3010 RPi 4B-4G Probe
关键词
树莓派4B、CAT4 4G、高通4G、ZTE CAT4 4G、免驱免拨号、自动识别、顶针通讯、RS485
一、简介
RPi 4B-4G顶针升级版是基于树莓派4B的一路USB2.0口，利用USB HUB芯片一扩四，扩展一路USB接4G LTE，一路USB转百兆以太网，一路USB2.0-A和一路USB转串口（可选RS485或TTL串口）。使树莓派4B实现两路以太网和4G LTE搭配RS485设备，且板载eSIM芯片位置，避免nano SIM卡的插拔和晃动导致的不稳定性，可满足各种工业场景的应用。
4G顶针升级版是通过顶针和树莓派4B通讯和供电，省却USB线，节约了空间，同时树莓派4B自身USB2.0座的上面一个USB2.0口将不能外接任何USB设备，否则扩展板将无法使用。
扩展板配套4G模组可选配GPS功能，4G模组在树莓派官方OS，Ubuntu OS下均免驱，免拨号，自动识别，即插即用，使研发更便捷。
二、硬件资源
1. 两路顶针和树莓派4B供电和通讯；
2. 一路百兆以太网；
2. 一路miniPCIe 4G接口，不适用移远4G；
3. 一路Nano SIM卡座，同时预留eSIM芯片（封装为5*6mm），二选一使用；
4. 一路USB2.0-A Host口；
5. 一路USB转串口，可选TTL串口或RS485串口；
6. 选配的RS485功能，其隔离RS485收发，低电磁辐射/高抗电磁干扰性；自动收发数据功能，可连接节点高达64个，电磁辐射EMI极低;工作温度范围:-40℃~+80℃；集成电器隔离，信号隔离和总线ESD保护功能；
7. 尺寸：70*110mm；
8. 可选配铝合金外壳，外壳尺寸：80*113*38mm;
9. PCB板沉金工艺，无铅生产，板材通过UL和ROHS认证，防火等级94V-0。
| CAT4 | 高通4G/GPS | ZTE CAT4 | |
|---|---|---|---|
| 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 |
三、树莓派OS的使用
我们测试用的树莓派OS的版本为2024-11-19-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
3.1 测试USB口
扩展板的USB口接无线键鼠，板载CAT4 4G，系统启动后，在树莓派终端中执行lsusb，显示如下：
USB都识别都正常；007为无线键鼠设备；若USB口无外接设备，则lsusb只看到Hub，看不到USB设备。
随后输入lsusb -t查看USB口的工作模式是否正常：
Bus 02：为树莓派4B自身的USB 3.0接口，5000M；
Bus 01 Port 1：为树莓派4B自身的USB 2.0接口，480M；
Bus 01 Port 3：为扩展板USB 2.0接口，480M。
3.2 测试以太网
将扩展板上的百兆以太网接到上级路由器，树莓派系统执行ifconfig -a，显示如下：
我们使用网速测试软件iperf3进行测速。
Windows版iperf3下载：
http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000634
Linux下iperf3安装：
sudo apt install iperf3
使用iperf3对百兆以太网口进行测速，在树莓派终端执行（192.168.8.49为另一台PC的地址）：
iperf3 -c 192.168.8.49
client模式为94.7Mbps左右：
在另一台PC（192.168.8.49）的CMD中执行（192.168.8.141为树莓派系统的地址）：
iperf3 -c 192.168.8.141
server模式为94.8Mbps左右：
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。
3.3 测试4G模组
我司配套的4G模块均具有免驱免拨号、系统自动识别、即插即用。具体型号有CAT4 4G、高通4G，和ZTE CAT4 4G，其中CAT4 4G和ZTE CAT4 4G，系统均自动识别成eth设备，高通4G自动识别成usb0设备。
3.3.1 4G网络测试
启动系统，在树莓派系统终端下执行lsusb，显示结果如下：
CAT4 4G：
高通4G：
ZTE CAT4 4G：
我们将树莓派4B自身网口和扩展板的百兆网口都连接上级路由器，执行ifconfig -a，显示结果如下：
CAT4 4G：
高通4G：
ZTE CAT4 4G：
以CAT4 4G为例，执行route，查看路由表，eth1排在第一位，因此此时是通过4G模块上网：
我们ping IP和域名，均成功，说明4G模块工作正常：
如果ping IP能通，但ping域名不通，如下图所示：
需要查看下系统的nameserver（即DNS服务器）是否正确。通过下面的命令打开resolv.conf文件：
sudo nano /etc/resolv.conf
