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Linux系统下串口AT指令控制EC20连接华为云物联网平台

时间:10-31来源:作者:点击数:

一、前言

在当今万物互联的时代背景下,物联网技术的快速发展极大地推动了智能化社会的构建。作为其中的关键一环,设备与云端平台之间的通信变得尤为重要。本文介绍如何在Linux操作系统环境下,利用串口通信来实现EC20模块与华为云物联网平台的有效连接。使用Linux下的/dev/ttyUSB0设备文件通过AT指令来配置EC20模块,采用C语言和Python这两种编程语言实现这一过程。

EC20 是Quectel 生产的 4G LTE 模块。是一个多功能的通信模块,广泛应用于各种 IoT(物联网)设备中,提供了可靠的无线通信能力。EC20 支持 LTE FDD、LTE TDD、WCDMA 和 GSM 网络,能够实现高速的数据传输和稳定的语音通信。

EC20 模块支持全球主要的频段,使其能够在多个国家和地区的网络环境中正常工作。它能够提供最高达 150 Mbps 的下行速率和 50 Mbps 的上行速率,这使得它非常适合需要高带宽的应用场景,如视频流、远程监控和数据传输。

该模块具有强大的数据通信能力,包括支持 TCP/IP 和 UDP 协议的网络连接。EC20 还支持各种 AT 命令,通过这些命令用户可以控制模块的操作,配置网络设置,发送和接收数据。其内置的网络协议栈使得模块可以直接进行 MQTT、HTTP、FTP 等网络协议的通信,为开发者提供了极大的便利。

除了数据通信功能,EC20 模块还支持语音通话和短信功能。这使得它不仅可以用于数据传输,还可以作为语音通信解决方案。通过 AT 命令,用户可以方便地进行拨打和接听电话,发送和接收短信,满足不同应用场景的需求。

在电源管理方面,EC20 模块具有低功耗模式,能够有效地延长设备的电池寿命。它支持多种电源管理功能,包括睡眠模式和省电模式,使得它在不使用的时候能够降低功耗,减少能量消耗。

模块的物理接口包括多个 UART 串口、USB 接口和 GPIO 引脚,这些接口允许模块与其他硬件进行连接。通过这些接口,用户可以实现串口通信、USB 数据传输以及各种数字信号的输入输出,提供了高度的灵活性和可扩展性。

在设计和生产方面,EC20 模块遵循了工业标准,确保其在各种恶劣环境下的可靠性。它的设计小巧且坚固,适合嵌入到各种嵌入式系统和终端设备中。Quectel 提供了详细的技术文档和开发工具,帮助开发者快速集成和部署模块。

image-20240913101144215

二、实例代码

2.1 服务器信息

下面是我的华为云物联网服务器设备信息。

关于创建过程,可以看视频:https://www.bilibili.com/video/BV1mr421c75S

IP地址:117.78.5.125
端口号:1883
ClientId      64000697352830580e48df07_dev1_0_0_2023030206
Username      64000697352830580e48df07_dev1
Password      a695af9883c5d0e3817bc6971beeecadf8c7c595677c461b1fe75882ed2bf449
订阅主题:$oc/devices/64000697352830580e48df07_dev1/sys/messages/down
发布主题:$oc/devices/64000697352830580e48df07_dev1/sys/properties/report
发布的消息:{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"DHT11_T":18,"DHT11_H":80,"MQ2":1,"water":1,"flame":1,"light":0,"LED1":0,"LED2":0,"LED3":0}}]}

2.2 Python代码

本小节介绍 通过串口 /dev/ttyUSB0 发送 AT 指令以控制 EC20 模块连接华为云物联网平台,并完成 MQTT 通信,使用 Python 脚本实现。

AT 指令:

  • AT+RST: 重启模块
  • AT+CSIM=1: 设置工作模式为数据模式(请根据实际模块手册确认是否需要此指令)
  • AT+QMTOPEN=0,"IP地址",端口号: 连接到 MQTT 服务器
  • AT+QMTCONN=0,"ClientId","Username","Password": 使用提供的 ID、用户名和密码连接到 MQTT 服务器
  • AT+QMTSUB=0,0,"主题",1: 订阅指定主题
  • AT+QMTPUB=0,0,0,0,"主题",消息内容: 发布消息到指定主题

