Artykuł opisuje nakładkę na Raspberry Pi z modułem komunikacji 4G – Waveshare SIM7600E 4G HAT. Prezentuje budowę płytki, przykłady użycia oraz sposób konfiguracji jako modem 4G.

Dużą zaletą platformy Raspberry Pi są olbrzymie możliwości rozszerzenia funkcjonalności komputera. Jest to możliwe dzięki umieszczeniu na płytce 40-pinowego złącza rozszerzeń, na które wyprowadzono najważniejsze interfejsy procesora. Dzięki tej koncepcji rozwinął się rynek nakładek na Raspberry Pi, a samo złącze w tym standardzie jest stosowane także w komputerach jednopłytkowych innych producentów. Sama oferta nakładek jest niezwykle bogata i zawiera m.in. sterowniki silników, różnego rodzaju wyświetlacze, czujniki, a także moduły komunikacyjne.

W niniejszym artykule zaprezentujemy nakładkę umożliwiającą komunikację za pomocą sieci komórkowej w technologii 4G – SIM7600E 4G HAT z oferty firmy Waveshare. Oczywiście, sama koncepcja rozszerzenia malinki o moduł GSM nie jest nowa. Jednak większość dostępnych na rynku modułów zawiera modemy zdolne obsługiwać komunikację tylko w standardzie 2G. Pozwala to na prowadzenie rozmów, wysyłanie SMS-ów, a także podstawowe usługi internetowe. Trudno jednak wyobrazić sobie szybką wygodną transmisję danych w tym standardzie. Tą może zapewnić jednak szybka sieć LTE, z którą można się połączyć dzięki nakładce Waveshare SIM7600E 4G.

Rysunek 1. Nakładka Waveshare SIM7600E 4G HAT

Możliwości płytki Waveshare SIM7600 4G HAT

Sercem nakładki jest moduł GSM SIM7600E z oferty firmy Simcom. Umożliwia on komunikację w technologii LTE Cat 1 z prędkością do 150 Mbps dla pobierania oraz do 50 Mbps dla wysyłania. Obsługuje także technologie komórkowe starszych generacji: HSDPA+, UMTS, EDGE oraz GPRS. Dysponuje interfejsami USB 2.0, UART, GPIO, a także modułem komunikacyjnym GNSS do lokalizacji satelitarnej. Potrafi współpracować z kartami pamięci MMC/SD. Umożliwia także podłączenie mikrofonu i słuchawek w celu wykonywania rozmów telefonicznych. Moduł sterowany jest za pomocą komend AT wysyłanych na interfejs UART.

Nakładka SIM7600E 4G HAT oprócz samego modemu komórkowego oraz standardowego złącza do połączenia z malinką, zawiera również pełen zestaw komponentów umożliwiających wykorzystanie możliwości modułu SIM7600E. Wśród nich są slot na kartę mini-SIM, złącze Jack 3,5 mm do podłączenia zestawu słuchawkowego, kodek audio PCM NAU8810, złącza U.FL do podłączenia anten GSM oraz GNSS, slot na kartę microSD, a także złącza microUSB do połączenia z komputerem.

Rysunek 2. Widok na nakładkę od strony dolnej

W zestawie z nakładką znajdziemy wszystkie niezbędne akcesoria. Są to antena GSM oraz antena GPS ze złączami SMA, dwie przejściówki U.FL – SMA, dwa przewody microUSB – USB, a także zestaw nakrętek i dystansów umożliwiających wygodny montaż na komputerze Raspberry Pi.

Rysunek 3. Nakładka SIM7600E 4G HAT oraz zestaw akcesoriów

Przygotowanie nakładki SIM7600E 4G HAT

Przed rozpoczęciem pracy z nakładką należy umieścić kartę mini-SIM w przeznaczonym do tego slocie. Antenę GSM należy podłączyć do złącza MAIN, natomiast antenę GPS – do złącza GNSS. Obie anteny należy podłączyć za pośrednictwem zawartych w zestawie przejściówek U.FL – SMA. Samą nakładkę standardowo należy nałożyć na komputer Raspberry Pi przy pomocy złącza rozszerzeniowego. Na poniższym rysunku zaprezentowaliśmy zmontowany układ.

Rysunek 4. Nakładka Waveshare SIM7600E 4G HAT połączona z Raspberry Pi

Podstawowa konfiguracja

Po uruchomieniu malinki w pierwszej kolejności należy odpowiednio skonfigurować port szeregowy. W tym celu należy wejść do konfiguratora Raspberry Pi wpisując w terminalu polecenie:

sudo raspi-config

Konfiuguracja interfejsu znajduje się w opcji Interfacing Options -> Serial. W pierwszym oknie należy zaznaczyć Nie, aby wyłączyć dostęp do konsoli przez UART, a w kolejnym Tak, aby włączyć sprzętowy port szeregowy.

Rysunek 5. Wyłączenie obsługi konsoli za pośrednictwem interfejsu UART

 Rysunek 6. Włączenie portu szeregowego

Po zapisaniu zmian należy zrestartować maszynę.

