si desea conectar varios puntos de acceso Rπ0 a su red establecida, cada uno necesita una dirección IP única. El proceso de instalación utiliza 192.168.42.1. Los archivos /etc/dhcp/dhcpd.conf y / etc / network / interfaces deberán modificarse. Además, necesitará el comando sudo ifconfig wlan0 192.168.zz.1 donde zz se reemplaza por otro entero. Además, este punto de acceso ha sido probado solo para comunicación IPv4. Es posible que se necesiten modificaciones adicionales al procedimiento de instalación o los archivos de configuración para la comunicación tanto IPv4 como IPv6 en el punto de acceso.

Paso 5: diseñe la antena

Diseñar y fabricar una antena es más fácil de lo que parece. Nuestro enfoque fue comenzar con un patrón, modificarlo, simularlo para asegurarnos de que aún satisfaga nuestras necesidades y luego colocarlo en una PCB. Si no desea hacer su propia antena, use la que viene con el adaptador wifi. Alternativamente, si desea hacer, pero no diseñar o simular, su propia antena, hemos adjuntado nuestros archivos de diseño de PCB. Sin embargo, siga leyendo si está interesado en el diseño de antenas, la simulación de antenas o el diseño de PCB. La antena que usamos no ha sido optimizada. El propósito aquí es mostrar cómo puede hacer su propia antena, no mostrar una antena ideal.

Queríamos una antena direccional que funcionara en frecuencias wifi. El Instructable con el que comenzamos incluye un patrón detallado para una antena Yagi direccional que se puede hacer con clips y palitos de helado. Hicimos solo una modificación. Esta antena mide 42 cm de largo y contiene 15 elementos conductores. Nos deshicimos de todos los elementos menos cuatro para que la antena sea más corta.

A continuación, simulamos la antena para asegurarnos de que seguía siendo direccional, incluso con menos elementos. EZNEC de Roy Lewallen es una herramienta de simulación de antena fácil de usar. Usamos la versión de demostración de EZNEC 6.0. El primer paso para utilizar este software es describir la antena. Haga clic en el botón Cables e ingrese la ubicación de los elementos de la antena. El tamaño y la ubicación de estos elementos se detallan en el patrón de antena. A continuación, configuramos la frecuencia en 2,4 GHz para las señales wifi y elegimos el tipo de suelo para que sea espacio libre. Se adjunta el archivo EZNEC que describe la antena, WifiYagi.ez.

La salida de la simulación EZNEC se muestra a continuación y verifica que la antena modificada aún sea direccional. La parte izquierda de la figura muestra la antena. Las líneas negras son los elementos conductores y el círculo rojo en el segundo elemento es donde se conecta el adaptador wifi. La parte derecha de la figura es el diagrama del patrón de radiación en 3D. La figura muestra la fuerza relativa de la señal a una distancia fija de una antena transmisora en diferentes ángulos. Dado que la trama es más grande en la dirección x que en otras direcciones, la antena es direccional. La mayor parte de la energía transmitida por la antena irá en la dirección x. Si orientamos esta antena correctamente, y asumiendo que todo lo demás es igual, esta antena debería poder comunicarse a distancias más largas en la dirección x que si no hubiéramos utilizado una antena direccional.

El siguiente paso es diseñar la PCB personalizada. Si bien el patrón de antena con el que comenzamos es fácil de construir, es difícil de construir con precisión. Las placas de circuito impreso se fabrican con mayor precisión y son más duraderas. Usamos el programa de código abierto KiCad. Nuestros archivos de diseño de PCB están adjuntos, en wifi_pcb.tar.gz. Para descomprimir el archivo, use el comando:

tar -zxvf wifi_pcb.tar.gz

Los pasos para diseñar la PCB son:

• Abra un nuevo proyecto de KiCad.
• Vaya al Editor de diseño de PCB.
• Seleccione el botón Agregar líneas gráficas y la capa Edge. Cuts, y defina el perímetro de la PCB.
• Seleccione el botón Agregar líneas gráficas y la capa F. Cu, y dibuje los elementos de la antena en la capa de cobre frontal.
• Seleccione el botón Agregar Vias e inserte dos orificios donde se conectará el adaptador wifi.
• Seleccione el botón Agregar polígono gráfico y la capa de máscara F., y dibuje un agujero en la máscara de soldadura frontal para que no cubra los agujeros de vía. Repita usando la capa B. Mask para dibujar un agujero en la máscara de soldadura trasera también.
• Agregue las marcas o etiquetas adicionales que desee a las capas de la serigrafía.
• Seleccione Archivo y luego Trazar para generar archivos Gerber.

Paso 6: haz la antena

Compramos PCB hechos a partir de nuestro diseño. Adafruit tiene una lista de fabricantes de PCB aptos para aficionados. Si bien hemos probado algunos fabricantes de PCB, realmente no sabemos cuál es el mejor. El PCB que se muestra fue fabricado por Oshpark.

Una vez que llega la PCB, el siguiente paso es soldar el conector coaxial RG-58. El PCB tiene dos orificios de paso. El pin que viene con el conector es demasiado corto, así que suelde un pequeño trozo de cable en uno de los orificios de paso. Ponga un gran punto de soldadura que conecte la carcasa al otro a través del orificio. Ahora tiene una antena wifi Yagi direccional hecha de una PCB personalizada.

Desenchufe el adaptador wifi de Amazon Basics. Desatornille la antena que viene con y atornille la nueva antena de PCB. Vuelva a conectar el adaptador wifi al concentrador USB. El proyecto ahora está completo.