Adafruit FONA 3G Cellular + GPS Breakout：功能強大的一體化模塊

在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，一款功能強大且易于集成的通信與定位模塊至關(guān)重要。Adafruit FONA 3G Cellular + GPS Breakout 就是這樣一款備受關(guān)注的產(chǎn)品，下面就為大家詳細介紹它的特點、使用方法以及相關(guān)注意事項。

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一、模塊概述

FONA 3G 是一款 3G 蜂窩調(diào)制解調(diào)器擴展板，尺寸僅為 1.75"x1.6"，卻集成了眾多強大的功能。其核心是強大的 GSM 蜂窩模塊（采用最新的 SIM5320），并集成了 GPS 功能。它具有以下特點：

1. 廣泛的網(wǎng)絡(luò)支持：支持四頻段 GSM（850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz），可連接全球任何 2G SIM 卡的 GSM 網(wǎng)絡(luò)。美國版本支持雙頻段 UMTS/HSDPA 850/1900MHz WCDMA + HSDPA，歐洲版本支持雙頻段 UMTS/HSDPA 900/2100MHz WCDMA + HSDPA。
2. 集成 GPS：采用 Qualcomm PM8015 GPS，可通過同一串口進行控制和查詢。GPS 具有 16 個采集通道，支持 GPS L1 C/A 代碼，跟蹤靈敏度為 -157 dBm，冷啟動靈敏度為 -144 dBm，冷啟動時間約為 100s，熱啟動時間約為 1s，定位精度約為 2.5 米。不過，建議使用有源天線以獲得更好的性能。
3. 豐富的通信功能：可進行語音通話（使用耳機或外部 8Ω 揚聲器 + 駐極體麥克風）、收發(fā) SMS 消息、收發(fā) GPRS 數(shù)據(jù)（支持 TCP/IP、HTTP 等）。
4. 多種波特率支持：AT 命令接口支持 300、600、1200、4800、9600、19200、39400、57600、115200、230K、461K、961K、3.2M、3.7M 和 4.0Mbps 等多種波特率。
5. 原生 USB 支持：插入計算機后，可獲得用于 AT 命令、GPS NMEA 輸出以及調(diào)制解調(diào)器的串口。

二、獲取 SIM 卡

要使用 FONA 的電話功能，需要一張 SIM 卡。2G 或 3G Mini SIM 卡均可，大多數(shù)手機店都可購買。在美國，F(xiàn)ONA 800 和 808 僅支持 2G SIM 卡，可選擇 T-Mobile 或其經(jīng)銷商的 SIM 卡；FONA 3G 支持 2G 或 3G，在 3G 模式下僅支持 AT&T，但 AT&T 正在逐步淘汰其 2G 網(wǎng)絡(luò)。Adafruit 現(xiàn)在銷售的 TING SIM 卡是一個不錯的選擇，它支持 2G + 3G，且計費系統(tǒng)良好，按使用量付費。

部分 FONA 用戶分享了獲取 SIM 卡的經(jīng)驗：

• 使用沃爾瑪?shù)摹癢almart Family Mobile”SIM 卡，它是 T-Mobile 的經(jīng)銷商，SIM 卡費用為 25 美元，每月 30 美元可享受無限通話和短信，40 美元可享受無限通話、短信和數(shù)據(jù)，且無合約。
• T-Mobile 可預(yù)付費購買通話分鐘數(shù)，性價比不錯。
• Telna 的 SIM 卡每年 20 美元，包含 1000 條免費短信和其他功能。
• 一些專業(yè)的“機器對機器”SIM 卡賣家提供適合此類模塊短時間使用的套餐。

三、引腳說明

1. 連接器

• JST 2 - pin：電池輸入連接器，建議使用 500mAh 或 1200mAh 的鋰電池。
• MicroUSB 連接器：用于鋰電池充電，最大充電電流為 500mA。
• 耳機插孔：標準的 TRRS 3.5mm 耳機插孔，支持立體聲耳機和單聲道麥克風，兼容“iPhone”或“Android”耳機（非原裝 iPhone 耳機）。

2. 天線端口

• GSM 天線端口：可使用 uFL GSM 天線或通過 uFL 轉(zhuǎn) SMA 適配器連接 SMA 天線。
• GPS 天線端口：建議使用有源 GPS 天線，并短接標有“bias”的焊盤。

