基于幸狐Pico开发板的4G CPE有线路由器实践

引言

由于最近装毕的新家所在的小区未能及时通宽带，于是家中各类无线设备如何上网就成了首要要解决的问题。

在将手机网络经USB数据线和本地局域网共享给华为AP6050DN无线接入点一文中，已将华为AP6050DN无线接入点调通了，本文将记录使用基于幸狐（Luckfox）Pico这一可运行Linux操作系统的MPU来实现4G LTE上网，并将外网流量经USB网卡和网线转发给华为AP6050DN无线接入点，以实现全家各类网络设备的上网需求。

硬件准备

项	数量	购买地址	必要性	备注
幸狐Luckfox Pico开发板	1	【幸狐科技企业店】https://item.taobao.com/item.htm?id=787699332431	必需	有条件的可以买带以太网口的幸狐Luckfox Pico Plus开发板。
PL2303HX USB2.0转TTL 4线串口数据线	1	【深圳市育松创达电子有限公司 电子元件 模块 电子元器件】https://item.taobao.com/item.htm?id=534848868496	必需	1. 用于Linux开发板与Windows PC的串口通信。以避免使用ADB、以太网口与Windows PC通信，占用宝贵的Type-C接口和以太网口。 2. CH340/CH340G芯片的USB2.0转TTL 4线串口数据线也可。
RTL8153B USB3.0转千兆以太网USB网络适配器	1	【凌天电子】https://item.taobao.com/item.htm?id=826458380979	必需	由于移远EC20-CE的最大下行速度仅为150Mbps（约18.75MB/s），又限于生活中复杂的网络状况，其根本无法跑到理论速度，因此买百兆的、SPI接口的W5100S以太网模块也够了。 但这里为了快速调通，减少制造障碍，于是直接购买了USB接口的网络模块。
移远EC20-CE 4G模块	1	【松胜科技】https://item.taobao.com/item.htm?id=719166266616	必需	实现4G上网的核心设备。
MiniPCIe转USB2.0转接板	1	【物联网模组智能科技】https://item.taobao.com/item.htm?id=698856614415	必需	用于经USB接口简单、快速地接入4G模块。
MiniPCIe转USB2.0转接板 配套的USB2.0转4针线	1	【物联网模组智能科技】https://item.taobao.com/item.htm?id=699660033716	必需	用于开发板与4G模块的连接。
物联网专用的流量卡	1	–	必需	用于拨号上网。
带5V独立供电的USB3.0 Hub	1	–	必需	1. 4G模块启动电流大、USB网络适配器运行功耗高，必须采用带5V独立供电的USB集线器。 2. 只要可以独立供电即可，与受电接口无关。 > MicroUSB、Type-C、DC等接口均可。
20针/24针ATX台式机电源	1	–	可选	使用手机充电器为开发板或USB集线器供电有被烧毁的风险。建议使用台式机20针/24针电源+ATX台式机电源取电板的方案作为电源来为其供电。
ATX台式机电源取电板	1	【电子模组设计】https://item.taobao.com/item.htm?id=676931626329	可选

软件准备

正常运行Windows操作系统的PC一台，并要求已在系统内部署以下组件：

已安装虚拟机软件。
此处以Oracle VirtualBox为例。

注意事项：
确保虚拟机挂载的磁盘空间足够大，SDK的存储目录建议设置为50GB的动态磁盘存储空间，否则难以容纳编译期间所产生的大量文件。

已在虚拟机软件中安装22.04.X版本的Ubuntu Server操作系统。

硬件连接

下载并配置Linux开发板的SDK

打开Oracle VirtualBox应用程序并启动Ubuntu Server 22.04.X虚拟机实例。
键入并执行 sudo su 命令，以切换到管理员账户下。
键入并执行以下命令，以安装编译SDK所必须的组件：

apt-get update && apt install git ssh make gcc gcc-multilib g++-multilib module-assistant expect g++ gawk texinfo libssl-dev bison flex fakeroot cmake unzip gperf autoconf device-tree-compiler libncurses5-dev pkg-config bc python-is-python3 passwd openssl openssh-server openssh-client vim file cpio rsync curl

