1006 RPi0 4G MiniPCIe（MiniPCIe扩展4G模组）
关键词
树莓派、 Raspberry Pi Zero、Cat1 4G LTE、USB2.0-A、以太网、扩展板、SSH
一、简介
Zero系列小巧且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连接MiniPCIe 4G Cat4模组，以及两路USB2.0-A主机接口。
4G LTE模组是针对中速物联网应用的高性价比模组，可以满足绝大多数联网和传输需求；4G LTE模组支持4G全网通，支持多个型号。
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（供电二选一使用）；
2.4 板载USB Hub，将Zero的USB扩展为四路，一路用于连接MiniPCIe 4G Cat4模组，两路USB主机接口，一路USB转10/100Mbps以太网；
2.5 4G LTE模组支持4G全网通，支持多个型号；
2.6 4G LTE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；
2.11 可选配铝合金外壳。
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、系统烧写及设置
3.1 概述
本文档采用树莓派OS和OpenWrt系统进行测试。
树莓派OS的版本为2024-07-04-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
（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。)
OpenWrt系统的版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2709-rpi-2-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.98-20240723.img.gz
3.2 从TF卡启动
3.2.1 使用树莓派镜像烧录器烧写
首先在Windows端安装树莓派镜像烧录器，下载地址：https://www.raspberrypi.com/software/
安装完毕后将TF卡插入读卡器，读卡器插入PC的USB口，然后打开软件：
Raspberry Pi Device：选择Raspberry Pi Zero 2 W；
请选择需要写入的操作系统：选择Raspberry Pi OS(64-bit)，为从树莓派官网下载系统镜像烧写（需联网）；选择Use Custom，则需要自行选择硬盘上已经下载的系统镜像（无需联网）；
储存卡：选择所需烧入的TF卡（即插在PC的USB接口的卡）；
选择完毕后按“NEXT”，建议点击“编辑设置”，将一些参数预设置进烧写软件（比如系统用户名和密码，WiFi连接参数、是否要开启SSH服务等），之后在系统启动时就不必再次设置，便于使用。
注意：建议把SSH选上，后面要用：
需要使用预设置的按“是”，不需要使用预设置的按“不”，进入下一页，点击“是”，就开始烧写及验证完整性，烧写完毕后按提示取下卡即可。
3.2.2 使用balenaEtcher烧写
首先在Windows端安装balenaEtcher，下载地址：https://etcher.balena.io/#download-etcher
将TF卡插入读卡器，读卡器插入PC的USB口，然后打开软件：
从文件烧录：选择预先下载的树莓派OS或者其它操作系统镜像；
选择目标磁盘：选择所需烧入的TF卡（即插在PC的USB接口的卡）；
然后点击“现在烧录！”，就开始烧录了，等待烧录完毕即可。
3.2.3 启动系统
将TF卡从读卡器中取下，塞进Zero核心板的TF卡卡槽，上电后即可进入系统。
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：
Device 002：外挂USB Hub；
Device 003：USB转百兆网卡；
Device 004：USB2.0-A接口；
Device 005：4G模组；
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）
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，usb0为4G Cat4模组（上图中IP地址为10.17.34.16），wlan0为无线网卡（已连接，IP地址为192.168.8.71）
4.2 通过SSH连接系统
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。
4.3 测试网络设备
4.3.1 ping包测试
测试的时候有优先级，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。
现在系统已连接WiFi和4G，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 wlan0
ping www.mcuzone.com -I usb0
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usb0，可执行下面的命令：
sudo ifconfig usb0 down
以及通过执行下面的命令来开启usb0：
sudo ifconfig usb0 up
4.3.2 网卡优先级相关设置
有关网卡优先级的相关设置，请参阅以下链接：
4.3.3 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92.3Mbps左右：
server模式94.8Mbps左右：
注意：USB转百兆有线受Zero 2W性能和USB Hub以及4G Cat4模组带宽占用影响并不能跑满，请知悉。
4.4 树莓派系统下4G Cat4模组的AT命令演示
4.4.1 打开AT命令串口方法
在树莓派系统下对4G进行AT命令操作，需要打开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：05c6 90b6
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 05c6 90b6 > /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，输入ls /dev可以查看：
然后用串口工具打开特定串口：
安装minicom工具：
sudo apt-get install minicom
通过minicom打开AT命令串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB0
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：
4.4.2 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。
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
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：
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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：
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5.3 设置高通4G LTE模组
登录OpenWrt系统后，点击“Network - Interface”，然后点击“ADD NEW INTERFACE...”:
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按照下图进行设置，Name of the new interface为WAN，Protocol of the new interface选择DHCP client，Cover the following interface选择usb0，然后点击“SUBMIT”按钮：
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在Firewall Setting中选择WAN口后点击“SAVE & APPLY”按钮：
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回到“Network - Interface”，稍等片刻，就可以看见新建的WAN接口获取了IP地址，这样PC就可以通过4G LTE模组上网了：
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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：
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5.4 设置国产4G CAT4模组
登录OpenWrt系统后，点击“Network - Interface”，然后点击“ADD NEW INTERFACE...”:
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按照下图进行设置，Name of the new interface为WAN，Protocol of the new interface选择DHCP client，Cover the following interface选择usb0，然后点击“SUBMIT”按钮：
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在Firewall Setting中选择WAN口后点击“SAVE & APPLY”按钮：
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回到“Network - Interface”，稍等片刻，就可以看见新建的WAN接口获取了IP地址，这样PC就可以通过4G LTE模组上网了：
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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：
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