3. SIM 連接器

位于模塊背面，需插入 2G 或 3G Mini SIM 卡，MicroSIM 卡無法使用。

4. 底部引腳

• Vio：最重要的引腳，需提供 3V - 5V 的外部電壓以設(shè)置邏輯電平轉(zhuǎn)換器。
• Key：電源開/關(guān)指示引腳，需將其接地 3 - 5 秒來開啟或關(guān)閉模塊。
• 5V：當 microUSB 連接并供電時，提供 5V 電壓。
• PS：電源狀態(tài)引腳，模塊關(guān)機時為低電平，開機時為高電平。
• NS：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)引腳，與網(wǎng)絡(luò)指示燈相連，可通過指示燈閃爍判斷模塊狀態(tài)。
• Reset：模塊硬復(fù)位引腳，將其拉低 100ms 可進行硬復(fù)位。
• RX & TX：UART 引腳，用于發(fā)送和接收命令及數(shù)據(jù)，自動波特率。
• RTSin、CTSout、DTR：硬件流控制引腳。
• RI：振鈴指示引腳，可配置為在收到來電或短信時變?yōu)榈碗娖健?/li>
• SPK + 和 -：用于連接外部 8 歐姆揚聲器。
• MIC + 和 -：用于連接外部駐極體麥克風，模塊會為麥克風提供 2V 偏置電壓。

5. 指示燈

• PWR：綠色，模塊啟動并運行時亮起。
• NET：紅色，不同閃爍模式表示不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。
• Charging：橙色，指示鋰電池正在充電。
• Done：綠色，指示電池充電完成。

四、組裝步驟

1. 準備排針

根據(jù)需要裁剪排針長度，并將其插入面包板，長引腳朝下，便于焊接。

2. 安裝擴展板

將擴展板放在排針上，使短引腳穿過擴展板的焊盤。

3. 焊接

確保焊接所有引腳，以保證可靠的電氣連接?？蓞⒖?Adafruit 的焊接指南獲取焊接技巧。

4. 連接天線和電池

連接電池、GPS 天線和 GSM 天線，注意電池極性。

5. 插入 SIM 卡

將 SIM 卡插入模塊背面的 SIM 卡插槽，金手指朝上，缺口朝外。

五、使用方法

1. 直接 USB 連接

可通過 USB 端口使用或測試 FONA 3G，需連接鋰電池以保持電源穩(wěn)定，還需天線和 SIM 卡。插入 SIM 卡、連接天線和 USB 電纜后，按下 KEY 按鈕 5 秒，計算機將識別多類型 USB 連接，安裝驅(qū)動后可得到 4 個設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、USB 診斷 COM 端口、NMEA COM 端口（GPS NMEA 原始輸出）和 USB AT 端口（用于發(fā)送命令）。

2. Arduino 連接

將排針焊接到 FONA 模塊后，插入面包板。連接 Vio 到 5V（3V 邏輯的 Arduino 連接到 3V），GND 連接到 GND，Key 連接到 GND（常開），RX 連接到數(shù)字 2，TX 連接到數(shù)字 3（Mega 連接到數(shù)字 10，Leonardo 和 Micro 連接到數(shù)字 9），RST 連接到數(shù)字 4。確保連接充滿電的鋰電池。

3. Arduino 測試

• 下載 Adafruit_FONA 庫：通過 Arduino 庫管理器搜索并安裝。
• 調(diào)整 FONA 3G 波特率：首次使用 FONA 3G 時，可能需要運行 FONA3G_setBaud 示例將波特率手動設(shè)置為 4800bps。
• 加載示例程序：打開 File -> Examples -> Adafruit_FONA -> FONAtest 并上傳到 Arduino。對于 FONA 3G，將 FONATest 中使用的構(gòu)造函數(shù)改為 Adafruit_FONA_3G。
• 使用測試程序：上傳程序后，以 115200 波特率打開串口控制臺，可通過菜單界面測試 FONA 的各項功能。

六、測試項目

1. 硬件測試

• 電池電壓：在命令窗口輸入“b”并發(fā)送，可讀取鋰電池電壓。
• 檢查 SIM CCID：輸入“C”可驗證 SIM 卡是否插入正確。

2. 網(wǎng)絡(luò)測試

• 檢查 RSSI：輸入“i”可獲取網(wǎng)絡(luò)信號強度，建議信號強度高于 5 以進行通話和短信等操作。
• 檢查網(wǎng)絡(luò)注冊：輸入“n”可檢查網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)，注冊成功后等待 5 - 10 秒再進行短信或通話操作。

