树莓派Zero_4G_Cat1+GPS(百兆网络+4G Cat1+GPS+USB2.0-A)扩展板用户手册

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关键词：
树莓派  Raspberry Pi Zero Cat1 4G LTE GPS USB2.0-A 扩展板 SMA

概述：
树莓派Zero(包括带和不带Wifi模组的Zero W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。本扩展板就是通过顶针将扩展板和Zero系列连接起来，通过USB扩展USB转百兆有线以太网和4G Cat1模组(集成GPS)以及两路USB2.0-A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。该扩展板的4G Cat1模组集成有GPS功能，有独立无源GPS天线，可通过ttyUSB端口读取GPS信息。

图解：



注意，部分版本顶针为4针，请在config.txt里面指定USB OTG工作模式为host：
dtoverlay=dwc2,dr_mode=host

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安装示意图和尺寸图：

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Zero_4G_Cat1+GPS扩展板在树莓派系统下的使用演示：
硬件：
树莓派Zero 2W
Zero_4G_Cat1+GPS扩展板

软件：
Raspberry Pi OS 64-bit
2023-10-10

1，执行lsusb：
可以看到系统识别到了USB HUB和4G模组。
注意，如果系统没有识别到USB HUB和4G模组请仔细观察顶针是否对准了镀金触点，并检查config.txt里面关于USB的配置，确保已经配置为host模式：
dtoverlay=dwc2,dr_mode=host

2，执行ifconfig -a



可以看到eth0为4G Cat1(IP地址默认为192.168.5.8)，eth1为USB转以太网。

3，ping包测试


注意，测试的时候有优先级，如果eth0已连接则优先走eth0。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。
测试采用2023-10-10发布的bookworm，eth0为4G，eth1为USB转百兆网卡

4，iperf3测速




iperf3测速，client模式80Mbps，server模式94.9Mbps

USB转百兆有线受Zero 2W性能和USB Hub以及4G Cat1带宽占用影响并不能跑满，请知悉。
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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Zero_4G_Cat1+GPS扩展板在Ubuntu系统下的使用演示：
硬件：
树莓派Zero 2W
Zero_4G_Cat1+GPS扩展板

软件：
Ubuntu Server 22.04.03 64-bit
注意，Ubuntu Desktop需要2GB及以上内存，Zero 2W内存不够无法直接运行。

1，烧写Ubuntu Server系统并启动：注意1，烧写完毕后打开config.txt确认USB部分的配置，如果有两处配置都要确保有host尾缀，即USB OTG配置为host模式：
dtoverlay=dwc2,dr_mode=host
注意2，系统启动后会要求登陆，用户名和密码均为ubuntu，登陆后会要求修改密码。系统启动后并无网络可用，需要进行后续设置后才能使用。


2，执行ip addr查看网卡名称：
注意，系统默认并没有集成ifconfig工具，只有ip命令可用。



记录下两个enx开头的网卡名称(一块为USB转百兆网卡，另一块为4G Cat1识别成的网卡)

3，进入到/etc/netplan目录，打开50开头的yaml文件并添加两块网卡：



保存退出，然后重启。

4，重启后即可联网，安装net-tools方便查看信息和测试：
sudo apt install net-tools
然后用ifconfig查看网卡信息并ping包，可以看到4G cat1支持IPv6：









至此测试完毕。

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4G Cat1+GPS模组的高级使用：
一，4G Cat1模组的AT命令演示
1，打开ttyUSB串口：
sudo modprobe option
sudo sh -c 'echo 1782 4e00 > /sys/bus/usb-serial/drivers/option1/new_id'
不同系统对权限要求不一样，视情况加或者不加sudo。

执行以上两条命令后系统应该会多出ttyUSB0-2三个设备。
通过minicom打开AT命令串口：
sudo minicom -D /dev/ttyUSB0
如果没有minicom也可以用其它串口工具，网络连通的情况下也可以尝试下载，比如：
sudo apt-get install minicom
然后就可以开启minicom检查4G网络情况



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

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

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

二，GPS模组的操作演示
注意，GPS本义是指美国的全球定位系统。而这两年流行的词GNSS是指全球导航卫星系统，是一个统称，包括了GPS卫星导航系统、北斗卫星导航系统、俄罗斯的格洛纳斯和欧洲的伽利略卫星导航系统。由于GPS成网最广知名度最高，所以我们经常会用GPS来指代卫星导航系统。实际上从好多年前国家就要求导航模块必须包含北斗卫星导航系统，所以不管你买啥GPS模块，它必定得支持北斗导航，此时用GNSS这个名称就相对更为准确。不过从大家的习惯来讲，可能很多人特别是非科班人士不管实际用的是哪套导航系统都一律统称为GPS。我们知道实际意思即可，不用纠结于其叫法。

1，参考上述流程打开ttyUSB串口；

2，通过AT+CGNSPWR=1打开GPS的电源；

3，通过AT+CGNSINF读取单次定位信息；

4，通过AT+CGNSURC=1打开自动上报；



Ubuntu Server平台也是一样的操作，先打开ttyUSB串口，然后AT命令交互：

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注意事项：
1，本扩展板支持PD供电；

2，如果USB无法操作请打开config.txt文件确认是否添加了host尾缀：
dtoverlay=dwc2,dr_mode=hostUbuntu Server 22.04会对USB初始化两次，两条初始化命令都要加上host尾缀；

3，扩展板具备USB转以太网和4G两路网络，请仔细区分，系统默认会使用编号小的eth设备。假设eth0为有线网络且连接了无法上网的内网，此时即便识别为eth1网卡的4G一切正常也无法接入公网。需要手动添加dns服务器和调整网络优先级；

4，部分版本系统下，拔掉有线网卡后黄灯可能仍会继续闪烁，重新上电可解决。如担心造成误导，可拆掉电阻关闭LED；

5，Zero只有一个USB OTG端口，通过顶针和扩展板连接起来之后这个USB OTG不能再外接任何USB设备，也不要用这个OTG端口来供电，更不能用来连接电脑。切记！！！
6，GPS默认采用无源天线，并且天线不能有建筑物遮挡需要甩出窗外，不然无法锁定卫星。如果无源天线受干扰无法定位，可以考虑将C43换成0R电阻或者直接短接C43两端，然后天线换成有源天线，对信号会有一定帮助。

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更新记录：
2023-11-08：新增GPS使用演示
2023-11-07：更新树莓派Raspberry Pi OS系统下操作演示

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