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== '''关键词''' ==
树莓派4B、Raspberry Pi 4B、CAT4 4G、高通4G、ZTE CAT4 4G、免驱免拨号、自动识别、顶针、RS485、USB2.0、USB3.0、扩展百兆网卡

== '''一、简介''' ==
RPi 4B-4G顶针升级版是基于树莓派4B开发板的一路USB2.0口，利用USB HUB芯片一扩四，扩展一路USB接4G LTE，一路USB转百兆以太网，一路USB2.0-A和一路USB转串口（可选RS485或TTL串口）。使树莓派4B实现两路以太网和4G LTE搭配RS485设备，满足各种工业场景的应用。

== '''二、硬件资源''' ==
1. 一路USB2.0主机接口和一路百兆以太网；

2. 可选eSIM卡芯片，更加稳定可靠eSIM芯片规格5*6mm；eSIM卡和插拔式SIM卡二选一，不可同时使用；

3. 工业级RS485模块带电源隔离（选配）；

4. TTL串口（与RS485为同一路）。'''''注：此TTL串口是树莓派串口，非4G的调试串口；'''''

5. 隔离RS-485收发，低电磁辐射/高抗电磁干扰性；

6. 自动收发数据功能，可连接节点高达64个，电磁辐射EMI极低;，

7. 工作温度范围:-40℃~+80℃

8. 集成电器隔离，信号隔离和总线ESD保护功能。

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== '''三、树莓派OS的使用''' ==
我们测试用的树莓派OS的版本为2024-11-19-raspios-bookworm-arm64.img.xz，树莓派OS下载地址：

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

=== 3.1 测试USB口 ===
在树莓派终端中执行<code>lsusb</code>，显示如下：

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识别都正常

USB口只有接了外设，才会在lsusb中显示出相关设备，比如说上图的板载USB2.0接口，是因为接了无线键鼠才会显示出Bus 001 Device 007，如果不接就不会显示。

随后输入<code>lsusb -t</code>查看USB口的工作模式是否正常：

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Bus 02：为USB 3.0接口，5000M；

Bus 01：为USB 2.0接口，480M。

=== 3.2 测试百兆以太网 ===
我们的RPi 4B-4G顶针升级版通过USB2.0扩展一路百兆以太网。

将百兆以太网口接到上级路由器，树莓派系统执行<code>ifconfig -a</code>，显示如下：

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我们使用网速测试软件iperf3进行测速。

Windows版iperf3下载：

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

Linux下iperf3安装：

<code>sudo apt install iperf3</code>

使用iperf3对百兆以太网口进行测速：

client模式为94.7Mbps左右：

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server模式为94.8Mbps左右：

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'''''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。'''''

=== 3.3 测试4G模组 ===
我司配套的4G模块均具有免驱免拨号、系统自动识别、即插即用。具体型号有CAT4 4G、高通4G，和ZTE CAT4 4G，其中CAT4 4G和ZTE CAT4 4G，系统均自动识别成eth设备，高通4G自动识别成usb0设备。

==== 3.3.1 4G网络测试 ====
启动系统，在树莓派系统终端下执行<code>lsusb</code>，显示结果如下：

'''CAT4 4G：'''

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'''高通4G：'''

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'''ZTE CAT4 4G：'''

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我们将树莓派4B自身网口和扩展板的百兆网口都连接上级路由器，执行<code>ifconfig -a</code>，显示结果如下：

'''CAT4 4G：'''

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'''高通4G：'''

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'''ZTE CAT4 4G：'''

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以CAT4 4G为例，执行<code>route</code>，查看路由表，eth1排在第一位，因此此时是通过4G模块上网：

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我们ping IP和域名，均成功，说明4G模块工作正常：

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打开<nowiki/>https://test.ustc.edu.cn/<nowiki/>进行网速测试，结果如下：

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'''''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。'''''

==== 3.3.2 网络优先级的修改 ====
上一节基于CAT4 4G，我们查看了路由表，默认优先通过4G模块上网；不同的4G，上网顺序可能不一样，以实际为准。

http://www.mcuzone.com/wiki/3010_RPi_4B-4G_Probe/3010_RPi_4B-4G_Probe_09.jpg

如果你不想用4G模块上网，要优先使用有线网络上网的话，可以运行命令：

<code>sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1</code>

这两条命令（以“&&”分隔）的解释：

<code>sudo ip route del default</code>：删除路由表中的默认路由；

<code>sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1</code>：添加有线网络的网关为新的默认路由（网关地址以实际为准）。