3. 音頻設(shè)置與測試

• 設(shè)置和獲取音頻音量：使用“v”設(shè)置音量，“V”獲取音量，音量范圍為 0 - 100%。
• 設(shè)置音頻路徑：使用“H”設(shè)置為耳機音頻，“e”設(shè)置為外部音頻。
• 播放工具包音調(diào)：使用 tone #20（美國撥號音）測試音頻路徑。

4. 電話和短信功能

• 撥打電話：使用“c”撥打電話，“h”掛斷電話。
• 發(fā)送和讀取 SMS：可使用 Twitter 的 40404 短代碼發(fā)送短信進行測試，使用“N”查詢 SIM 卡中的短信數(shù)量，“R”讀取所有短信，“r”讀取單條短信，“d”刪除指定插槽的短信。

七、3G 與 FONA 800 & 808 的區(qū)別

1. SMS

• 索引不同：FONA 800 & 808 從 1 開始索引，F(xiàn)ONA 3G 從 0 開始索引。
• 發(fā)送額外行：FONA 3G 發(fā)送 SMS 后會返回兩組 CRLF，而 FONA 800 或 808 不會。
• 查詢回復(fù)不同：使用 AT + CPMS? 查詢 SMS 數(shù)量時，F(xiàn)ONA 800 & 808 的回復(fù)以 +CPMS: "SM_P" 開頭，F(xiàn)ONA 3G 以 +CPMS: "ME" 開頭。

2. 語音通話

FONA 800 和 808 的掛斷命令是 ATH0，F(xiàn)ONA 3G 是 ATH，且需發(fā)送 AT + CVHU = 0 命令讓 FONA 3G 監(jiān)聽 ATH 命令。

3. 其他差異

• 電池電壓測量：FONA 800 和 808 使用 AT + CBC 返回 4 位 mV 電壓，F(xiàn)ONA 3G 返回浮點數(shù)電壓。
• GPS：FONA 800 和 808 支持 GSMLOC（通過最近的基站三角定位），F(xiàn)ONA 3G 不支持。

八、常見問題解答

1. 是否需要鋰電池？

必須使用 1200mAh 以上的鋰電池，微 USB 僅用于充電，沒有電池模塊會閃爍，無法正常工作。

2. FONA 無法正常工作怎么辦？

可發(fā)送 ATZ 命令進行工廠復(fù)位，若設(shè)置了奇怪的固定波特率，可使用 USB 串口控制臺電纜快速更改波特率。

3. 語音通話時對方聽不到聲音怎么辦？

需使用兼容的耳機，也可使用外部音頻，但不能混合使用。同時，需使用庫函數(shù) fona.setAudio() 指定使用的音頻路徑。

4. FONA 與其他 Arduino 型號不兼容怎么辦？

目前 FONA 庫和擴展板僅與 Arduino UNO 兼容，其他平臺可能需要進行移植工作。

5. 能否同時充電和使用 FONA？

可以，鋰電池可作為備用電池，在充電時使用，若 USB 斷電，F(xiàn)ONA 仍可繼續(xù)工作。

6. FONA 無法開機或工作不穩(wěn)定怎么辦？

檢查電池極性，非 Adafruit 的電池可能引腳極性不正確，會損壞 FONA 或使其工作異常。

九、FONA 3G 小貼士

1. GPS 翻轉(zhuǎn)問題

2019 年 11 月，F(xiàn)ONA 的 GPS 單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)，日期會偏差 20 年，SIMCOM 沒有針對此問題的固件修復(fù)方案，建議從蜂窩服務(wù)獲取年/月/日信息。

2. 大文件傳輸

可使用 FTP 進行大文件傳輸，rozzie 在論壇上分享了相關(guān)使用技巧。

3. AT&T 與 T-Mobile 3G

美國版 FONA 3G 支持雙頻段 UMTS/HSDPA 850/1900MHz WCDMA + HSDPA，在美國只有 AT&T 支持這兩個頻段，使用 T-Mobile 或其經(jīng)銷商的 SIM 卡只能獲得 2G 支持。

4. 在澳大利亞的使用

澳大利亞 Telstra 的 2G 頻段為 900/1800MHz，3G 頻段為 850/2100MHz。歐洲版產(chǎn)品支持 900/2100MHz 頻段，美國版支持 850/1900MHz 頻段。在 Telstra 關(guān)閉 2G 網(wǎng)絡(luò)后，歐洲版產(chǎn)品無法連接 3G 低頻段，而美國版可以正常工作。

Adafruit FONA 3G Cellular + GPS Breakout 是一款功能強大的一體化模塊，但在使用過程中需要注意上述細節(jié)，希望本文能幫助電子工程師們更好地使用這款產(chǎn)品。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。