在物联网与智能终端设备开发中4G通信模组与主控引擎如MCU或应用处理器的协同工作是实现远程数据传输与设备联网的核心环节。正确配置通信接口、管理AT指令交互、处理数据收发流程是确保稳定联网的关键。本文将系统讲解4G模组与主控引擎的连接方式、协议对接与实用开发技巧帮助开发者快速构建可靠的无线通信系统。一、为什么会有4G模组1 4G 网络覆盖最完整因为4G网络是当今社会覆盖最完善的网络无论是中国还是全球4G网络都是在未来10年覆盖最完善的网络。全球很多国家和地区还在努力发展4G网络的覆盖。中国的4G网络 当前覆盖非常完善全国各地几乎没有4G网络的盲区。在未来的10年 4G网络都是最适合物联网通信的最佳技术。2解决通信方案复杂性太高4G通信涉及到射频系统的设计涉及到协议栈的技术涉及到应用层和通信底层的适配和交互这些技术对于用户来说 完全没必要去研究和掌握。用户只需要关注自己的业务 把4G通信用好完成通信功能就可以了。而 4G 模组就是做这个事情的。4G 模组集成了射频元器件 完成了固件的易用性的开发4G 模组集成了远程升级服务集成了位置服务集成了故障诊断的工具4G 模组提供了完善的开发工具链还有非常非常详细的开发文档。4G 模组让用户能够无需了解 4G 通信的详细技术就可以无痛享受到 4G 模组的便利。使用了 4G 模组之后用户只需要关心赚钱就可以了不用再过度的关心繁琐的4G通信技术细节。更进一步如果你连使用 4G 模组都嫌麻烦 模组厂家甚至还给你提供通信透传的整体方案让你把通信单元做成即插即用的配件 这就更进一步的节省你的时间让你聚焦赚钱了。所以 4G 模组就是让你尽量少研究通信技术的细节让你把更多时间用来做业务帮你赚钱的工具。二、为什么会有工业引擎工业引擎是通信模组的升级。 工业引擎能提供更为强大的二次开发功能。 工业引擎包含如下四大功能1 AirLinkAirLink 模块提供了多网融合的通信功能集成了多种通信协议方便对接各种公网云平台。2 AirControlAirControl 模块提供了方便控制外设的手段。 通过集成各种传感器的库 方便用户采集数据进行设备的控制。3 AirUI通过 AirUI 模块提供多种 UI 的开发方式。 支持 U8G2 方式开发 UI 支持 LCD 的原始操作开发 UI 支持上位机设计组态屏的设计在通过 Lua 脚本实现动态的 UI 交互。4 AirTrack集成的 AirTrackck 模块方便实现超低功耗的 GNSS 定位解决方案。三、4G 有哪几种使用的界面从技术架构上来分类 4G 模组提供了至少三种使用界面AT 命令的使用界面 二次开发的使用界面 网卡上网的使用界面。这几种使用界面 有不同的适用范围也有不同的优点。下面我就详细的分别做解释。四、AT命令的使用界面AT 命令是一种古老的使用方式从有线通信就开始使用了。距离到2024年的今天 已经有超过40年的使用历史。AT 命令的使用场景是把4G模组当做一个黑盒配件设备必须有一个主控CPU。设备的主控CPU 通过串口也可以是SPI或者USB但是99%的场景都是通过串口发送一个 AT字符串开头的指令 向4G模组请求各种服务。4G模组完成服务后 回复一个字符串向主控CPU做应答。通过这样一系列的发送请求应答的交互方式 使设备具备了通信能力。AT 命令发展到今天 功能日趋完善。厂家的 4G 模组的 AT 指令至少具备如下完善的功能1 基本的网络查询指令信号强度查询运营商查询SIM卡状态查询IMEI 查询注册网络状态查询等等2 各种通信协议的支持TCP/UDP协议 HTTP协议SSL协议FTP协议MQTT协议等等3 模组内部资源的使用 电话本文件系统的存入删除查询等等。尽管 AT 使用起来很便利但是 AT 指令方式依然有几个明显的缺点1 运行效率低 只能是两个物理CPU通过串口这样的介质做异步通信 沟通效率很低如果要做高效的业务和通信的整合动作的话 代价更大。2 需要一个额外的主控CPU对于复杂度不高的物联网设备虽然4G模组本身的运算资源和存储资源已经过剩 但是为了使用 AT 指令依然需要一个额外的主控CPU。为了节约成本主控CPU往往会选择一个资源不太大的型号通常无法运行高级语言 所以往往要用C语言开发业务逻辑。这需要研发团队熟悉主控CPU 的开发架构仍然是一个不小的学习成本。而 4G 模组因为资源足够大 大多数 4G 模组已经支持脚本开发应用了所以省掉设备主控 CPU直接用 4G 模组开发应用 研发成本更低。