Adafruit FONA 3G Cellular + GPS Breakout：功能强大的一体化模块

在物联网和嵌入式系统开发中，一款功能强大且易于集成的通信与定位模块至关重要。Adafruit FONA 3G Cellular + GPS Breakout 就是这样一款备受关注的产品，下面就为大家详细介绍它的特点、使用方法以及相关注意事项。

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一、模块概述

FONA 3G 是一款 3G 蜂窝调制解调器扩展板，尺寸仅为 1.75"x1.6"，却集成了众多强大的功能。其核心是强大的 GSM 蜂窝模块（采用最新的 SIM5320），并集成了 GPS 功能。它具有以下特点：

1. 广泛的网络支持：支持四频段 GSM（850MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz），可连接全球任何 2G SIM 卡的 GSM 网络。美国版本支持双频段 UMTS/HSDPA 850/1900MHz WCDMA + HSDPA，欧洲版本支持双频段 UMTS/HSDPA 900/2100MHz WCDMA + HSDPA。
2. 集成 GPS：采用 Qualcomm PM8015 GPS，可通过同一串口进行控制和查询。GPS 具有 16 个采集通道，支持 GPS L1 C/A 代码，跟踪灵敏度为 -157 dBm，冷启动灵敏度为 -144 dBm，冷启动时间约为 100s，热启动时间约为 1s，定位精度约为 2.5 米。不过，建议使用有源天线以获得更好的性能。
3. 丰富的通信功能：可进行语音通话（使用耳机或外部 8Ω 扬声器 + 驻极体麦克风）、收发 SMS 消息、收发 GPRS 数据（支持 TCP/IP、HTTP 等）。
4. 多种波特率支持：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 等多种波特率。
5. 原生 USB 支持：插入计算机后，可获得用于 AT 命令、GPS NMEA 输出以及调制解调器的串口。

二、获取 SIM 卡

要使用 FONA 的电话功能，需要一张 SIM 卡。2G 或 3G Mini SIM 卡均可，大多数手机店都可购买。在美国，FONA 800 和 808 仅支持 2G SIM 卡，可选择 T-Mobile 或其经销商的 SIM 卡；FONA 3G 支持 2G 或 3G，在 3G 模式下仅支持 AT&T，但 AT&T 正在逐步淘汰其 2G 网络。Adafruit 现在销售的 TING SIM 卡是一个不错的选择，它支持 2G + 3G，且计费系统良好，按使用量付费。

部分 FONA 用户分享了获取 SIM 卡的经验：

• 使用沃尔玛的“Walmart Family Mobile”SIM 卡，它是 T-Mobile 的经销商，SIM 卡费用为 25 美元，每月 30 美元可享受无限通话和短信，40 美元可享受无限通话、短信和数据，且无合约。
• T-Mobile 可预付费购买通话分钟数，性价比不错。
• Telna 的 SIM 卡每年 20 美元，包含 1000 条免费短信和其他功能。
• 一些专业的“机器对机器”SIM 卡卖家提供适合此类模块短时间使用的套餐。

三、引脚说明

1. 连接器

• JST 2 - pin：电池输入连接器，建议使用 500mAh 或 1200mAh 的锂电池。
• MicroUSB 连接器：用于锂电池充电，最大充电电流为 500mA。
• 耳机插孔：标准的 TRRS 3.5mm 耳机插孔，支持立体声耳机和单声道麦克风，兼容“iPhone”或“Android”耳机（非原装 iPhone 耳机）。

2. 天线端口

• GSM 天线端口：可使用 uFL GSM 天线或通过 uFL 转 SMA 适配器连接 SMA 天线。
• GPS 天线端口：建议使用有源 GPS 天线，并短接标有“bias”的焊盘。