下面是实现代码,展示了如何用 Python 通过串口发送 AT 指令来配置 EC20 模块并连接到华为云物联网平台:

# -*- coding: utf-8 -*-

import serial
import time

# 串口配置
SERIAL_PORT = '/dev/ttyUSB0'
BAUDRATE = 115200
TIMEOUT = 1

# MQTT 服务器信息
MQTT_SERVER_IP = '117.78.5.125'
MQTT_SERVER_PORT = '1883'
MQTT_CLIENT_ID = '64000697352830580e48df07_dev1_0_0_2023030206'
MQTT_USERNAME = '64000697352830580e48df07_dev1'
MQTT_PASSWORD = 'a695af9883c5d0e3817bc6971beeecadf8c7c595677c461b1fe75882ed2bf449'

# 发布的消息
PUBLISH_MESSAGE = '{"services": [{"service_id": "stm32","properties":{"DHT11_T":18,"DHT11_H":80,"MQ2":1,"water":1,"flame":1,"light":0,"LED1":0,"LED2":0,"LED3":0}}]}'

# 发送 AT 指令并获取响应
def send_at_command(serial_conn, command, response_termination='OK', delay=1):
    print(f"Sending command: {command}")
    serial_conn.write((command + '\r\n').encode())
    time.sleep(delay)
    response = serial_conn.read(serial_conn.inWaiting()).decode()
    print(f"Response: {response}")
    if response_termination and response_termination not in response:
        raise Exception(f"Unexpected response: {response}")
    return response

def main():
    # 打开串口连接
    with serial.Serial(SERIAL_PORT, BAUDRATE, timeout=TIMEOUT) as ser:
        try:
            # 重启模块
            send_at_command(ser, 'AT+RST')

            # 设置工作模式为数据模式
            send_at_command(ser, 'AT+CSIM=1')

            # 连接到 MQTT 服务器
            send_at_command(ser, f'AT+QMTOPEN=0,"{MQTT_SERVER_IP}",{MQTT_SERVER_PORT}')
            send_at_command(ser, 'AT+QMTCONN=0,"{MQTT_CLIENT_ID}","{MQTT_USERNAME}","{MQTT_PASSWORD}"')
            time.sleep(5)  # 等待连接

            # 订阅主题
            send_at_command(ser, 'AT+QMTSUB=0,0,"$oc/devices/64000697352830580e48df07_dev1/sys/messages/down",1')

            # 发布消息
            send_at_command(ser, f'AT+QMTPUB=0,0,0,0,"$oc/devices/64000697352830580e48df07_dev1/sys/properties/report",{PUBLISH_MESSAGE}')

        except Exception as e:
            print(f"An error occurred: {e}")

if __name__ == "__main__":
    main()

运行命令:

root@flexusx-1a58:~# python3 mqtt_connect.py 

2.3 C语言代码

本小节介绍 用 C 语言实现通过串口发送 AT 指令来控制 EC20 模块并完成 MQTT 通信。

下面是实现代码,通过串口配置 EC20 模块并连接到 MQTT 服务器:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <errno.h>

#define SERIAL_PORT "/dev/ttyUSB0"
#define BAUDRATE B115200

int setup_serial_port(const char *port) {
    int fd = open(port, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    struct termios options;
    tcgetattr(fd, &options);
    cfsetispeed(&options, BAUDRATE);
    cfsetospeed(&options, BAUDRATE);

    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
    options.c_cflag &= ~PARENB;
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8;

    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

    return fd;
}

void send_at_command(int fd, const char *command) {
    write(fd, command, strlen(command));
    write(fd, "\r\n", 2);
    usleep(100000);  // Wait for 100ms for the module to respond

    char response[256];
    int n = read(fd, response, sizeof(response) - 1);
    if (n > 0) {
        response[n] = '\0';
        printf("Response: %s\n", response);
    } else {
        printf("No response or read error.\n");
    }
}

int main() {
    int fd = setup_serial_port(SERIAL_PORT);

    // 1. Reset the module
    send_at_command(fd, "AT+RST");

