0020 MPU4G(PCIe to USB 4G LTE
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关键词
树莓派5、Raspberry Pi、4G LTE、PCIe、mini PCIe、AT命令
一、简介
MPU4G是一款专为树莓派5设计的4G扩展板。通过PCIe接口先扩展出四路USB2.0接口，然后再将其中一路USB2.0信号连接至miniPCIE接口的4G模组，另3路USB2.0接口以1.25mm 4Pin接口形态引出，借助这3个接口可进一步扩展1-3路CM4尺寸的4G模组，扩展2路以上4G模组时请注意供电。也可以用于扩展我司温湿度模块或GPS模块，扩展板配套的4G模块均免驱免拨号，在树莓派官方OS/Ubuntu下，自动识别，即插即用，无需额外装驱动，其目标应用：4G接入、多4G载波聚合、远程无人值守。
MiniPCIe 4G型号如下：国产方案CAT4 4G和ZTE CAT4 4G，移远EC20语音GPS简版（有打电话发短信功能），高通4G，高通4G-GPS版本；还有国外版本，比如高通4G欧洲版（NL668-EU），澳洲版（NL668-EAU）和北美版（NL668-AM）等。
二、硬件资源
1. 一路PCIE接口，0.5mm 16P，用于连接树莓派5自身PCIe接口；PCIe扩4路USB口；
2. 一路MiniPCie 4G LTE接口；
3. 一路Nano SIM卡座，且预留eSIM芯片位置（封装为5*6mm），单卡单待；
4. 三路USB2.0接口，1.25mm-4P，可用于扩1-3路4G；
5. 两盏LED灯，其中一盏为电源指示灯，一盏为4G状态灯；
6. 预留2个4G SMA天线接口；
7. 板载采用高效进口DC-DC芯片；
8. 尺寸：85*56mm，和树莓派5尺寸及定位孔完全吻合；板子采用凹槽设计，不影响树莓派5的GPIO；
9. 可选铝合金外壳。
| CAT4 | 高通4G/GPS | ZTE CAT4 | EC20-GPS简版 | |
|---|---|---|---|---|
| BAND | LTE FDD：B1/3/5/8
LTE TDD：B34/38/39/40/41 |
LTE FDD：B1/3/5/8
LTE TDD：B34/38/39/40/41 WCDMA：B1/8 TDSCDMA:B34/39 EVDO/CDMA1X:BC0 GSM/GPRS/EDGE:900/1800MHz(OPT) |
LTE FDD：B1/3/5/8
LTE TDD：B34/38/39/40/41 |
LTE FDD：B1/3/5/8
LTE TDD：B34/38/39/40/41 WCDMA:B1/8 TDSCDMA:B34/39 CDMA:BC0 GSM:900/1800MHz |
三、树莓派OS的操作
本文档采用树莓派OS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
不同的4G型号，识别的设备型号不一样，一般为eth1或usb0设备。
3.1 高通4G模组
在树莓派终端中执行ifconfig -a，我们可以看到4G模块（usb0）已经正确获得了IP地址：
正常状态下，扩展板上的”4G“LED灯，状态为慢闪，中间有短暂快闪。
3.2 CAT4 4G模组
系统启动后，在树莓派终端中执行ifconfig -a，我们可以看到4G模块（eth1）已经正确获得了IP地址：
正常状态下，扩展板上的”4G“LED灯，状态为慢闪（亮的时间比灭的时间长）。
3.3 ZTE CAT4 4G模组
系统启动后，在树莓派终端中执行ifconfig -a，我们可以看到4G模块（eth1）已经正确获得了IP地址：
正常状态下，扩展板上的”4G“LED灯，状态为快闪。
3.4 EC20-GPS语音简版
系统启动后，在树莓派终端中执行ifconfig -a，我们可以看到4G模块（usb0）已经正确获得了IP地址：
正常状态下，扩展板上的”4G“LED灯，状态为慢闪。
3.5 联网测试
4G模组正确获得ip地址后，我们可以ping外网地址，如：
ping www.mcuzone.com
也可以通过4G模块连接外网，访问测速网站测速，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。
3.6 远程控制（4G的应用）
如果您要利用4G对树莓派5进行远程访问操作，树莓派官方OS（Bookworm版本）自带一个Raspberry Pi Connect的应用例子可供参考使用。树莓派搭配4G，再通过树莓派官方远程控制软件Raspberry Pi Connect，您可以从世界任何地方安全地访问您的 Raspberry Pi。此处我们来演示如何配置远程连接服务。
配置及使用方法如下：
1. 在https://id.raspberrypi.com/上，申请一个Raspberry Pi ID。
2. 在树莓派OS中，安装Raspberry Pi Connect软件：
sudo apt install rpi-connect
3. Pi connect软件安装完后，重启系统，在图形界面中，依次选择如下图项目后，确保Raspberry Pi Connect已打开：
4. 在右上角会有一个Raspberry Pi Connect图标：
5. 点击这个图标，选择Sign in，在跳出的网页中使用之前申请的Raspberry Pi ID登录，然后设置该设备名称：
