1003 RPi0 4G Cat1-Hub

关键词

树莓派 Zero、Zero 2W、Cat1 4G LTE、USB2.0、USB Type-C、USB HUB 集线器、Nano SIM、eSIM、RPi-Connect、远程连接

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，利用USB的HOST功能通过USB HUB芯片扩展四路USB口，其中一路USB接4G Cat1模组以及三路USB2.0 Type-C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。CAT1在树莓派官方os，ubuntu系统和OpenWrt系统下均免驱，自动识别，使用便捷。

二、硬件资源

1. 本扩展板是通过4个顶针连接到树莓派zero的USB口和电源口触点进行供电和通讯。

2. 引出一路USB-C电源口，和树莓派zero自身的电源口功能一样，两者二选一使用，不可同时使用。

3. 板载一路4G CAT1模块，可选带GPS功能的4G模组，其他国家用户也可选匹配频段的其他CAT1模组。

4. 采用Nano SIM卡座（在反面），并预留eSIM芯片位置(SIM卡和eSIM芯片二选一使用)，SIM插入朝向请参考板上丝印。

5. 采用IPEX一代接口，可外接4G FPC或棒状天线，如果选择GPS版本，需配GPS无源天线，且天线需甩到窗外才能定位。

6. 板载三路USB2.0 Type-C主机接口，每个USB口的供电能力为1A（注意，树莓派zero自身的OTG功能将无法再使用，而且zero自身的micro USB口也不能再接任何USB设备，否则此扩展板将无法使用）。

7. 预留调试串口和AT主串口，3.3V电平。

8. 三个LED指示灯，其中一个是扩展板电源灯，一个是4G模块的电源灯；NET用于指示网络状态，1.8秒亮0.2秒灭表示注网成功，1.8秒灭0.2秒亮表示未注网，需要检查SIM卡和天线。

9. 板载BOOT和复位的按键位置。

10. 尺寸：66*30mm，4个M2.5的固定孔，高度为5mm，板子尺寸和树莓派zero系列板子尺寸完全兼容。

11. 可选3D打印底座，用于保护线路板。

12. 线路板采用沉金工艺，无铅生产，PCB通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0。

三、系统烧写及设置

3.1 概述

本文档使用基于树莓派Zero 2W的硬件，

1）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

2）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

（若使用树莓派Zero一代系列的板子，只支持32位系统，则没有合适的Ubuntu Server系统。)

3.2 系统烧写在SD（TF）卡上

点击直达烧写方法说明。

四、树莓派系统的使用

☆ 4.1 查看硬件设备

4.1.1 硬件连接

本扩展板具有4个USB Type-C口，其中有一个USB Type-C口在背面丝印标注为PWR，即该口为电源输入USB Type-C口，剩余3个USB Type-C口为HOST，可连接USB设备（键盘鼠标及U盘等各种外设）。4G模块上方有两个天线接口，一个是4G信号天线，一个是GPS信号天线。所有外设都免驱，即插即用。

树莓派Zero板通过4个螺丝固定在扩展板上方，请注意安装方向及扩展板的顶针是否对准Zero板相应的触点，接好HDMI线和电源，请注意，Zero自身的miro USB口不能接任何设备。