如上图的nameserver是192.168.8.1，这是内网路由器的网关，此时如果使用4G去连外网，通过这个nameserver地址去连外网，就会发生ping IP能通，但ping域名不通的问题，因此请将其改为4G模组的nameserver（通常是其网关地址，按照4G模组的型号不同而不同），或者一些通用的nameserver地址（如114.114.114.114、8.8.8.8等），保存后即能ping通域名。
不过，这种修改方式在系统重启后，resolv.conf文件内的nameserver会被修改到默认地址，所以如果需要重启后仍然是正确的nameserver地址，还需要修改resolv.conf文件的权限，因为/etc/resolv.conf实际上是个软链接，所以需要重新生成resolv.conf文件才能修改权限，方法如下：
sudo mv /etc/resolv.conf /etc/resolv.conf.link
sudo nano /etc/resolv.conf
这样就重新建立了resolv.conf文件，在这个新建的文件中输入：
nameserver 114.114.114.114
保存退出，然后执行：
sudo chattr +i /etc/resolv.conf
做完上述步骤后，重启系统，resolv.conf文件的内容也不会变化了。
网络配置成功后，打开https://test.ustc.edu.cn/进行网速测试，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。
3.3.2 网络优先级的修改
上一节基于CAT4 4G，我们查看了路由表，默认优先通过4G模块上网；不同的4G，上网顺序可能不一样，以实际为准。
如果你不想用4G模块上网，要优先使用有线网络上网的话，可以运行命令：
sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1
这两条命令（以“&&”分隔）的解释：
sudo ip route del default：删除路由表中的默认路由；
sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1：添加有线网络的网关为新的默认路由（网关地址以实际为准）。
执行完毕后，再执行route，查看路由表，目前的默认路由为有线网络的网关eth2，即百兆网口排第一位：
这样网络就默认走有线网络了，如果需要改回默认走4G网络，请重启系统即可。
注意，重启后路由表还是会恢复原状，所以如果重启后要网络继续默认走有线网络，需要再执行一次sudo ip route del default && sudo route add -net default netmask 0.0.0.0 gw 192.168.8.1。
此时网络默认走百兆网口，如果需要默认走千兆网口，则需要修改网卡的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，这里我们需要交换eth0和eth2的metric值，可执行：
sudo ifmetric eth0 101
sudo ifmetric eth2 102
执行完毕后，再执行route，查看路由表，目前的默认路由为有线网络的网关eth0，即千兆网口排第一位：
这样网络就默认走千兆网口了。
注意，重启后各个网卡的metric值还是会恢复原状。
3.3.3 AT命令操作
以CAT4 4G为例，使用lsusb查看USB设备，红框处即为4G模组：
记下4G模块的ID值：1286 4e3d
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 1286 4e3d > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'
执行上述两条命令之后执行：
ls /dev/ttyUSB*
此时应该能看到dev设备下有ttyUSB0-3四个设备，因为RPi 4B-4G顶针升级版的RS485串口占用了ttyUSB0，所以ttyUSB1-3为4G模组的串口：
安装minicom工具：
sudo apt-get install minicom
通过minicom打开AT命令串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB1
（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。
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SIM卡，不需要任何设置，直接使用；有些物联网卡需要设置APN才能使用，以下是用户使用提供的参考，具体的APN代码需要SIM卡运营商提供。
移动卡：
AT+CPNETAPN=0,"cmnet","",""
电信卡：
AT+CPNETAPN=0,"ctnet","",""
3.3.4 修改4G模组的IP地址
如果出厂默认的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：
CAT4 4G模块：
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=?