在任意目录下键入并执行以下命令，以从远端代码仓库拉取最新的SDK源码：

git clone https://gitee.com/LuckfoxTECH/luckfox-pico.git

修改与Linux开发板相关的配置

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

视具体所用的Linux开发板型号，键入并执行以下命令，以个性化定制主板配置文件（BoardConfig）：

vi project/cfg/BoardConfig_IPC/BoardConfig-XXX-Buildroot-RV110X_Luckfox_Pico_X-IPC.mk

注意事项：

此步骤可选，编辑它的目的是为了减小给摄像头分配的系统内存，以优化系统。
为什么Luckfox Pico开发板的内核配置文件是luckfox_rv1106_linux_defconfig文件？
因为这项配置是在对应Linux开发板的主板配置文件（BoardConfig）中配置的。
根据幸狐官方文档能够已知Luckfox Pico开发板的主板配置文件（BoardConfig）是位于以下目录：
project/cfg/BoardConfig_IPC/BoardConfig-SD_CARD-Buildroot-RV1103_Luckfox_Pico_Plus-IPC.mk

示例命令如下：

vi project/cfg/BoardConfig_IPC/BoardConfig-SD_CARD-Buildroot-RV1103_Luckfox_Pico_Plus-IPC.mk

打开主板配置文件（BoardConfig）后，按如下修改，然后保存退出：

修改 export RK_BOOTARGS_CMA_SIZE=“66M” 为 export RK_BOOTARGS_CMA_SIZE=“1M”。
末尾新行新增 LF_SUBMODULES_BY=gitee。

修改与移远EC20-CE模块相关的配置

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

键入并执行以下命令，以打开option.c源代码文件，来自定义USB相关配置：

vi sysdrv/source/kernel/drivers/usb/serial/option.c

键入 ? 命令并搜索option_ids[]变量，找到其定义处的代码：

此变量主要定义了USB设备VID和PID信息，以便Linux操作系统识别。

因为使用的是移远的EC20-CE模块，此文件继续往下查看，就能发现已默认集成了移远EC20-CE的VID和PID数据。

但是移远的EC20模块分别有05c6:9215``2c7c:0125两种不同的VID和VID，为了确保已在上述配置数组中添加了所购买的移远EC20模块的VID和PID，则要先将模块经USB接口连入Windows PC上，并在设备管理器对应设备中的“详情”选项卡查看其VID和PID信息。

此时继续返回option_ids[]配置数组代码，键入 ？ 命令搜索QUECTEL_PRODUCT_EC25，结果如下：

这两个宏定义正好与先前option_ids[]配置数组中的如下配置相对应：

上述配置说明option_ids[]配置数组中已添加了我购买的、VID为2c7c的、PID为0125的EC20-CE模块了，无需再添加了。

对于其他不能被直接识别的品牌型号的4G模块也需要做类似的添加。

根据幸狐官方技术人员在论坛回复的一则问题贴可知，SDK是默认支持芯讯通厂商的SIM7600G模块的。再看到option_ids[]数组代码处的开头，是已被幸狐手动添加到了其中的。所以对于其他不能被直接识别的品牌型号的4G模块也需要做类似的添加。

继续在此文件中，键入 ? 命令并搜索option_probe函数，找到其函数实现处的代码：

在Added by Simcom注释的代码块后另起一行，插入以下代码然后保存退出，以使用USBNet驱动程序，并防止因走USB协议的EC20-CE模块与USB转串口的option驱动程序绑定而造成模块工作异常的问题：

#if 1 /* Added by Quectel */
if (serial->dev->descriptor.idVendor == cpu_to_le16(0x2C7C)) {
              