执行完毕后，再执行<code>route</code>，查看路由表，目前的默认路由为有线网络的网关eth2，即百兆网口排第一位：

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这样网络就默认走有线网络了，如果需要改回默认走4G网络，请重启系统即可。

'''''注意，重启后路由表还是会恢复原状，所以如果重启后要网络继续默认走有线网络，需要再执行一次<code>sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1</code>。'''''

此时网络默认走百兆网口，如果需要默认走千兆网口，则需要修改网卡的metric值，我们首先需要安装ifmetric软件：

<code>sudo apt install ifmetric</code>

安装完毕后就可以修改网卡的metric值，这里我们需要交换eth0和eth2的metric值，可执行：

<code>sudo ifmetric eth0 101</code>

<code>sudo ifmetric eth2 102</code>

执行完毕后，再执行<code>route</code>，查看路由表，目前的默认路由为有线网络的网关eth0，即千兆网口排第一位：

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这样网络就默认走千兆网口了。

'''''注意，重启后各个网卡的metric值还是会恢复原状。'''''

==== 3.3.3 AT命令操作 ====
以CAT4 4G为例，使用<code>lsusb</code>查看USB设备，红框处即为4G模组：

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记下4G模块的ID值：1286 4e3d

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 1286 4e3d > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'</code>

执行上述两条命令之后执行：

<code>ls /dev/ttyUSB*</code>

此时应该能看到dev设备下有ttyUSB0-3四个设备，因为RPi 4B-4G顶针升级版的RS485串口占用了ttyUSB0，所以ttyUSB1-3为4G模组的串口：

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安装minicom工具：

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

通过minicom打开AT命令串口：

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

（注意：使用哪个串口，应以在进入此串口后，可输入运行AT命令，显示不乱码，不乱跳结果为准）

第一次输入AT命令可能没有回显，此时如果输入命令<code>at</code>后回车，有返回OK，就说明工作正常。如果需要查看回显，请键入命令：<code>ate1</code>，然后回车，继续键入其它命令，回车可以看到结果。

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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。

==== 3.3.4 修改4G模组的IP地址 ====
如果出厂默认的4G IP地址和用户使用的IP地址有冲突，或有修改IP地址的需求，可按照下列步骤进行修改：

'''CAT4 4G模块：'''

执行AT命令：

<code>AT+ROUTEIP=<newip></code>

注意，只支持192.168.x.1这样格式的地址，如果设置了<code>AT+ROUTEIP=192.168.3.1</code>，最终获得的IP为192.168.3.100，修改完后需断电重启系统。

查询当前IP：<code>AT+ROUTEIP?</code>，返回两个值，前一个为旧IP，后一个为新IP。

测试命令：<code>AT+ROUTEIP=?</code>

'''高通 4G模块、ZTE CAT4 4G模块：'''

将4G模块的IP改为直接获取公网IP即可，请执行AT命令：

设置IP为公网：<code>AT+GTIPPASS=1</code>

设置IP为内网：<code>AT+GTIPPASS=0</code>

查询当前IP为公网还是内网：<code>AT+GTIPPASS?</code>

修改IP完毕后需要断电重启才能生效。

=== 3.4 测试RS485串口 ===
本扩展板带有一个USB转RS485串口。

测试需要安装串口软件CuteCom，安装命令为：

<code>sudo apt install cutecom</code>

安装完毕后，点击桌面左上角的树莓派图标，在“System Tools”有CuteCom的快捷方式：

http://www.mcuzone.com/wiki/0012_MPUUART_MP4232/0012_MPUUART_MP4232_01.jpg

如果在使用过程中有权限不足的问题，请打开树莓派OS终端，输入：

<code>sudo cutecom</code>

来启动CuteCom。

'''测试RS485串口与PC之间的数据收发：'''

在PC端插上一个USB转485的转换器，与扩展板上的RS485接口（ttyUSB0）相连，各自打开串口软件进行收发，结果如下：

树莓派OS端/Windows端：

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经过实测，波特率最高可达到2.06Mbps（以传输数据不发生乱码、缺失为准）。

== '''四、Ubuntu OS的使用''' ==
我们测试用的Ubuntu OS的版本为ubuntu-24.10-preinstalled-desktop-arm64+raspi.img.xz，Ubuntu OS下载地址：