    // 2. Connect to MQTT server
    char command[300];
    snprintf(command, sizeof(command), "AT+QMTOPEN=0,\"%s\",%d", "117.78.5.125", 1883);
    send_at_command(fd, command);

    snprintf(command, sizeof(command), "AT+QMTCONN=0,\"%s\",\"%s\",\"%s\"", 
             "64000697352830580e48df07_dev1_0_0_2023030206", 
             "64000697352830580e48df07_dev1", 
             "a695af9883c5d0e3817bc6971beeecadf8c7c595677c461b1fe75882ed2bf449");
    send_at_command(fd, command);

    usleep(5000000);  // Wait 5 seconds for connection to establish

    // 3. Subscribe to a topic
    send_at_command(fd, "AT+QMTSUB=0,0,\"$oc/devices/64000697352830580e48df07_dev1/sys/messages/down\",1");

    // 4. Publish a message
    sprintf(command,  "AT+QMTPUB=0,0,0,0,\"$oc/devices/64000697352830580e48df07_dev1/sys/properties/report\",\"{\\\"services\\\": [{\\\"service_id\\\": \\\"stm32\\\",\\\"properties\\\":{\\\"DHT11_T\\\":18,\\\"DHT11_H\\\":80,\\\"MQ2\\\":1,\\\"water\\\":1,\\\"flame\\\":1,\\\"light\\\":0,\\\"LED1\\\":0,\\\"LED2\\\":0,\\\"LED3\\\":0}}]}\"");
    send_at_command(fd, command);

    close(fd);
    return 0;
}

编译运行:

root@flexusx-1a58:~# gcc mqtt_connect.c 
root@flexusx-1a58:~# ./a.out 

2.4 创建虚拟串口方便测试

在与硬件通信之前,可以先建立一个虚拟串口测试一下。

创建一个虚拟的串口设备 /dev/ttyUSB0 主要有两种方式:使用 socat 工具创建虚拟串口对(虚拟串口设备),或者使用 tty0tty 驱动来创建虚拟串口对。

方法 1: 使用 socat 创建虚拟串口

socat 是一个强大的网络工具,可以创建虚拟串口设备。下面是如何使用 socat 创建两个虚拟串口对:

  1. 安装 socat: 在大多数 Linux 发行版上,可以使用包管理工具安装 socat。例如,在 Debian 或 Ubuntu 上运行:
    sudo apt-get install socat
    
  2. 创建虚拟串口对: 运行以下命令来创建两个虚拟串口设备 /dev/ttyV0 和 /dev/ttyV1
    socat -d -d PTY,link=/dev/ttyV0,raw,echo=0 PTY,link=/dev/ttyV1,raw,echo=0
    
    这将创建两个虚拟串口设备 /dev/ttyV0 和 /dev/ttyV1,它们会像物理串口一样工作,可以在程序中使用它们进行测试。
  3. 使用虚拟串口设备
    • 可以将一个设备用于发送数据,另一个设备用于接收数据进行测试。例如,可以将一个串口设备配置为连接到模拟的设备,另一个设备配置为模拟的串口设备的接收端。
方法 2: 使用 tty0tty 驱动

tty0tty 是一个内核模块,用于创建虚拟串口对。

以下是如何安装和使用 tty0tty

  1. 安装 tty0tty: 需要从源代码编译和安装 tty0tty。按照以下步骤进行:
    sudo apt-get install build-essential linux-headers-$(uname -r)
    git clone https://github.com/ntop/tty0tty.git
    cd tty0tty
    make
    sudo make install
    sudo depmod -a
    
  2. 加载内核模块: 运行以下命令加载 tty0tty 内核模块:
    sudo modprobe tty0tty
    
    这将创建虚拟串口设备 /dev/ttyt0 和 /dev/ttyt1
  3. 使用虚拟串口设备
    • /dev/ttyt0 和 /dev/ttyt1 现在可以作为虚拟串口设备使用。可以在程序中将它们作为串口设备来进行测试。
示例代码

假设已经创建了 /dev/ttyV0 和 /dev/ttyV1(使用 socat),可以在 Python 中使用这些虚拟串口设备进行测试。例如:

import serial

# 打开虚拟串口
ser1 = serial.Serial('/dev/ttyV0', 115200, timeout=1)
ser2 = serial.Serial('/dev/ttyV1', 115200, timeout=1)

# 发送数据
ser1.write(b'Hello, world!\n')

# 读取数据
response = ser2.readline()
print('Received:', response.decode('utf-8'))

# 关闭串口
ser1.close()
ser2.close()
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