    __u16 idProduct = le16_to_cpu(serial->dev->descriptor.idProduct);
    struct usb_interface_descriptor *intf = &serial->interface->cur_altsetting->desc;

    if (intf->bInterfaceClass != 0xFF || intf->bInterfaceSubClass == 0x42) {
              
        //ECM, RNDIS, NCM, MBIM, ACM, UAC, ADB
        return -ENODEV;
    }

    if ((idProduct&0xF000) == 0x0000) {
              
        //MDM interface 4 is QMI
        if (intf->bInterfaceNumber == 4 && intf->bNumEndpoints == 3
                            && intf->bInterfaceSubClass == 0xFF && intf->bInterfaceProtocol == 0xFF) {
              
            return -ENODEV;
        }
    }
}
#endif

若要适配其他品牌型号的4G模块，也需要做类似的添加。但因模块参数各异，具体添加何代码，则需要参考模块的开发手册等文档。

最终如下：

继续在此文件中，键入 ? 命令并搜索option_1port_device变量，找到其定义处的代码：

在 .resume = usb_wwan_resume, 代码后另起一行，插入以下代码然后保存退出，以添加避免因上位机休眠/唤醒状态的切换而导致USB设备无法从中恢复的的Reset-resume机制：

#if 1 /* Added by Simcom and Quectel */
        .reset_resume = usb_wwan_resume,
#endif

最终如下：

继续在此文件中，键入 ? 命令并搜索N_IN_URB宏定义，找到其定义处的代码：

在IN_BUFLEN宏定义后另起一行，插入以下代码然后保存退出，以增加批量输出URB的数量和容量：

#define N_OUT_URB 4 //Increase the quantity of the bulk out URBs to 4.
#define OUT_BUFLEN 4096 //Increase the capacity of the bulk out URBs to 4096.

最终如下：

键入并执行以下命令，以打开usb_wwan.c源代码文件，来向USB网卡添加零包机制：

vi sysdrv/source/kernel/drivers/usb/serial/usb_wwan.c

键入 ? 命令并搜索usb_wwan_setup_urb函数，找到其函数实现处的代码：

在Added by Simcom for Zero Packet注释的代码块后另起一行，插入以下代码然后保存退出，以添加USB协议所需的零包机制：

#if 1 /* Added by Quectel for Zero packet */
        if (dir == USB_DIR_OUT) {
              
                struct usb_device_descriptor *desc = &serial->dev->descriptor;

                if (desc->idVendor == cpu_to_le16(0x2C7C)) {
              
                        urb->transfer_flags |= URB_ZERO_PACKET;
                }
        }
#endif

最终如下：

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

将附件中“移远EC20” -> “适用于Linux和Android操作系统的移远GobiNet驱动源码 v1.3.0”目录内的所有文件，以及“其他文件”目录中qmi_wwan_q.c和cdc_ncm.c两个源代码文件，均复制到SDK源码的sysdrv/source/kernel/drivers/net/usb目录下。

最终如下：

此操作用于向Linux开发板的嵌入式操作系统中增加GobiNet驱动。

此操作用于向Linux开发板的嵌入式操作系统中增加QMI_WWAN驱动。

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

键入并执行以下命令，以打开USB的构建文件：

vi sysdrv/source/kernel/drivers/net/usb/Makefile

在文件末尾另起一行，插入以下代码，以将GobiNet驱动编译进Linux内核中：

# Quectel
obj-y += GobiNet.o
GobiNet-objs := GobiUSBNet.o QMIDevice.o QMI.o

继续，在 obj-${CONFIG_USB_NET_QMI_WWAN} += qmi_wwan.o 代码行之前另起一行，插入以下代码，以合并QMI_WWAN驱动的行为。然后保存并退出。

# must insert qmi_wwan_q.o before qmi_wwan.o
obj-${CONFIG_USB_NET_QMI_WWAN} += qmi_wwan_q.o

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

SDK关于内核配置的图形化界面中是缺失直接设置GobiNet的相关选项的，直接修改配置文件不仅复杂繁琐，而且易出错。于是在修改内核配置前，有必要将这项加入到内核配置的图形化界面中。

键入以下命令，以修改SDK内核配置图形化界面的显示配置文件：

vi sysdrv/source/kernel/drivers/net/usb/Kconfig

在文件末尾另起一行，插入以下代码，然后保存退出。以将设置GobiNet的相关选项加入到图形化界面中：

config USB_GOBI_NET
    tristate"Gobi USB Net driver for Quectel module"
    help
        Support Quectelmodule.