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

=== 4.1 测试USB口 ===
在Ubuntu终端中执行<code>lsusb</code>，显示如下：

http://www.mcuzone.com/wiki/3010_RPi_4B-4G_Probe/3010_RPi_4B-4G_Probe_34.jpg

识别都正常

USB口只有接了外设，才会在lsusb中显示出相关设备，比如说上图的板载USB2.0接口，是因为接了无线键鼠才会显示出Bus 001 Device 007，如果不接就不会显示。

随后输入<code>lsusb -t</code>查看USB口的工作模式是否正常：

http://www.mcuzone.com/wiki/3010_RPi_4B-4G_Probe/3010_RPi_4B-4G_Probe_20.jpg

Bus 02：为USB 3.0接口，5000M；

Bus 01：为USB 2.0接口，480M。

=== 4.2 测试百兆以太网 ===
百兆以太网口接上级路由器，安装net-tools，以使用ifconfig：

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

安装完毕后执行<code>ifconfig -a</code>，显示如下：

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eth0为千兆网口；

第一个enx...为4G模组（这里所用的4G模组为CAT4 4G）；

第二个enx...为百兆网口（因为在Ubuntu24.10中，所有USB接口的网卡都以enx+MAC地址命名，所以以IP和MAC地址和4G模组区分）

wlan0为树莓派原生WiFi。

我们使用网速测试软件iperf3进行测速。

Windows版iperf3下载：

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

Linux下iperf3安装：

<code>sudo apt install iperf3</code>

使用iperf3对百兆网口进行测速：

client模式为94.6Mbps左右：

http://www.mcuzone.com/wiki/3010_RPi_4B-4G_Probe/3010_RPi_4B-4G_Probe_22.jpg

server模式为94.7Mbps左右：

http://www.mcuzone.com/wiki/3010_RPi_4B-4G_Probe/3010_RPi_4B-4G_Probe_23.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 测试4G模组 ===
启动系统后，在Ubuntu OS终端下执行<code>lsusb</code>，，显示结果如下：

'''CAT4 4G：'''

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'''高通4G：'''

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'''ZTE CAT4 4G：'''

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我们将千兆网口和百兆网口都连接到同一个上级路由器，执行<code>ifconfig -a</code>，显示结果如下：

在Ubuntu下，所有的4G型号都识别成enx+MAC。

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enx000c29a39b6d为4G模组；

enx00e0996e2226为百兆网口；

eth0为树莓派4B自带的网口；

wlan0为树莓派4B的WiFi。

以CAT4 4G为例，执行<code>route</code>，查看路由表，enx000c29a39b6d（4G）排在第一位，故此时是通过4G模块上网：

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我们ping IP和域名，均成功，说明4G模块工作正常：

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打开<nowiki/>https://test.ustc.edu.cn/<nowiki/>进行网速测试，结果如下：

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'''''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。'''''

在Ubuntu OS下，网络优先级的修改、AT命令操作、修改4G模组的IP地址均与在树莓派OS下相同，请参阅上一章的有关章节。

=== 4.4 测试RS485串口 ===
测试需要安装串口软件CuteCom，安装命令为：

<code>sudo apt install cutecom</code>

安装完毕后，点击桌面左下角的“Show Apps”图标，有CuteCom的快捷方式：

http://www.mcuzone.com/wiki/3010_RPi_4B-4G_Probe/3010_RPi_4B-4G_Probe_29.jpg

但是如果在此直接打开CuteCom，有可能会出现Input框无法输入字符的问题，这是由于权限不足造成的，所以需要打开Ubuntu终端，输入：

<code>sudo cutecom</code>

来打开CuteCom，如果需要打开第二个CuteCom，则需要再开一个Ubuntu终端，输入打开CuteCom的命令。

'''测试RS485串口与PC之间的数据收发：'''

在PC端插上一个USB转485的转换器，与扩展板上的RS485接口（ttyUSB0）相连，各自打开串口软件进行收发，结果如下：

Ubuntu OS端/Windows端：

http://www.mcuzone.com/wiki/3010_RPi_4B-4G_Probe/3010_RPi_4B-4G_Probe_30.jpg

经过实测，波特率最高可达到2.06Mbps（以传输数据不发生乱码、缺失为准）。

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