1004 RPi0 4G Cat1-GPS-ETH

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关键词

树莓派、 Raspberry Pi Zero、Cat1 4G LTE、USB2.0-A、以太网、扩展板、USB HUB 集线器、GPS、GNSS

一、简介

树莓派Zero系列（包括Zero、Zero W(H)以及Zero 2W）是一款具备极高性价比的嵌入式系统平台，尺寸小巧功耗较低性能尚可，适合很多轻量型应用场景。Zero系列虽然小巧，但预留了非常多的扩展接口，特别是板子反面引出了USB和电源的镀金测试点，我们可以借助这两组USB和电源测试点进行多种类型的外设扩展。本扩展板实际就是一个USB HUB集线器，通过顶针将扩展板和Zero的USB口连接起来，通过USB扩展四路USB口，其中一路USB转百兆有线以太网，一路USB接4G Cat1模组以及两路USB2.0-A主机接口。

4G Cat1是针对10Mbps左右的中速物联网应用的高性价比模组，10Mbps下行5Mbps上行的速率可以满足绝大多数联网和传输需求；4G全网通,支持联通,电信和移动。本扩展板所带的4G模块也支持GPS/GNSS

二、硬件资源

2.1 创新性采用镀金顶针和树莓派Zero系列进行连接，免去外接线缆；

2.2 两组镀金顶针分别用于供电和USB通讯；

2.3 扩展板具备USB-C供电接口，可通过此接口给整个系统供电，也可以用Zero上的MicroUSB口供电；

2.4 板载USB Hub，将Zero的USB扩展为四路，一路用于连接4G LTE Cat1模组，两路USB主机接口，一路USB转10/100Mbps以太网；

2.5 4G LTE Cat1模组支持4G全网通，下行可达10Mbps，上行可达5Mbps；

2.6 4G LTE Cat1模组在绝大多数系统下可即插即用免驱免拨号，通常识别为eth1网卡；

2.7 4G LTE Cat模组采用Nano尺寸SIM卡，可选SMA天线或者IPEX一代天线；

2.8 4G模块支持GPS/GNSS；

2.9 可支持具有相同位置USB触点的国产派，如香橙派Zero 2W；

2.10 板载PWR/MODE/ACT LED指示灯；

2.11 板载4G复位按键；

注意1：连接了此扩展板后Zero上的MicroUSB将不可使用。

注意2：部分系统下需要禁用OTG功能并将USB模式设置为Host模式。

注意3：支持树莓派Zero所有版本，包括Zero、Zero W、Zero WH和Zero 2W。

三、树莓派OS下使用演示

本文档使用基于树莓派Zero 2W的硬件，

树莓派OS，Raspberry Pi OS with desktop，镜像为2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz（。

(若使用树莓派Zero一代系列的板子，只支持32位系统，请注意下载版本。)

树莓派OS下载地址：

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

3.1 查看硬件设备

3.1.1 查看USB设备

打开树莓派OS的终端，输入命令lsusb，如下图所示：

可以看到系统识别到了USB HUB和4G模组。其中：

Device 002：外挂USB Hub；

Device 003：4G模组；

Device 004：USB转百兆网卡；

Device 005：USB2.0-A接口；

Device 006：USB2.0-A接口。

如果系统卡在树莓派logo处无法启动：

或者启动后键盘鼠标及4G模组都无法使用，请仔细观察顶针是否对准了镀金触点，并请在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：

需要确认下图中的三处红框的位置是否都配置成完全，如果没有，请手动添加完整并保存文件：

# otg_mode=1（建议按此注释掉）

dtoverlay=dwc2,dr_mode=host（两处必须确保加上）

3.1.2 查看网络设备

打开树莓派OS的终端，输入命令ifconfig -a，如下图所示：

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。

3.2 测试网络设备

3.2.1 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：

ping www.mcuzone.com -I eth0

ping www.mcuzone.com -I eth1

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

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：

sudo ifconfig eth0 down

以及通过执行下面的命令来开启eth0：

sudo ifconfig eth0 up

3.2.2 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：

1. 设置网卡优先级

2. 利用udhcpc指定DNS服务器

3. 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。

3.2.3 iperf3测速

Windows版iperf3下载：

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

Linux下iperf3安装：

sudo apt-get install iperf3

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

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：

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 AT命令演示

3.3.1 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lsusb，如下图所示：

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：

sudo modprobe option

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

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：

sudo apt-get install minicom

通过minicom打开AT命令串口：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB0

或

sudo minicom -D /dev/ttyUSB1

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：ate1。

注意：4G模组型号可能会变更，但流程一样，只需要用lsusb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。

3.3.2 常用AT命令

1) 检查SIM卡是否识别到：

at+cpin?

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：

at+csq

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：

at+cops?

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at+csq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：

at+cgsn

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）：

at+reset

6) 关闭射频：

at+cfun=0

开启射频：

at+cfun=1

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。

3.3.3 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。

运行minicom，打开ttyUSB1串口：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB1

并运行：

AT+CGNSPWR=1 //打开GPS

AT+CGNSAID=31,1,1,1 //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）

AT+CGNSURC=1 //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：

四、Ubuntu Server下使用演示

本文档使用基于树莓派Zero 2W的硬件，

Ubuntu系统，Ubuntu Server 24.04 LTS服务器版（树莓派Zero 2W因为性能关系不能用Desktop版）。

镜像为ubuntu-24.04-preinstalled-server-arm64+raspi.img.xz

Ubuntu系统下载地址：

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

4.1 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，需要确认下图中的红框的位置是否配置成完全，如果没有，请手动添加完整：

dtoverlay=dwc2,dr_mode=host

4.2 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。

修改完毕后就自动进入系统。

4.3 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ip addr查看并记录下网卡名称：

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：

sudo nano /etc/netplan/50-cloud-init.yaml

按照下图编辑网卡配置文件：

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：

sudo apt install net-tools

4.4 网络及4G模组测试

执行命令ifconfig -a，查看网卡信息：

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：

4.5 AT命令交互测试

安装minicom工具：

sudo apt-get install minicom

然后和树莓派OS一样，通过minicom打开AT命令串口：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB0

或

sudo minicom -D /dev/ttyUSB1

即可使用常见AT命令进行交互：

4.6 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。

运行minicom，打开ttyUSB1串口：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB1

并运行：

AT+CGNSPWR=1 //打开GPS

AT+CGNSAID=31,1,1,1 //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）

AT+CGNSURC=1 //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：

五、OpenWrt系统操作演示

5.1 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。

5.2 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：

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。

5.3 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）。

5.4 测试4G模块网速

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

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。

5.5 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：

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。

5.6 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。

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