告别AT指令：ESP32通过PPPoS驱动4G模块上网

前言

在之前的文章中，我们都是利用ESP32自带的WiFi进行网络连接。但在户外或者没有WiFi覆盖的角落，想要让设备联网，就得请出“4G模块”了。

通常大家驱动4G模块（比如SIM800, Air724, EC20等）最原始的方法是用UART发送AT指令。
比如 AT+HTTPINIT、AT+HTTPPARA… 这种方式不仅繁琐，而且解析返回字符串简直是噩梦，写出来的代码全是状态机，一旦模块吐点乱码，程序直接暴毙。手动解析AT指令简直是坏文明！

为了优雅地使用4G模块，我决定使用 PPPoS(Point-to-Point Protocol over Serial)。
简单来说，就是把串口“伪装”成一个网卡。这样底层的TCP/IP协议栈（LwIP）就能直接接管网络，我们写上层代码时，完全不用关心是在用WiFi还是4G，直接调标准的Socket接口就完事了。

准备工作

1. 硬件连接

找一个支持PPP拨号的模块（市面上绝大多数Cat.1/Cat.4模块都支持）。
我用的是合宙的Air780EG, 这个模块属于4G+GNSS二合一模块, 在制作需要定位的设备很方便.
将模块的 TX/RX 接到 ESP32C3 的串口引脚上（记得共地）

PS: 模块进入PPPOS状态以后GPS就不能走主串口输出
好消息是我们可以使用ESP32C3的另外一个串口和GPS串口对接, 这样就可以同时使用GPS和4G PPPOS拨号了
比如说我用的是GPIO8和GPSTX连接, TXD0和RXD0接4G模块的主串口

核心代码实现

示例项目可以通过下面命令创建

idf.py create-project-from-example "espressif/esp_modem=1.0.3:pppos_client"

接下来会基于 ESP-IDF 的 pppos_client 示例解析解析并补充说明.

整个过程其实就分三步：定义事件、初始化DCE/DTE、切换到数据模式。

1. 事件处理 (Event Handler)

PPPoS 的运行依赖于事件驱动。我们需要监听 IP 层面的事件，当拿到 IP 地址时，才算真正联网成功。

modem_event.c

static EventGroupHandle_t event_group = NULL;
static const int CONNECT_BIT = BIT0;
static const int DISCONNECT_BIT = BIT1;

// 监听 IP 获取事件
static void on_ip_event(void *arg, esp_event_base_t event_base,
                        int32_t event_id, void *event_data)
{
    if (event_id == IP_EVENT_PPP_GOT_IP) {
        ip_event_got_ip_t *event = (ip_event_got_ip_t *)event_data;
        
        // 打印一下获取到的IP信息，看着就舒服
        ESP_LOGI(TAG, "Modem Connect to PPP Server");
        ESP_LOGI(TAG, "IP          : " IPSTR, IP2STR(&event->ip_info.ip));
        ESP_LOGI(TAG, "Netmask     : " IPSTR, IP2STR(&event->ip_info.netmask));
        ESP_LOGI(TAG, "Gateway     : " IPSTR, IP2STR(&event->ip_info.gw));
        
        // 通知主任务：我们连上网了！
        xEventGroupSetBits(event_group, CONNECT_BIT);
    } else if (event_id == IP_EVENT_PPP_LOST_IP) {
        ESP_LOGW(TAG, "Modem Disconnect from PPP Server");
        xEventGroupSetBits(event_group, DISCONNECT_BIT);
    }
}

2. 初始化与拨号

这一步是重头戏。我们需要初始化 Netif（网络接口），配置 DTE（数据终端设备，即ESP32C3端的UART），然后初始化 DCE（数据通信设备，即4G模块）。

main.c

void app_main(void)
{
    // 1. 初始化网络接口和事件循环
    ESP_ERROR_CHECK(esp_netif_init());
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_loop_create_default());
    ESP_ERROR_CHECK(esp_event_handler_register(IP_EVENT, ESP_EVENT_ANY_ID, &on_ip_event, NULL));

    event_group = xEventGroupCreate();

