1001 RPi0 4G CAT1-ETH(RS485 OPT

Keywords

Raspberry Pi, Raspberry Pi Zero, Cat1 4G LTE, USB2.0-A, Ethernet, Expansion Board, USB HUB

Ⅰ、Introduction

The Raspberry Pi Zero series (including Zero, Zero W(H), and Zero 2W) is a highly cost-effective embedded system platform with a compact size, low power consumption, and decent performance, making it suitable for many lightweight application scenarios. The Zero series, despite its compact size, offers many expansion interfaces. The underside of the board features gold-plated test points for USB and power connections. These USB and power test points allow us to connect various types of peripherals for expansion. This expansion board is a USB hub, connecting the expansion board to the USB port of the Zero via pogo pins. It extends four USB ports through the USB connection: one USB port is converted to a 100Mbps wired Ethernet connection, one USB port is connected to a 4G Cat1 module, and two USB2.0-A host interfaces are provided.

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。

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 可支持具有相同位置USB触点的国产派，如香橙派Zero 2W；

2.9 板载PWR/MODE/ACT LED指示灯；

2.10 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、系统烧写

3.1 本文档使用基于树莓派Zero 2W的硬件，镜像为2024-07-04-raspios-bookworm-arm64.img.xz（树莓派OS，Raspberry Pi OS with desktop）。

(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

或ubuntu-24.04-preinstalled-server-arm64+raspi.img.xz（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）。

Ubuntu系统下载地址：

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

3.2 系统烧写在SD（TF）卡上，点击直达烧写方法说明。

四、树莓派系统下使用演示

4.1 查看硬件设备

4.1.1 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 008：USB2.0-A接口。

如果系统没有识别到USB HUB和4G模组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，请手动添加完整并保存文件：

# otg_mode=1

dtoverlay=dwc2,dr_mode=host

4.1.2 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转以太网，eth1为4G Cat1（上图中IP地址默认为192.168.5.8）。

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：

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

4.2.2 设置网卡优先级

如果要设置网卡的优先级，需要修改网卡的metric值，我们首先需要安装ifmetric软件：

sudo apt install ifmetric

安装完毕后就可以修改网卡的metric值，如需要将eth0的metric值修改为102，可执行：

sudo ifmetric eth0 102

修改完毕后再用route命令查看，我们可以看到eth0的metric值已修改为102：

但是这样修改仅仅是临时修改，如果系统重启的话还是会恢复到原样，如果我们需要永久修改eth0的metric值为102，则需通过编辑启动文件rc.local来达到目的。

通过下面的命令打开rc.local：

sudo nano /etc/rc.local

在exit 0上面添加你要开机执行的命令，如sudo ifmetric eth0 102，然后保存文件，这样就可以实现每次启动系统修改eth0的metric：

修改完metric值后，有可能系统的nameserver（即DNS服务器）还是原来优先级高的网卡的，因为此时默认网卡已改变，就会造成域名无法解析，所以我们还需要修改nameserver。

通过下面的命令打开resolv.conf文件：

sudo nano /etc/resolv.conf

查看此时的nameserver是否正确，如果不正确，请将其改为目前优先级高的网卡的nameserver或者一些通用的nameserver地址（如114.114.114.114等）。

4.2.3 利用udhcpc指定DNS服务器

上一节我们讲了通过修改nameserver来指定DNS服务器，其实我们也可以通过使用udhcpc来完成该任务。

首先需要安装udhcpc软件：

sudo apt install udhcpc

本节我们测试的例子中，eth0为USB转以太网，usb0为4G Cat1（即相当于前文的eth1），如果我们需要使用USB转以太网（eth0）的网络DNS，请使用下面的命令：

sudo udhcpc -i eth0

如果我们需要使用4G Cat1（usb0）的网络DNS，请使用下面的命令：

sudo udhcpc -i usb0

4.2.4 udhcpc应用场景举例

例1：百兆网口接Internet，4G Cat1正常联网。

这时我们ping某个域名，是可以成功的：

此时拔了百兆网口的网线，就无法ping成功了：

执行sudo udhcpc -i usb0，将DNS服务器切换到4G Cat1上，就可以正常ping了：

例2：百兆网口接内网（不连通Internet），4G Cat1正常联网。

这时我们ping某个域名，无法ping成功：

执行sudo udhcpc -i usb0，将DNS服务器切换到4G Cat1上，就可以正常ping了，同时还可以通过IP地址正常访问内网设备：

4.2.5 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70Mbps左右，server模式90Mbps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：

五、树莓派系统下4G Cat1模组的AT命令演示

5.1 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：

5.1.1 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。

5.1.2 用串口工具打开

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。

5.2 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SIM卡的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。

六、Ubuntu系统下使用演示

6.1 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：

dtoverlay=dwc2,dr_mode=host

6.2 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。

6.3 配置网络

系统启动后并无网络可用，需要进行后续设置后才能使用。

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

6.4 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：

6.5 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：

七、OpenWrt系统操作演示

7.1 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。

7.2 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。

7.3 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）。

7.4 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。

7.5 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。

7.6 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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