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、树莓派系统下使用演示

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

3.1 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：

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）

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）

3.2 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。

3.3 测试网络设备

3.3.1 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

3.3.2 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：

1. 网卡优先级的设置

2. 利用udhcpc指定DNS服务器

3. udhcpc应用场景举例

3.3.3 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。

3.4 树莓派系统下4G Cat4模组的AT命令演示

3.4.1 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：

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。

3.4.2 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。

四、OpenWrt系统操作演示

4.1 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。

4.2 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：