高通 4G模块、ZTE CAT4 4G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。
3.4 测试RS485串口
若您选配RS485接口，连接方式如下：
使用需要安装串口软件CuteCom，安装命令为：
sudo apt install cutecom
安装完毕后，点击桌面左上角的树莓派图标，在“System Tools”有CuteCom的快捷方式：
如果在使用过程中有权限不足的问题，请打开树莓派OS终端，输入：
sudo cutecom
来启动CuteCom。
测试RS485串口与PC之间的数据收发：
在PC端插上一个USB转485的转换器，与扩展板上的RS485接口相连，各自打开串口软件进行收发，串口软件会自动将RS485识别成ttyUSB0，结果如下（树莓派OS端/Windows端）：
经过实测，波特率最高可达到2.06Mbps（以传输数据不发生乱码、缺失为准）。
四、Ubuntu OS的使用
我们测试用的Ubuntu OS的版本为ubuntu-24.10-preinstalled-desktop-arm64+raspi.img.xz，Ubuntu OS下载地址：
https://ubuntu.com/download/raspberry-pi
4.1 测试USB口
扩展板的USB口接无线键鼠，板载RS485和高通4G，在Ubuntu终端中执行lsusb，显示如下：
USB识别都正常，其中007为无线键鼠设备。若扩展板的USB口不接设备，那lsusb里只显示Hub，不会出现USB设备。
随后输入lsusb -t查看USB口的工作模式是否正常：
Bus 002：为树莓派4B的USB 3.0接口，5000M；
Bus 001：为树莓派4B的USB 2.0接口，480M，其下面的Port 003为扩展板的USB2.0设备。
4.2 测试以太网
扩展板装CAT4 4G，百兆以太网接上级路由器，安装net-tools：
sudo apt install net-tools
安装完毕后执行ifconfig -a，显示如下：
我们使用网速测试软件iperf3进行测速。
Windows版iperf3下载：
http://www.mcuzone.com/down/Software.asp?ID=10000634
Linux下iperf3安装：
sudo apt install iperf3
使用iperf3对百兆以太网口进行测速，在树莓派终端执行（192.168.8.49为另一台PC的地址）：
iperf3 -c 192.168.8.49
client模式为94.6Mbps左右：
在另一台PC（192.168.8.49）的CMD中执行（192.168.8.140为Ubuntu OS的地址）：
iperf3 -c 192.168.8.140
server模式为94.7Mbps左右：
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。
4.3 测试4G模组
启动系统后，在Ubuntu OS终端下执行lsusb，，显示结果如下：
CAT4 4G：
高通4G：
ZTE CAT4 4G：
我们将千兆网口和百兆网口都连接到同一个上级路由器，执行ifconfig -a，显示结果如下：
在Ubuntu下，所有的4G型号都识别成enx+MAC（我们测试用的路由器的IP是192.168.8.x）。
以CAT4 4G为例，执行route，查看路由表，enx000c29a39b6d（4G）排在第一位，故此时是通过4G模块上网：
我们ping IP和域名，均成功，说明4G模块工作正常：
打开https://test.ustc.edu.cn/进行网速测试，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。
在Ubuntu OS下，网络优先级的修改、AT命令操作、修改4G模组的IP地址均与在树莓派OS下相同，请参阅上一章的有关章节。
4.4 测试RS485串口
测试需要安装串口软件CuteCom，安装命令为：
sudo apt install cutecom
安装完毕后，点击桌面左下角的“Show Apps”图标，有CuteCom的快捷方式：
但是如果在此直接打开CuteCom，有可能会出现Input框无法输入字符的问题，这是由于权限不足造成的，所以需要打开Ubuntu终端，输入：
sudo cutecom
来打开CuteCom，如果需要打开第二个CuteCom，则需要再开一个Ubuntu终端，输入打开CuteCom的命令。
测试RS485串口与PC之间的数据收发：
在PC端插上一个USB转485的转换器，与扩展板上的RS485相连，各自打开串口软件进行收发，串口软件将RS485自动识别成ttyUSB0，结果如下：
Ubuntu OS端/Windows端：
经过实测，波特率最高可达到2.06Mbps（以传输数据不发生乱码、缺失为准）。
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