6. 登录成功后，在Windows的浏览器中访问：https://connect.raspberrypi.com/，并登录：
7. 点击Connect via，可以选择使用远程桌面（Screen sharing）还是远程命令行界面（Remote shell）：
8. 远程桌面如下：
远程命令行界面如下：
9. 实测流量使用情况：在远程桌面下，树莓派端大约1分钟耗费2MB左右流量；在远程命令行界面下，树莓派端大约1分钟耗费100KB左右流量。
四、Ubuntu OS的操作
我们测试的Ubuntu OS的版本为：
ubuntu-24.04-preinstalled-desktop-arm64+raspi.img.xz（Desktop版，图形化版本）
ubuntu-24.04-preinstalled-server-arm64+raspi.img.xz（Server版，命令行版本）
Ubuntu OS下载地址：
https://ubuntu.com/download/raspberry-pi
4.1 Ubuntu Desktop系统
Ubuntu Desktop系统（图形化版本），终端执行ifconfig -a时，所有的4G模块均识别为enx开头的网卡，可直接使用，免驱免配置。
4.2 Ubuntu Server系统
当Ubuntu Server系统（命令行版本）在树莓派5上使用时，默认只开启一路网络，而且关闭wifi功能，所以若要用4G或wifi，则需要开启第二路，第三路网络，且需要手动添加网卡才能使用；在此，我们将演示Ubuntu Sever下将wifi开启，且使用4G的操作步骤：
4.2.1 系统烧写，设置SSH
烧写系统时建议在树莓派烧录器里面把WiFi和SSH设置都预设置好：
将TF卡插入树莓派，启动系统。登录用户名和密码为之前预设置的；如果未设置，则均为ubuntu，且登录成功后会要求修改密码：
修改完毕后就自动进入系统。
4.2.2 配置系统网络
此处操作以CAT 4G为例。
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eth0树莓派5自带千兆网口，enx000c29a39b6d为4G模组，wlan0为树莓派自身的无线网卡（本系统烧写时已经预配置了无线热点信息，因此启动后即可使用无线网卡）。
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
安装完毕net-tools工具，即可使用ifconfig -a查看网络状态：
可见此时有线网卡和4G模组均已获取了ip地址。
我们通过某一网卡ping外网服务器，即可验证该网卡工作是否正常，如我们通过4G模组ping外网IP和网址，结果如下：
ping 220.189.255.38 -I enx000c29a39b6d
ping www.mcuzone.com -I enx000c29a39b6d
五、AT命令操作
5.1 操作AT命令
此处操作以高通4G模组为例。在树莓派终端中执行命令lsusb，如下图所示：
本模块的id为05c6 90b6，记录下这个值。（每一类模组的ID号不同，以实际查看为准）
使用下列命令打开ttyUSB串口，其中echo后面的值就是之前记录的ID值：
sudo modprobe option
sudo sh -c 'echo 05c6 90b6 > /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ttyUSB0-2三个设备：
安装串口软件minicom：
sudo apt install minicom
然后通过minicom打开AT命令串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB0
（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）
第一次输入AT命令可能没有回显，此时如果输入命令at后回车，有返回OK，就说明工作正常。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。
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。
7）APN设置
普通手机的SIM卡是不需要任何设置，即可直接使用，有些物联网卡需要设置APN才能正常使用，APN的参数一般由运营商提供，以下仅供参考。
移动卡：
AT+CPNETAPN=0,"cmnet","",""
电信卡：
AT+CPNETAPN=0,"ctnet","",""
如果你需要其它AT命令的操作方法，请自行查看4G模组配套的AT命令手册（各个厂家的模块的操作命令不尽相同）。
5.3 修改IP地址方法
如果出厂的4G IP地址和用户使用的IP地址有冲突，或有修改IP地址的需求，可按照下列步骤进行修改：
1. CAT4 4G：
执行AT命令：
AT+ROUTEIP=<newip>
注意，只支持192.168.x.1这样格式的地址，如果设置了AT+ROUTEIP=192.168.3.1，最终获得的IP为192.168.3.100，修改完后需断电重启系统。
查询当前IP：AT+ROUTEIP?，返回两个值，前一个为旧IP，后一个为新IP。
测试命令：AT+ROUTEIP=?