        A modemmanager with support for GobiNet is recommended.
        Tocompile this driver as a module, choose M here: the module will be calledGobiNet.

最终如下：

继续修改与Linux开发板相关的配置

SDK是通过执行其根目录下build.sh脚本的方式图形化配置Linux内核参数的，所以在配置前，要先进行以下操作，以初步构建。

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下，键入并执行以下命令，以根据指定的Linux开发板型号使用对应的主板配置文件（BoardConfig）初步构建：

./build.sh lunch

注意事项：
在命令执行期间，会提示Linux开发板具体型号和规格的序号选择，视实际情况输入并回车即可。

示例如下：

键入并执行以下命令，以在图形化配置界面中修改内核配置：

./build.sh kernelconfig

依次按下Y键逐个选中以下项来使能对应的功能，然后保存退出：

注意事项：

黑色加粗部分的项，按Y键选中以使能。
列出的项，已选中的保持默认选中状态即可，否则要按Y键选中。

由于SDK中的内核配置图形化程度不完全，还有关于一些4G模块的配置未能直接在图形化配置界面中使能，需要编辑对应Linux开发板型号的内核配置文件依次检查是否有漏掉的项。

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

视具体所用的Linux开发板型号，键入并执行以下命令，以在文本编辑器中修改内核配置：

vi sysdrv/source/kernel/arch/arm/configs/luckfox_rv1106_linux_defconfig

※ 为什么Luckfox Pico开发板的内核配置文件是luckfox_rv1106_linux_defconfig文件？
因为这项配置是在对应Linux开发板的主板配置文件（BoardConfig）中配置的。
根据幸狐官方文档能够已知Luckfox Pico开发板的主板配置文件（BoardConfig）是位于以下目录：
project/cfg/BoardConfig_IPC/BoardConfig-SD_CARD-Buildroot-RV1103_Luckfox_Pico_Plus-IPC.mk

查看此文件的内容，其中的RK_KERNEL_DEFCONFIG项，指明了其所用的内核配置文件，即为sysdrv/source/kernel/arch/arm/configs目录下的luckfox_rv1106_linux_defconfig配置文件。

按照以下所列出的键值对配置项，依次检查内核配置文件中是否有漏项，已有则跳过，没有则不全，然后保存退出：

CONFIG_USB_SERIAL=y
CONFIG_USB_SERIAL_WWAN=y=y
CONFIG_USB_SERIAL_OPTION=y
CONFIG_USB_USBNET=y
CONFIG_USB_NET_DRIVERS=y
CONFIG_USB_NET_QMI_WWAN=y
CONFIG_USB_NET_CDCETHER=y
CONFIG_USB_NET_RNDIS_HOST=y
CONFIG_USB_NET_CDC_NCM=y
CONFIG_USB_NET_CDC_MBIM=y
CONFIG_USB_WDM=y
CONFIG_USB_ACM=y

SDK采用了Buildroot工具+图形化界面配置的方式来管理和构建软件包，在新增软件包后会通过网络进行下载，然后编译至操作系统中。
为了避免编译SDK期间的组件下载失败问题，采用幸狐官方提供的离线版本的软件包，将其解压后覆盖到Buildroot的本地工作缓存目录下。
但在编译SDK前，Buildroot的本地缓存目录是不存在的，故需要先执行以下操作，让其生成对应目录。

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

键入并执行以下命令，以通过编译而生成Buildroot的本地工作目录：

./build.sh buildrootconfig

注意事项：

Buildroot的本地工作目录位于SDK根目录下的sysdrv/source目录中。
Buildroot的本地工作目录中的组件下载缓存目录位于SDK根目录下的sysdrv/source/buildroot/buildroot-2023.02.6/dl目录中。