4.1.2 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：USB2.0 Type-C接口；

如果您在启动系统时，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）

4.1.3 查看4G设备

打开树莓派OS的终端，输入命令ifconfig -a，如下图所示：

可以eth0为4G Cat1（已自动连接，上图中IP地址默认为192.168.10.2），wlan0为Zero 2W自带的无线网卡。

☆ 4.2 测试4G设备

4.2.1 基于树莓派OS，系统未做任何设置的4G操作

树莓派官方OS启动，WiFi默认开启，但是未连接热点；此时，连接4G模块上网，我们可以进行ping操作：

ping通IP，正确显示如下：

ping通域名，显示如下：

此说明4G联网正常。

4.2.1.1 遇ping域名报错的解决方法

如果发生ping域名报错，如图所示：

这说明4G模块的DNS服务器设置不正确；那我们来修改DNS服务器设置：

首先我们需要连接WiFi：

点击右上角的网络标志，选取想要连接的AP：

输入密码（如果有），然后点击“Connect”：

连接成功后即可获取路由器ip，正常上网：

然后我们安装切换DNS服务器的软件udhcpc：

sudo apt install udhcpc

安装完毕后，使用下面的命令切换DNS服务器到4G模块（eth0在这里代表4G模块，依照软硬件平台不同，名称会有差异）：

sudo udhcpc -i eth0

这样就实现了4G正常上网。

使用上述通过切换DNS服务器让4G上网的方法，在重启系统后会失效；如果你希望每次系统启动，即实现DNS服务器自动切换到4G模块，可进行如下操作：

开启rc-local服务：

sudo systemctl enable --now rc-local

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，如需要开机就使用4G网络，则可以添加下列命令，然后保存文件（eth0代表4G模块，名称以实际为准）：

sleep 5 && sudo udhcpc -i eth0 && sleep 5 && sudo udhcpc -i eth0 && sleep 5 && sudo udhcpc -i eth0

sleep命令的作用是延迟多少秒执行之后的命令，因为4G模块获取IP地址需要一定的时间，所以为了防止udhcpc执行失败，需要多执行几次，并且在每一次执行命令之间加上一定的延迟。这样执行的结果，是等系统启动后，大约20秒左右可以正常使用4G网络。

4.2.2 基于系统已设置好WiFi联网的4G操作

如果你的系统卡之前是设置好WiFi的，在单独使用树莓派zero2W时，是通过WiFi提供网络；此时若装了我们的扩展板，待系统重新启动后，系统将优先通过4G网络上网，您如果想切换到WiFi上网，可以按下列步骤操作：

关闭4G网络连接：

sudo ifconfig eth0 down

使用udhcpc，将DNS服务器切换为Wifi的DNS服务器：

sudo udhcpc -i wlan0

之后如果想切换回4G网络上网，可以运行：

sudo ifconfig eth0 up

sudo ifconfig wlan0 down

sudo udhcpc -i eth0

4.2.3 通过WiFi的SSH对4G操作

如果你想利用树莓派ZERO的WiFI使能SSH，进而对树莓派进行4G操作，需要在烧写系统前设置SSH服务，操作步骤参考。

☆ 4.3 使用AT命令及GPS

4.3.1 打开串口

系统上电启动后，在树莓派终端中执行命令：

此时应该能看到dev设备下有ttyACM0-2三个设备：

打开串口工具方法有二：

1）下载minicom工具：

sudo apt-get install minicom

2）通过minicom打开AT命令串口：

sudo minicom -D /dev/ttyACM0

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。

4.3.2 操作AT命令

下面以minicom为例，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。

4.3.3 GPS测试（仅限GPS版本）

使用GPS时，需要接GPS无源天线，且确保GPS天线甩出户外。

运行minicom，打开ttyACM0串口：

sudo minicom -D /dev/ttyACM0

并运行：

AT+CGNSPWR=1 //打开GPS

AT+CGNSAID=31,1,1,1 //使能位置辅助定位(指令立马返回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，每隔5个fix，00000就上报一次

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、Ubuntu系统的使用

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

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。

修改完毕后就自动进入系统。

5.3 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（enx2089846a96ab）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

执行ifconfig -a，可以看见4G模块已经正确获得了IP地址：

5.4 测试AT命令

执行命令：

ls /dev

此时应该能看到dev设备下有ttyACM0-2三个设备：

下载安装minicom工具：

sudo apt-get install minicom

通过minicom打开AT命令串口：

sudo minicom -D /dev/ttyACM0

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。

下面以minicom为例，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。

六、(应用)Raspberry Pi Connect远程连接树莓派

RPi-Connect提供了从任何地方安全接入到树莓派的服务。基于此服务，搭配Zero_Cat1_4G Cat1-Hu版即可实现在户外没有无线网络的情况下，依旧可以远程访问树莓派操作。注意：要使用此服务必须运行Bookworm及以上系统。同时，只有树莓派5，4或400可以使用屏幕分享。Zero2W只能使用Remote shell。接下来演示如何配置远程连接服务。