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== '''Keywords''' ==
Raspberry, Raspberry Pi Zero, Cat1 4G LTE, USB2.0-A, Ethernet, Expansion Board, USB HUB, GPS, GNSS

== '''I. Introduction''' ==
The Raspberry Pi Zero series (including the Zero, Zero W/H, and Zero 2W) is a highly cost-effective embedded system platform, known for its small size, low power consumption, and acceptable performance, making it suitable for many lightweight application scenarios. Although the Zero series is compact, it reserves a large number of expansion interfaces. Especially on the backside of the board, gold-plated test points for USB and power are brought out. We can use these sets of USB and power test points to expand various types of peripherals. This expansion board is essentially a USB hub that connects to the Zero's USB port via pogo pins. It expands four USB ports via USB, with one USB port converted to a 100Mbps wired Ethernet port, one USB port connected to a 4G Cat1 module, and two USB 2.0-A host ports.

4G Cat1 is a high-cost-performance module aimed at medium-speed IoT applications around 10 Mbps. The 10 Mbps downlink and 5 Mbps uplink speeds can satisfy the majority of connectivity and transmission requirements. It supports 4G all-net communications, including Unicom, Telecom, and Mobile. The 4G module on this expansion board also supports GPS/GNSS..

== '''II. Hardware Resources''' ==
2.1 Use gold-plated pogo pins to connect the Raspberry Pi Zero series, eliminating the need for external cables;

2.2 The two groups of gold-plated pogo pins are used separately for power supply and USB communication.

2.3The expansion board is equipped with a USB-C power supply interface, which can power the entire system. The Micro USB port on the Zero can also be used for power.

2.4 The onboard USB hub expands the Zero's USB into four ports: one port is used for connecting a 4G LTE Cat1 module, two are USB host interfaces, and one is a USB to 10/100Mbps Ethernet adapter.

2.5 4G LTE Cat1 module supports full 4G network coverage, with a downlink speed of up to 10Mbps and an uplink speed of up to 5Mbps.

2.6 The 4G LTE Cat1 module is a plug-and-play in most systems, driver-free and does not require manual dialing, usually recognized as the eth1 network card.

2.7 The 4G LTE Cat1 module uses a Nano-sized SIM card and offers the option of either an SMA antenna or a first-generation IPEX antenna.

2.8 The 4G LTE Cat1 module supports GPS/GNSS.

2.9 The expansion board supportsother Pi with USB contacts in the same position, such as the Orange Pi Zero 2W.

2.10 Onboard PWR/MODE/ACT LED.

2.11 Onboard reset button for 4G.

Note 1: After connecting this expansion board, the Micro USB port on the Zero will no longer be usable.

Note 2: In some systems, it is necessary to disable the OTG function and set the USB mode to Host mode.

Note 3: The expansion board supports all versions of the Raspberry Pi Zero, including the Zero, Zero W, Zero WH, and Zero 2W.

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_08.jpg

== '''III. System flashing''' ==
3.1 The hardware in this document is based on the Raspberry Pi Zero 2W. 

1. The Raspberry Pi OS used in this document is: 2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz(Raspberry Pi OS with desktop).

(If you are using the Raspberry Pi Zero (1st generation) series boards, they only support 32-bit systems. Please be sure to download the correct version.)

You can download the Raspberry Pi OS in:

https://www.raspberrypi.com/software/operating-systems/#raspberry-pi-os-64-bit

2. Ubuntu system: Ubuntu Server 24.04 LTS. (The Raspberry Pi Zero 2W cannot use the Desktop version due to performance limitations.)

The image is: ubuntu-24.04-preinstalled-server-arm64+raspi.img.xz 

You can download the Ubuntu system in:

https://ubuntu.com/download/raspberry-pi

3.2 Use Imager or balenaEtcher to flash the OS image in TF card. [[0005 MPS2242 2280 2280P(Single SSD Expansion Board)#3.2 Boot from TF card|Click here to read the instructions for System flashing]]

== '''IV. Demonstration of Using the Raspberry Pi OS''' ==

=== 4.1 View hardware devices ===

==== 4.1.1 View USB devices ====
Open the terminal in Raspberry Pi OS and enter the command<code>lsusb</code>, as shown in the image below:

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_01.jpg

The system has detected the USB hub and the 4G module:

Device 002：External USB Hub;

Device 003：4G module;

Device 004：USB to 100Mbps Ethernet adapter;

Device 005：USB2.0-A Interface;

Device 006：USB2.0-A Interface.