Następnie należy pobrać oprogramowanie demonstracyjne z zasobów firmy Waveshare.

wget https://www.waveshare.com/w/upload/2/29/SIM7600X-4G-HAT-Demo.7z
sudo apt-get install p7zip-full
7z x SIM7600X-4G-HAT-Demo.7z -r -o/home/pi
sudo chmod 777 -R /home/pi/SIM7600X-4G-HAT-Demo

Do pliku /etc/rc.local trzeba dopisać linijkę:

sh /home/pi/SIM7600X-4G-HAT-Demo/Raspberry/c/sim7600_4G_hat_init

W miejscu zaprezentowanym na poniższym rysunku.

Rysunek 7. Edycja pliku rc.local

Wysyłanie komend AT za pomocą oprogramowania minicom

Podstawową komunikację z modułem SIM7600E można zrealizować za pomocą programu minicom. Jest to prosta konsola, która umożliwia wysyłanie i odbieranie danych za pomocą portu szeregowego. Instalację programu dokonujemy poleceniem

sudo apt-get install minicom

Aby uruchomić program w celu połączenia z modułem GSM wpisujemy

minicom -D /dev/ttyS0

Port do komunikacji z modułem jest oznaczony w systemie jako ttyS0 w modelach Raspberry Pi 3 oraz 4. Natomiast w modelach Zero i 2B – jako ttyAMA0. Dodatkowo, w razie problemów przy komunikacji podczas użycia komputera Raspberry Pi 4 B, może być konieczna aktualizacja firmware’u malinki. Można jej dokonać poleceniem:

sudo rpi-update

Rysunek 8. Komunikacja z modułem za pomocą programu minicom

W paczce demonstracyjnej przygotowanej przez producenta znajdują się także przykładowe kody demonstracyjne. Można za ich pomocą przetestować kilka funkcji modułu, takich jak wysyłanie SMSów, połączenia głosowe, pobieranie lokalizacji za pomocą GPS, a także wykonywanie połączeń sieciowych za pomocą protokołów TCP oraz FTP. Pełna baza przykładów znajduje się w folderze /home/pi/SIM7600X-4G-HAT-Demo. Dostępne są przykłady na platformę Raspberry Pi, Arduino oraz Jetson Nano w językach C oraz Python.

Rysunek 9. Przykład wysyłania wiadomości SMS

Konfiguracja modułu jako modemu 4G

Zdecydowanie najciekawszą możliwością oferowaną nam przez nakładkę Waveshare SIM7600E 4G HAT jest wykorzystanie jej jako modemu internetowego łączącego się przez sieć 4G. Aby tego dokonać, najpierw należy podłączyć złącze microUSB opisane jako USB do portu malinki oraz przepiąć zworki UART JMP w pozycję A.

Rysunek 10. Przygotowanie nakładki do podłączenia jako modem komórkowy

Następnie należy zainstalować wymagane oprogramowanie

sudo apt-get update && sudo apt-get install libqmi-utils udhcpc

Modem w tryb on-line można ustawić komendą

sudo qmicli -d /dev/cdc-wdm0 --dms-set-operating-mode='online'

Stan sieci można zweryfikować następującymi poleceniami:

sudo qmicli -d /dev/cdc-wdm0 --dms-get-operating-mode
sudo qmicli -d /dev/cdc-wdm0 --nas-get-signal-strength
sudo qmicli -d /dev/cdc-wdm0 --nas-get-home-network

Kolejne polecenia pozwalają zrekonfigurować interfejs sieciowy do pracy z protokołem raw-ip.

sudo qmicli -d /dev/cdc-wdm0 -w
sudo ip link set wwan0 down
echo 'Y' | sudo tee /sys/class/net/wwan0/qmi/raw_ip
sudo ip link set wwan0 up

Aby połączyć się z siecią komórkową należy wywołać komendę:

sudo qmi-network /dev/cdc-wdm0 start

Wywołanie kolejnego polecenia pozwala uzyskać adres IP:

sudo udhcpc -i wwan0

I już jesteśmy połączeni z internetem mobilnym.

Połączenie można sprawdzić poleceniem

ifconfig

Rysunek 11. Wynik polecenia ifconfig

Lub po prostu wchodząc na jakąkolwiek stronę internetową w przeglądarce. Test prędkości transferu wypadł znakomicie – wyniki pobierania i wysyłania wyszły na poziomie ok. 20 – 30 Mbps.

Podsumowanie

Nakładka Waveshare SIM7600E 4G HAT to moim zdaniem bardzo udany produkt. Umożliwia rozszerzenie możliwości komputera Raspberry Pi o łączność z siecią komórkową. W odróżnieniu od większości dostępnych na rynku nakładek GSM, oferuje łączność w technologii 4G, co pozwala na korzystanie z internetu z wysoką prędkością danych. Moduł na pewno znajdzie zastosowanie w systemach wbudowanych wymagających dużej mocy obliczeniowej i szybkiego transferu sieciowego.

Nakładka Waveshare SIM7600E 4G HAT dostępna jest w ofercie sklepu Kamami.pl.