命令执行前的目录示例如下：

命令执行后的目录示例如下：

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下，再切换到以下目录：

cd sysdrv/source/buildroot/buildroot-2023.02.6

将附件中“幸狐Linux开发板” -> “Buildroot的离线软件包”目录下的压缩包，上传到虚拟机内SDK源码的以上目录下并解压。

最终如下：

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

键入并执行以下命令，以在图形化配置界面中配置软件包：

./build.sh buildrootconfig

依次在图形化界面中输入“/”符号依次搜索以下所列出的软件包并按Y键使能，然后保存退出：

iftop
iptables
minicom
neofetch
nginx

注意事项：
在保存退出后，注意观察日志输出中是否有报错。若有，要重新执行上述命令，再次进入图形化配置界面，并重新搜索对应软件包是否被成功使能了。

编译Linux开发板的SDK

使用 cd 命令切换到SDK源码的根目录下。

键入并执行以下命令，以全量编译SDK：

./build.sh

编译成功后，会在SDK根目录下的output/image目录下生成系统镜像文件。

烧录系统镜像

将除update.img外的所有系统镜像拷贝到Windows PC本机的任意位置，并使用幸狐官方提供的SocToolKit工具，将其烧写进任意TF卡中。

交叉编译拨号程序

移远官方提供了能快速部署和测试的Connect Manager拨号程序的源代码。若想要在目标开发板上运行，则需要目标开发板SDK所用的gcc编译器参与交叉编译才能实现。

将附件中“移远EC20” -> “适用于Linux和Android操作系统的移远Connect Manager拨号程序源码”目录下的所有文件上传到虚拟机内的任意空目录中。

最终如下：

使用 cd 命令切换到移远Connect Manager拨号程序源码的根目录下。

视实际情况，键入并执行以下命令，以交叉编译源码：

make CROSS_COMPILE=[Linux开发板SDK所用gcc编译器的根目录]

示例命令如下：

make CROSS_COMPILE=/mnt/data/luckfox-pico-main/tools/linux/toolchain/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf

※ 为什么Luckfox Pico开发板的交叉编译器存储位置是在以上位置？
因为这项配置是在对应Linux开发板的主板配置文件（BoardConfig）中配置的。
根据幸狐官方文档能够已知Luckfox Pico开发板的主板配置文件（BoardConfig）是位于以下目录：
project/cfg/BoardConfig_IPC/BoardConfig-SD_CARD-Buildroot-RV1103_Luckfox_Pico_Plus-IPC.mk

查看此文件的内容，其中的RK_TOOLCHAIN_CROSS项，指明了其所用的交叉编译器的目录位于tools/linux/toolchain/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf目录中。

编译成功后，在当前目录下会生成一个名为quectel-CM的、二进制的、可执行的Linux应用程序。将其复制到Windows PC以在后续过程中使用。

Linux开发板上电开机

串口登录Linux开发板

参见：参考资料 – 官方文档。

将拨号程序上传到Linux开发板

将在交叉编译拨号程序步骤中编译好的、名为quectel-CM的、二进制的、可执行的Linux应用程序复制到Linux开发板的/usr/bin目录下，并为其赋予u+x权限。