尽管 AT 指令有这些缺点 但是由于 AT 指令有庞大的用户群 基于使用的惯性 AT 指令在今天仍然有非常大的使用比例。五、二次开发的使用界面由于 4G 的通信系统比较复杂所以在 4G 模组内部 一定会选择能力足够强的CPU用来应对各种复杂的4G 场景。这样仅仅是 CPU 设计的冗余度导致剩下的运算资源和存储资源 就足够开发绝大多数的物联网应用了。所以 4G 模组的二次开发方式 更适合用户在研发物联网设备的时候把 4G 模组作为主控直接在 4G 模组内部开发应用。4G 模组的二次开发方式 有基于 C语言的开发方式和基本脚本语言的开发方式两种。下面分别给大家做介绍。一基于 C语言的二次开发界面4G 模组内部的软件架构 无一例外全都是用 C语言开发的 只是在底层用了少量的汇编语言。所以很自然的 让用户使用 C 语言开发应用是比较顺理成章的。但是 C语言虽然功能极其强大 运行的效率极高但是 C语言却有更加致命的缺陷导致C语言无法在物联网行业普遍采用1 需要用户自己做内存管理做内存管理需要用户了解堆和栈的运行原理需要用户自己申请内存释放内存在使用过程中保证内存不能越界。这些技术细节 非常牵扯研发者的精力稍不注意就会造成内存越界 设备死机。而这些死机的 bug 由于调试手段都比较难 所以很难纠错。2 用户需要自己搭建编译环境C语言是编译语言 用户必须自己搭建编译环境。尽管这个动作并不是太难 但是每次修改代码都需要编译烧录调试还是会非常浪费研发者的时间。3 调试代价高C语言的调试手段 一般是有两种 第一个是查看打印的log 第二个是查看堆栈的dump信息。而 C语言软件的大多数错误都是由于内存使用不当引起的。无论是打印log 还是查看堆栈的信息 对于查出来内存使用不当的错误都需要比较高的调试水平这就是一个非常高的门槛。4 模组厂家的技术支持代价大由于以上的3点 你已经能感受到模组厂家要让用户能够很方便的用 C语言开发的话要提供完善的编译工具链调试工具链内存dump工具链。这还不够 模组厂家还需要有一批熟悉这些工具链的工程师具备高深的C语言调试的经验才能够对用户进行技术支持。而模组厂家要面对几千几万的企业用户 每个用户都提供这样的技术支持力度几乎是不可能的。5 开发文档撰写难度大要避免上面第4点提到的高昂代价的技术支持就需要模组厂家给出非常强大的调试工具链还需要有非常非常详细的开发文档和调试指南的文档这些对于模组厂家来说都是非常难做到的。6总结基于以上的几点 基于 C 语言的二次开发界面现在都不是每个模组厂家的主流的二次开发界面只能是个别用户的二次开发界面。二基于脚本语言的二次开发界面在 4G模组里面内嵌脚本语言的虚拟机 对4G 模组提供的各种服务进行封装通过脚本调用库的形式提供给用户。这样就有如下几个优点1 用户无需关心内存分配脚本语言自带了内存管理和垃圾回收机制在运行过程中自动进行内存管理和内存垃圾回收用户再也不用关心内存是否越界无需关心内存怎么分配怎么释放了工作量大大减轻。2 多线程的编程更加简单脚本语言提供了非常简单的多线程的机制用户不用关心多线程的细节直接创建多线程任务直接运行业务逻辑非常适合 4G 通信设备这类实时多任务的应用场景。3 调试代价小因为不用编译 通过解释语言运行应用所以运行和调试是并行的 调试起来非常方便。4工具链简单因为不需要编译也不需要过多考虑内存管理工具链只需要关注脚本的烧录log 的输出研发工作量大大减轻。5 文档工作量降低4G 模组通过脚本方式提供业务逻辑的开发 文档也只需要关注怎么开发业务逻辑不用关心内存管理。所以文档的复杂度也大大降低。6技术支持的难度降低脚本开发的门槛比 C 语言低很多所以模组厂家的技术支持难度降低很多。通过完善的文档 再加上门槛不那么高的技术支持所以模组厂家就有可能服务几万家企业用户。六、基于网卡上网的使用界面有些设备主控运行的是linux 或者安卓系统这些系统 有非常完善的网络适配层可以直接插入一个网卡 主控不需要做额外的开发也非常便利。这时候 4G 模组把自己模拟为一个标准网卡 通过 RNDIS 方式或者是通过 ECM 方式或者是通过 PPP方式 跟主控实现即插即用的无缝配合。Air780ER 模组 提供这样的功能。这种使用界面 是以主控为主4G模组做配合的方式对于仅仅上网的场景非常便利。七、总结模组和引擎作为一个方便物联网设备的生态产品 提供的通信能力和控制能力不仅要稳定还要用户友好。无论是 AT开发界面二次开发的界面还是网卡界面都是要根据你自己的需要做最合适的选择。今天的内容就分享到这里了~