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。

二、实例代码

2.1 服务器信息

下面是我采用华为云MQTT物联网服务器创建的设备信息。

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

cpp
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：

cpp
# -*- 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：

cpp
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：

cpp
#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：

cpp
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：

   bash
   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：

   bash
   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：

python
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()