配置Linux开发板

基础配置

在Linux开发板的任意位置键入并执行以下命令，以在图形化配置界面中配置Linux开发板：

luckfox-config

依次导航并设置USB的工作模式为host，退出菜单后键入并执行reboot命令，以重启Linux开发板来应用设置：

配置与调测移远EC20-CE模块

在Linux开发板上电的情况下，插拔4G模块，并观察lsusb -t命令的日志输出。能够发现在设备插拔前后，USB 4G设备是被成功检测到的：

观察dmesg命令的日志输出，同样也能发现：

键入并执行以下命令，确认USB串口设备是否被操作系统正常检测到：

ls /dev/ttyUSB*

输出结果示例如下：

表明EC20-CE模块的4个串口均被操作系统正常识别了。

键入并执行以下命令，进入minicom串口终端，以配置移远EC20-CE模块：

minicom -D /dev/ttyUSB2

继续，在终端中键入并执行以下AT命令，以切换移远EC-20模块的网卡接口类型为RmNet：

AT+QCFG="usbnet",0

成功显示OK后，按下Ctrl+A组合键和x键并在弹出的退出确认窗口中选择Yes，以退出minicom串口终端。

键入并执行reboot命令，以重启Linux开发板。

重启后，键入并执行以下命令，查看是否存在一个名为/dev/cdc-wdmX的设备资源文件：

ls /dev/cdc*

输出结果示例如下：

观察dmesg命令的日志输出，同样也能发现：

表明QMI_WWAN驱动开启成功，可以进行拨号操作了。

配置与调测拨号上网

在Linux开发板的任意位置键入并执行以下命令，以在后台拨号：

quectel-CM &

拨号结果示例如下：

此时也可以成功ping通外网IP和域名了。

配置与调测以太网卡

键入并执行以下命令，查看当前操作系统已识别并加载的网卡信息：

ip add

输出结果示例如下：

其中，eth0网卡即为以太网卡。

键入并执行以下命令，以将以太网卡的IP设为与华为AP6050DN无线接入点在同一网段：

ifconfig [ip add命令显示的以太网卡的网卡名] [目标IP地址]

示例命令如下：

ifconfig eth0 192.168.137.1

因为在华为AP6050DN无线接入点中配置的静态IP地址为192.168.137.2、网关为192.168.137.1，所以需要将Linux开发板流量出口网卡的IP修改为与无线接入点同一网段，且要为网关的IP，这样才能将移远EC20-CE模块的移动数据流量通过后续NAT转发的方式给到无线接入点。

配置与调测NAT转发

键入并执行以下命令，查看当前操作系统的规则：

iptables -t nat -L -n -v

输出结果示例如下：

注意事项：

正常情况下应如上图所示，没有任何规则。
每次重启后，规则都会丢失，需要重新配置。

键入并执行以下命令，以开启IPv4网络下的网络转发：

sysctl net.ipv4.ip_forward=1

键入并执行以下命令，以将wwan0网卡的流量转发给eth0网卡：

iptables -t nat -A POSTROUTING -o wwan0 -j MASQUERADE

再次键入并执行以下命令，查看当前操作系统的规则：

iptables -t nat -L -n -v

输出结果示例如下：

可以看到多出一个wwan0网卡的转发规则。

此时无线接入点也能够正常访问外网了。

参考资料

官方文档

【幸狐官方文档】Luckfox Pico – Luckfox Pico RV1103 – Luckfox Pico Plus Mini – SDK 环境部署（X86_64平台）。
【幸狐官方论坛】luckfox ultra w 4G网卡 移远EC200。
Quectel_UMTS_LTE_5G_Linux_USB_Driver_用户指导_V1.1.pdf。

网站论坛

核心板移植移远4G模块EC20过程记录1-Gobinet。
适配移远RG200U-5G模块。
4G模块 EC20 R2.0 USB Serial/GobiNet/QMI WWAN 驱动移植过程。
V3S挖坑EC20。
移植iptables至嵌入式设备。
linux下4g模块共享网络给内网。
Linux-将usb 4G网卡的网络共享给多个有线网卡。
ec20正常创建ecm网络后无法连接外网。
linux下EC20 4G模块驱动移植。
移远RM500U-CN模块直连嵌入式ubuntu实现拨号上网。
驱动程序开发：基于EC20 4G模块自动拨号联网的两种方式（GobiNet工具拨号和PPP工具拨号）。
移远5G模块移植。
minicom的使用，发送AT指令。
修改移远提供的GobiNet、quectel-CM源码，使其支持有方N720 4G模块。
EC600N-CN 的Linux驱动。
4G模块生成wwan0网卡，可以连接4g信号，不能自动生成默认网关，不能访问外网。