2. 高通 4G模块、ZTE CAT4模块：
将4G模块的IP改为直接获取公网IP即可，请执行AT命令：
设置IP为公网：AT+GTIPPASS=1
设置IP为内网：AT+GTIPPASS=0
查询当前IP为公网还是内网：AT+GTIPPASS?
修改IP完毕后需要断电重启才能生效。
3. EC20的IP地址不清楚如何修改，如有需要，需要用户自行研究。
5.4 GPS的使用
5.4.1 高通4G-GPS
若要使用高通4G的GPS功能，需要接GPS无源天线，且确保GPS天线甩出户外。GPS是通过AT命令操作。
按照章节5.1步骤，开启ttyUSB串口。
运行minicom，打开ttyUSB0串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB0
并运行：
at+gtgpsepo=1 //开启AGPS
at+gtgpspower=1 //打开GPS
稍等片刻待定位成功，运行：
at+gtgps? //查看NMEA信息
就可以看到GPS信息输出：
5.4.2 EC20-GPS语音简版
5.4.2.1 GPS的操作
使用EC20的GPS，需要接GPS有源天线，且确保GPS天线甩出户外，GPS是通过AT命令操作。
开启ttyUSB串口。然后运行minicom，打开ttyUSB3串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB3
并运行：
AT+QGPS=1
运行minicom，打开ttyUSB1串口，即可获取GPS信息：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB1
如果觉得minicom下看原始的GPS信息不太直观，那么我们可以安装gpsd来提取GPS信息：
sudo apt-get install gpsd gpsd-clients
然后配置gpsd软件：
sudo gpsd /dev/ttyUSB1 -N -D 9 -F /var/run/gpsd.sock -S 3333
注：3333为监听端口，可自行定义。
不要关掉配置终端窗口，另外开一个终端窗口，运行：
cgps -s localhost:3333
从输出的界面可以看到时间、经纬度、速度、高度等信息：
5.4.2.2 发短信操作
发短信是使用AT命令操作，这里介绍使用英文字符发送短信的流程。
按照章节5.1步骤，开启ttyUSB串口，然后运行sudo minicom -s，选择“Serial port setup”：
按A和F ，修改串口号和流控如下图所示：
修改完毕后按回车返回上一层菜单，选择“Exit”退出：
依次执行下列AT命令：
AT+CMGF=1 //将短信字符设置为英文
AT+CMGS="13xxxxxxxxx" //设置接收短信的号码
回车后在>后面输入短信内容，然后按Ctrl+Z发送，发送成功会显示“+CMGS 14”：
5.5 关于网络策略的一些知识
若您需要了解一些网络策略知识，可以参考如下链接：
六、OpenWrt的操作
我们测试用的OpenWrt系统版本为：openwrt-bcm27xx-bcm2712-rpi-5-squashfs-sysupgrade-linux-6.1.100-20240805.img.gz
以高通4G模组为例，OpenWrt系统下可配置为一进一出的交换机模式，即4G可作为WAN口，树莓派5自身的网口配置为LAN口，用于连接PC。
6.1 登录操作界面
将树莓派5连接至PC网口，启动系统，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。
登录后进入“系统 - TTYD终端”，使用用户名root、密码password进行登录：
输入ifconfig -a，可以看到有标识为usb0的网卡，即为高通4G模组：
若是国产CAT4或ZTE CAT4，系统识别成eth1，若是EC20也是识别成usb0，到时设置接口时，把usb0改成eth1即可。
6.2 设置4G模组为WAN口
进入OpenWrt系统后，然后进入“网络 - 接口”，点击“添加新接口”：
新接口的设置如下图，其中”usb0“即为4G模块：
然后点击”提交“。
在”防火墙设置“中，区域选择”wan“，然后点击”保存&应用“：
稍等片刻，我们在”网络 - 接口“中就能看到WAN口已经通过4G模块获得了IP：
此时我们在“系统 - TTYD终端”中，执行ifconfig -a，就能看到usb0已成功获取IP地址，ping公网地址也能成功，说明此时可以通过4G模块上网：
同时我们可以在与树莓派相连的PC的网卡连接中，看到以太网的连接状态是“Internet”，表示此时PC也可以通过这个4G模组上网：
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。
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