If the system stop at the Raspberry Pi logo and fails to boot:

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_58.jpg

or if after booting, the keyboard, mouse, and 4G module cannot be used, please carefully check whether the pogo pins are aligned with the gold-plated contacts. Additionally, on the PC, open the <code>config.txt</code> file located in the root directory of the TF card to check the USB initialization script.

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_41.jpg

You need to confirm that the three red-boxed areas in the following image are all configured completely. If not, please manually add the missing parts and save the file:

<code># otg_mode=1</code> (It is recommended to comment out as follow)

<code>dtoverlay=dwc2,dr_mode=host</code> (These two areas must be ensured to be included.)

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_57.jpg

==== 4.1.2 View network devices ====
打开树莓派OS的终端，输入命令<code>ifconfig -a</code>，如下图所示：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_02.jpg

可以看到eth0为4G Cat1（上图中IP地址默认为192.168.5.8），eth1为为USB转以太网。

'''''注：本扩展板的4G Cat1模块初始化速度较快，且连接在USB Hub芯片的第一个端口，所以在网络名称的分配上，4G Cat1模块为eth0，而USB转以太网为eth1。'''''

=== 4.2 测试网络设备 ===

==== 4.2.1 ping包测试 ====
测试的时候有优先级，如果eth0已连接则优先走eth0。如有内外网特殊优先级需要请调整各网络的metric值以及DNS服务器设置。

可以用-I参数指定从哪个网卡开始ping包，如下所示：

<code>ping www.mcuzone.com -I eth0</code>

<code>ping www.mcuzone.com -I eth1</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_03.jpg

优先级可以通过可以执行<code>route</code>命令来查看，哪个网卡的metric值小就从优先从哪个网卡通讯。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_04.jpg

我们也可以通过关闭某个网卡，达到强制指定通过另一个网络进行通讯，如需关闭eth0，可执行下面的命令：

<code>sudo ifconfig eth0 down</code>

以及通过执行下面的命令来开启eth0：

<code>sudo ifconfig eth0 up</code>

==== 4.2.2 设置网卡优先级与指定DNS服务器 ====
关于该部分的知识，可参阅以下链接：

[[1001 Zero 4G Cat1-ETH（百兆网络 4G Cat1 USB2.0-A 485版本可选）#4.2.2 设置网卡优先级|设置网卡优先级]]

[[1001 Zero 4G Cat1-ETH（百兆网络 4G Cat1 USB2.0-A 485版本可选）#4.2.3 利用udhcpc指定DNS服务器|利用udhcpc指定DNS服务器]]

[[1001 Zero 4G Cat1-ETH（百兆网络 4G Cat1 USB2.0-A 485版本可选）#4.2.4 udhcpc应用场景举例|udhcpc应用场景举例]]

建议通过udhcpc软件，而不是编辑resolv.conf文件来指定DNS服务器，这样会比较稳定。

==== 4.2.3 iperf3测速 ====
Windows版iperf3下载：

http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000634

Linux下iperf3安装：

<code>sudo apt-get install iperf3</code>

百兆以太网测速结果，client模式75Mbps左右，server模式94Mbps左右：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_05.jpg

'''''注意：USB转百兆有线受Zero 2W性能和USB Hub以及4G Cat1带宽占用影响并不能跑满，请知悉。'''''

4G CAT1的测速结果如下：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_46.jpg

'''''注意：网络测速受网络环境和测试方法影响，速度请以实际为准，本测试仅供参考。'''''

=== 4.3 AT命令演示 ===

==== 4.3.1 打开AT命令串口方法 ====
在树莓派下要对4G进行AT命令操作，首先要打开AT命令串口,打开方法如下：

首先打开ttyUSB串口：

输入命令<code>lsusb</code>，如下图所示：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_07.jpg

记下4G模块的ID值：1782 4e00

使用下列命令打开ttyUSB串口，其中echo后面的值就是上面记录的ID值：

<code>sudo modprobe option</code>

<code>sudo sh -c 'echo 1782 4e00 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_12.jpg

执行以上两条命令后系统应该会多出ttyUSB0-2三个设备。

然后用串口工具打开相应串口：

下载minicom工具：

<code>sudo apt-get install minicom</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_13.jpg