    // 1.5 重启模块, 我的模块Reset脚接的GPIO7
    gpio_config_t io_config = {.pin bit mask = BIT64(7),
                               .mode = GPIO MODE OUTPUT};
    gpio_config(&io_config);
    gpio_set_level(7，0);
    TaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
    gpio_set_level(7，1);
    // 2. 配置 PPP 网络接口
    esp_modem_dce_config_t dce_config = ESP_MODEM_DCE_DEFAULT_CONFIG("cmnet"); // APN通常是cmnet
    esp_netif_config_t netif_ppp_config = ESP_NETIF_DEFAULT_PPP();
    esp_netif_t *esp_netif = esp_netif_new(&netif_ppp_config);

    // 3. 配置串口 (DTE)
    esp_modem_dte_config_t dte_config = ESP_MODEM_DTE_DEFAULT_CONFIG();
    dte_config.uart_config.tx_io_num = 21; // TX引脚
    dte_config.uart_config.rx_io_num = 20; // RX引脚
    dte_config.uart_config.flow_control = ESP_MODEM_FLOW_CONTROL_NONE; // 没接流控线就选NONE

    // 4. 创建 Modem 对象 (这里根据实际型号选择, 由于没有Air780eg的配置,所以使用的ESP_MODEM_DCE_CUSTOM)
    ESP_LOGI(TAG, "Initializing esp_modem...");
    esp_modem_dce_t *dce = esp_modem_new_dev(ESP_MODEM_DCE_CUSTOM, &dte_config, &dce_config, esp_netif);
    
    // 5. 检查信号质量, 如果没有信号, 很大概率会有问题, 4G模块可能没有正常工作
    int rssi, ber;
    if (esp_modem_get_signal_quality(dce, &rssi, &ber) == ESP_OK) {
        ESP_LOGI(TAG, "Signal quality: rssi=%d, ber=%d", rssi, ber);
    }

    // 6. 关键步骤：切换到 DATA 模式！
    // 这一步之后，串口就变成了透明传输的网卡通道，不能再发AT指令了
    ESP_LOGI(TAG, "Switching to Data Mode...");
    esp_err_t err = esp_modem_set_mode(dce, ESP_MODEM_MODE_DATA);
    if (err != ESP_OK) {
        ESP_LOGE(TAG, "Failed to enter data mode!");
        return;
    }

    // 7. 等待获取 IP
    ESP_LOGI(TAG, "Waiting for IP address...");
    xEventGroupWaitBits(event_group, CONNECT_BIT, pdFALSE, pdFALSE, portMAX_DELAY);

    // 到这里，你已经连上网了！
    // 可以尝试 Ping 一下
    ESP_LOGI(TAG, "Pinging example.com...");
    esp_console_run("ping example.com", NULL);
}

尤其要注意初始化之前进行模块的重启, 官方例子已经没有这部分代码了.所以我们手动补充在初始化之前

如果一切顺利就会看到下图ping成功的输出

踩坑小记

在调试过程中遇到过几个坑，顺便记录一下：

1. 供电问题：4G模块瞬时电流很大，普通的3.3V LDO通常扛不住，导致模块会反复重启, 建议单独给模块供电。我用了一个DCDC提供3.9V电压给模块.
2. 流控：如果你的线没接 RTS/CTS，一定要在配置里把 flow_control 设为 ESP_MODEM_FLOW_CONTROL_NONE，否则数据发不出去。
3. APN：虽然现在很多卡都能自动识别APN，但最好还是显式指定一下（移动通常是 cmnet，联通 3gnet）。
4. 4G模块初始化： RESET脚也得用ESP32 GPIO控制, 用于4G模块初始化重启

总结

使用 PPPoS 后，4G 模块的使用体验和 WiFi 几乎没有区别。
配合我在《ESP32异步网络请求》中介绍的 AsyncHTTP 或者 MQTT 库，就可以轻松地把设备部署到野外了。

那么，古尔丹，代价是什么呢?

答案是功耗爆炸.
由于4G模块一直处于数据模式, 如果需要发送一些功耗优化的AT指令, 比如飞行模式, 休眠. 那么会异常麻烦, 每次都需要切换回Command模式再发送指令.
如果和我一样是自带的GPS功能的4G模块, 那么功耗更是爆炸, 想要独立控制GPS电源必须通过AT指令, 来回切换失败风险很高.

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参考资料

• ESP-IDF Modem Component
• LwIP PPPoS Interface