1008 RPi0 to 4B(CAT4 RS485)

关键词

树莓派、 Raspberry Pi Zero、Cat4 4G 、4B、USB2.0-A、以太网、扩展板、USB HUB 集线器、RS485、串口、顶针连接

一、简介

树莓派Zero 2W作为第一代Zero的垂直替换产品，不仅保持了接口类型和接口位置不变，而且大幅升级了CPU，使得总体性能有了2-10倍的提升。而目前3B/3B+/4B缺货比较严重，价格也比较高，所以我们设计了这款Zero 2W转4B形态的扩展板，目的是为了提供4B缺货的替代方案（当然性能和4B还是差很多，另有3B形态的扩展板可选），同时也是作为Zero 2W的功能扩展。

Zero 2W转4B形态扩展板具备四路USB2.0主机接口，一路USB2.0转干兆以太网（可以跑到300Mbps)。同时还扩展了4G LTE Cat4模组和带隔离的RS485。整个系统采用USB-C供电，扩展板通过镀金顶针和Zero 2W连接，提供电源供应和USB2.0扩展，不占用Zero 2W的40pin扩展接口。

带隔离模块的RS485速度可达737Kbps。

二、硬件资源

1. 顶针通讯与供电：

pogopin顶针连接，供电和通讯，简洁可靠；不占用树莓派的GPIO引脚；

板载USB Type-C供电接口，可通过此Type-C供电，树莓派Zero无需再供电；

2. CAT4 4G：

4G LTE免驱

3. 千兆以太网

高速以太网实测可达300Mbps；

4. RS485：

采用USB转串口再加外挂带隔离的RS485模块的方案；

自动流控型高速RS485隔离模块，2500V隔离耐压保护；

波特率稳定可靠支持500Kbps，实测高达737000bps传输速率，128个节点；

可作为从机介入RS485总线，也可作为主机，接收处理各从机信息。

三、树莓派系统下使用演示

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模组等外设。其中：

Device 002：外挂USB Hub；

Device 003：USB转RS485；

Device 004：外挂USB Hub；

Device 005：USB转千兆网卡；

Device 006：USB2.0-A接口；

Device 007：USB2.0-A接口；

Device 008：4G模组；

Device 009：USB2.0-A接口；

Device 011：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USB转千兆以太网，eth1为Cat4 4G，wlan0为Zero 2W的无线网卡。

为了操作方便，建议使用PC端的SSH软件连接系统并进行终端操作，我们使用与树莓派的无线网卡的IP地址在同一网段内的PC，通过MobaXterm进行连接：

连接后，大部分操作都可以通过PC端的MobaXterm进行，使得整套硬件系统可以脱离显示器运作。以下测试操作将通过MobaXterm在PC端进行演示。

3.2 测试网络设备

3.2.1 ping包测试

测试的时候有优先级，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，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

ping www.mcuzone.com -I wlan0

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

千兆以太网测速结果，client模式282Mbps左右：

server模式270Mbps左右：

注意：USB转千兆有线受Zero 2W性能和USB Hub以及Cat4 4G带宽占用影响并不能跑满，请知悉。

3.2.4 4G网络测速

因为Zero 2W性能限制，在其上运行Chromium等浏览器进行网页测速时，系统运行会非常慢，因此我们使用轻量浏览器surf进行测速。

安装轻量浏览器surf：

sudo apt install surf

然后关闭WiFi，拔掉网线，只剩下4G网络连接，进入https://test.ustc.edu.cn/进行测速。在树莓派终端中运行

surf https://test.ustc.edu.cn

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：

打开ttyUSB串口：

输入命令lsusb，如下图所示：

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：

sudo modprobe option

sudo sh -c 'echo 1286 4e3d > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'

执行上述两条命令之后执行：

ls /dev

此时应该能看到dev设备下有ttyUSB0-3四个设备：

3.3.2 执行AT命令

通过minicom打开AT命令串口：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB2

（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）

也可以安装CuteCom：

sudo apt install cutecom

下面以CuteCom为例，打开CuteCom：

sudo cutecom

如果需要查看回显，请键入命令：ate1，然后回车，继续键入其它命令，回车可以看到结果。

用AT+CPIN？来检查SIM是否正常插入并识别；

用AT+CSQ来检查信号强度，第一个值是0-31，需要25以上才算信号质量良好；

用AT+COPS?来检查注网情况，双引号内是运营商代码，最后一个数字是网络模式，7代表4G。

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。

3.4 RS485串口测试

本扩展板的485串口的串口号为ttyUSB0，本节测试树莓派OS端使用的串口软件为CuteCom。在PC端插上一个USB转485的转换器，与扩展板上的485接口相连，各自打开串口软件进行收发，结果如下：

树莓派OS端/Windows端：

实测最高波特率可达737kbps（以传输数据不发生乱码为准）。

四、Ubuntu Sever系统下使用演示

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

建议使用树莓派镜像烧录器烧录系统，并在烧写前在烧录器设置中设置好一些预设置参数：

在弹出的窗口中，GENERAL页面中，可以主机名、用户名和密码、默认连接的WiFi、区域：

在SERVICES页面中，请设置开启SSH服务：

这样烧录完毕的系统，启动后就是预先设置的用户名和密码，并且能使用预设置的WiFi（需在该WiFi热点覆盖范围内）和SSH功能。

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

如果在烧录系统时配置了用户名和密码，就可以直接用所配置的用户名的密码登录系统。

如果在烧录系统时没有配置用户名和密码，则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。因为网络接口被关闭，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：

网卡2（enx000c29a39b6d）为Cat4 4G，网卡3（enx00e04c68002b）为USB转千兆网卡，网卡4（wlan0）为已经正确获取了IP地址的无线网卡（因为在烧写系统时已经配置了无线热点信息），此时就可以使用SSH软件，通过无线网卡连接到Ubuntu系统。

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ifconfig命令：

sudo apt install net-tools

安装完毕后就可以使用ifconfig -a查看网络状态了：

可见此时Cat4 4G和USB转千兆网卡也已经正确获取了IP地址。

4.4 网络及4G模组测试

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：

ping www.mcuzone.com -I enx000c29a39b6d

ping www.mcuzone.com -I enx00e04c68002b

结果如下：

4.5 AT命令交互测试

和在树莓派OS下的操作方法相同，Ubuntu系统下同样需要先开启串口：

sudo modprobe option

sudo sh -c 'echo 1286 4e3d > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'

然后安装minicom，安装完毕后通过minicom打开串口，即可使用AT命令：

sudo minicom -D /dev/ttyUSB2

4.6 RS485串口测试

本扩展板的485串口的串口号为ttyUSB0，本节测试Ubuntu系统端使用的串口软件为minicom。在PC端插上一个USB转485的转换器，与扩展板上的485接口相连，各自打开串口软件进行收发，Ubuntu系统端运行：

sudo minicom -b 576000 -D /dev/ttyUSB0

注意，minicom只能选择特定的波特率，列举如下：

300、1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200、230400、460800、500000、576000、921600、1000000、1152000、1500000、2000000、2500000、3000000、3500000、4000000。

这里选用576000。

结果如下：

Ubuntu系统端/Windows端：

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Cat4 4G可作为WAN口（直接4G上网），USB转千兆网口配置为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USB转千兆网口连接网线至PC网口，待PC的网卡与USB转千兆网口连接成功后，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USB转千兆网口和PC的网口直连，等PC的网卡获取了IP地址后，登录OpenWrt系统后台，进入“网络 - 接口”，可以看到此时WAN（eth1，即为Cat4 4G）已经正确获取了IP，可以连接Internet：

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：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。

5.5 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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