通过minicom打开AT命令串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB0</code>

或

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_14.jpg

然后直接键入AT命令，回车可以看到结果，如果需要查看回显，请键入命令：<code>ate1</code>。

注意：4G模组型号可能会变更，但流程一样，只需要用<code>lsusb</code>查看实际的USB ID并在后续命令中将USB ID替换为实际值即可。另外，有部分4G Cat1模组的芯片组ID已经被内核加入支持列表，这类Cat1模组无需添加USB ID即可自动识别为ttyAMAx。

==== 4.3.2 常用AT命令 ====
1) 检查SIM卡是否识别到：

<code>at+cpin?</code>

返回ready表示卡已识别，返回error要检查硬件

2) 检查天线信号质量：

<code>at+csq</code>

返回值在26-31表示信号OK，信号满格31；返回值在20-25表示信号勉勉强强；返回值在20以下表示信号比较糟糕或者天线没接

3) 检查注网情况：

<code>at+cops?</code>

正常应该返回运营商代码和7，7代表4G

注意，以上命令只有<code>at+csq</code>不要加问号，另外两条命令需要加问号。

4) 查看4G模块的IMEI码：

<code>at+cgsn</code>

5) 重启4G模块（有时候如果重插SIM卡，热插拔不一定管用，可以用这个reset命令来复位模块）：

<code>at+reset</code>

6) 关闭射频：

<code>at+cfun=0</code>

开启射频：

<code>at+cfun=1</code>

上述两条命令成对使用，可以在不重启4G模组的情况下让模组重新注网。

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_15.jpg

==== 4.3.3 GPS测试 ====
使用GPS时，默认采用'''''无源GPS天线'''''，，且确保GPS天线甩出户外。

注意：部分无源GPS天线对保护用的TVS管的寄生电容较为敏感，如果无法定位卫星需要将TVS拆除重试（如图）。如果要使用有源天线需要把电容C43更换为0R电阻。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_11.jpg

运行minicom，打开ttyUSB1串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

并运行：

<code>AT+CGNSPWR=1</code> //打开GPS

<code>AT+CGNSAID=31,1,1,1</code> //使能位置辅助定位（指令立即返回OK，根据信号强度，大概2-10秒左右会定位成功）

<code>AT+CGNSURC=1</code> //设置定位信息自动上报

运行成功后就可以看到该串口有GPS信息输出，稍等片刻即可定位：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_10.jpg

== '''五、Ubuntu Server下使用演示''' ==

=== 5.1 编辑初始化脚本 ===
Ubuntu Server烧写完毕后，请在PC端打开TF卡系统分区根目录下的config.txt检查USB的初始化脚本，Ubuntu Server对USB初始化了两遍，前面一遍没有配置成host模式，需要确认下图中的两处红框的位置是否都配置成完全，如果没有，请手动添加完整：

<code>dtoverlay=dwc2,dr_mode=host</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_32.jpg

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_30.jpg

=== 5.2 配置用户名和密码 ===
将TF卡插入Zero 2W，启动系统。第一次启动后会要求登录，用户名和密码均为ubuntu，登录成功后会要求修改密码。

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_31.jpg

修改完毕后就自动进入系统。

=== 5.3 配置网络 ===
Ubuntu Server系统出于安全考虑，有非常多的限制，默认很多服务器和组件也都是关闭状态；网络接口被关闭的，所以系统启动后并无网络可用，需要进行开启设置后才能使用。

'''''注意，系统默认并没有集成ifconfig工具，只有ip命令可用。'''''

执行<code>ip addr</code>查看并记录下网卡名称：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_33.jpg

其中2号网卡（enx00e0996df1cd）为USB转百兆网卡，3号网卡（enxac4bb3b9ebe5）为4G模组。

然后运行下面的命令，打开网卡配置文件：

<code>sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml</code>

按照下图编辑网卡配置文件：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_34.jpg

保存退出，然后重启。

重启后即可联网，安装net-tools工具以便于使用：

<code>sudo apt install net-tools</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_35.jpg

=== 5.4 网络及4G模组测试 ===
执行命令<code>ifconfig -a</code>，查看网卡信息：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_36.jpg

可见第一块网卡为USB转百兆网卡，第二块网卡为4G模组。

通过使用-I参数，在ping包时加上网卡名称，可指定哪块网卡进行ping包。通过这两块网卡对腾讯的网站的ping包测试可知，第二块网卡即4G模组支持ipv6：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_37.jpg

=== 5.5 AT命令交互测试 ===
安装minicom工具：

<code>sudo apt-get install minicom</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_38.jpg

然后和树莓派OS一样，通过minicom打开AT命令串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB0</code>

或

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_39.jpg

即可使用常见AT命令进行交互：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_40.jpg

=== 5.6 GPS测试 ===
使用GPS时，默认采用'''''无源GPS天线'''''，，且确保GPS天线甩出户外。

注意：部分无源GPS天线对保护用的TVS管的寄生电容较为敏感，如果无法定位卫星需要将TVS拆除重试（如图）。如果要使用有源天线需要把电容C43更换为0R电阻。

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_11.jpg

运行minicom，打开ttyUSB1串口：

<code>sudo minicom -D /dev/ttyUSB1</code>

并运行：

<code>AT+CGNSPWR=1</code> //打开GPS

<code>AT+CGNSAID=31,1,1,1</code> //使能位置辅助定位（指令立即返回OK，根据信号强度，大概2-10秒左右会定位成功）

<code>AT+CGNSURC=1</code> //设置定位信息自动上报

运行成功后就可以看到该串口有GPS信息输出，稍等片刻即可定位：

http://www.mcuzone.com/wiki/1004_Zero_4G_Cat1-GPS/1004_Zero_4G_Cat1-GPS_09.jpg

== '''六、OpenWrt系统操作演示''' ==

=== 6.1 概述 ===
此扩展板搭配树莓派Zero 2W，在OpenWrt系统下可配置为一进一出的交换机模式，扩展板上的4G可作为WAN口（直接4G上网），网口配置为LAN口，用于连接PC。

=== 6.2 准备工作 ===
本文使用的OpenWrt系统为：openwrt-bcm27xx-bcm2709-rpi-2-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.98-20240723.img.gz

烧写OpenWrt系统并上电启动后，我们通过树莓派自带网口连接网线至PC网口，待PC的网卡与树莓派的网口连接成功后，我们在Windows设置中找到网络和Internet，在以太网中打开连接的网络查看默认网关的IP地址，这个地址就是OpenWrt系统的后台配置页面地址，如图所示，本文测试的地址为192.168.198.1：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_18.jpg

然后打开网页浏览器输入192.168.198.1进入OpenWrt系统。默认用户名为root，默认密码为password。

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_19.jpg

=== 6.3 设置OpenWrt系统 ===
进入OpenWrt系统后，如前所述，用网线把树莓派的网口和PC的网口直连，等PC的网卡获取了IP地址后，即可让PC直接通过4G模块上网（无需设置）。

=== 6.4 测试4G模块网速 ===
在PC端打开<nowiki/>https://www.speedtest.cn/<nowiki/>进行测速，此时流量走的是4G模块，测试结果如下：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_46.jpg

'''''注意：4G网络测速受网络信号和测试方法影响，速度请以实际为准。'''''

=== 6.5 挂载U盘及文件操作 ===
将U盘插入USB口，则在“系统 - 磁盘管理”中直接可以看到该U盘的信息及挂载情况：

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_20.jpg

在“系统 - 挂载点”中可以看到各个挂载点的情况，也可以在此页面对其进行配置。

在“网络存储 - 文件助手”中，可以对系统中的文件进行操作。

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_21.jpg

=== 6.6 TTYD终端 ===
OpenWrt系统自带一个网页版的TTYD终端，可在“系统 - TTYD终端”中打开。默认用户名为root，默认密码为password，因为是使用root账号登录，登录后即有root权限。

http://www.mcuzone.com/wiki/0007_Zero_4G_Cat1/0007_Zero_4G_Cat1_22.jpg

<!--=== 7.7 无线网卡的使用 ===
此扩展板自带一个无线网卡，但本OpenWrt系统因为驱动原因默认不开启，所以暂时处于不可用状态，如果需要使用，则需手动开启。

默认状态下，“网络”里面没有无线网卡的相关设置：

44

7.7.1 安装驱动

驱动下载地址：

http://www.mcuzone.com/wiki/1001_Zero_4G_Cat1/brcmfmac43430b0-sdio.raspberrypi,model-zero-2-w.zip

下载完毕后将其解压到U盘，本文所解压的目录为U盘下的op文件夹，将U盘插到扩展板上，我们可以在“网络存储 - 文件助手”中看到这些文件，挂载目录为/mnt/sda/op/：

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打开TTYD终端并登录，执行下列命令：

<code>cd /mnt/sda/op/</code>

<code>cp *.* /lib/firmware/brcm/</code>

47

然后重启系统。

7.7.2 配置无线网卡-->

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