3. SIM 连接器

位于模块背面，需插入 2G 或 3G Mini SIM 卡，MicroSIM 卡无法使用。

4. 底部引脚

• Vio：最重要的引脚，需提供 3V - 5V 的外部电压以设置逻辑电平转换器。
• Key：电源开/关指示引脚，需将其接地 3 - 5 秒来开启或关闭模块。
• 5V：当 microUSB 连接并供电时，提供 5V 电压。
• PS：电源状态引脚，模块关机时为低电平，开机时为高电平。
• NS：网络状态引脚，与网络指示灯相连，可通过指示灯闪烁判断模块状态。
• Reset：模块硬复位引脚，将其拉低 100ms 可进行硬复位。
• RX & TX：UART 引脚，用于发送和接收命令及数据，自动波特率。
• RTSin、CTSout、DTR：硬件流控制引脚。
• RI：振铃指示引脚，可配置为在收到来电或短信时变为低电平。
• SPK + 和 -：用于连接外部 8 欧姆扬声器。
• MIC + 和 -：用于连接外部驻极体麦克风，模块会为麦克风提供 2V 偏置电压。

5. 指示灯

• PWR：绿色，模块启动并运行时亮起。
• NET：红色，不同闪烁模式表示不同的网络状态。
• Charging：橙色，指示锂电池正在充电。
• Done：绿色，指示电池充电完成。

四、组装步骤

1. 准备排针

根据需要裁剪排针长度，并将其插入面包板，长引脚朝下，便于焊接。

2. 安装扩展板

将扩展板放在排针上，使短引脚穿过扩展板的焊盘。

3. 焊接

确保焊接所有引脚，以保证可靠的电气连接。可参考 Adafruit 的焊接指南获取焊接技巧。

4. 连接天线和电池

连接电池、GPS 天线和 GSM 天线，注意电池极性。

5. 插入 SIM 卡

将 SIM 卡插入模块背面的 SIM 卡插槽，金手指朝上，缺口朝外。

五、使用方法

1. 直接 USB 连接

可通过 USB 端口使用或测试 FONA 3G，需连接锂电池以保持电源稳定，还需天线和 SIM 卡。插入 SIM 卡、连接天线和 USB 电缆后，按下 KEY 按钮 5 秒，计算机将识别多类型 USB 连接，安装驱动后可得到 4 个设备：调制解调器设备、USB 诊断 COM 端口、NMEA COM 端口（GPS NMEA 原始输出）和 USB AT 端口（用于发送命令）。

2. Arduino 连接

将排针焊接到 FONA 模块后，插入面包板。连接 Vio 到 5V（3V 逻辑的 Arduino 连接到 3V），GND 连接到 GND，Key 连接到 GND（常开），RX 连接到数字 2，TX 连接到数字 3（Mega 连接到数字 10，Leonardo 和 Micro 连接到数字 9），RST 连接到数字 4。确保连接充满电的锂电池。

3. Arduino 测试

• 下载 Adafruit_FONA 库：通过 Arduino 库管理器搜索并安装。
• 调整 FONA 3G 波特率：首次使用 FONA 3G 时，可能需要运行 FONA3G_setBaud 示例将波特率手动设置为 4800bps。
• 加载示例程序：打开 File -> Examples -> Adafruit_FONA -> FONAtest 并上传到 Arduino。对于 FONA 3G，将 FONATest 中使用的构造函数改为 Adafruit_FONA_3G。
• 使用测试程序：上传程序后，以 115200 波特率打开串口控制台，可通过菜单界面测试 FONA 的各项功能。

六、测试项目

1. 硬件测试

• 电池电压：在命令窗口输入“b”并发送，可读取锂电池电压。
• 检查 SIM CCID：输入“C”可验证 SIM 卡是否插入正确。

2. 网络测试

• 检查 RSSI：输入“i”可获取网络信号强度，建议信号强度高于 5 以进行通话和短信等操作。
• 检查网络注册：输入“n”可检查网络注册状态，注册成功后等待 5 - 10 秒再进行短信或通话操作。

3. 音频设置与测试

• 设置和获取音频音量：使用“v”设置音量，“V”获取音量，音量范围为 0 - 100%。
• 设置音频路径：使用“H”设置为耳机音频，“e”设置为外部音频。
• 播放工具包音调：使用 tone #20（美国拨号音）测试音频路径。

4. 电话和短信功能

• 拨打电话：使用“c”拨打电话，“h”挂断电话。
• 发送和读取 SMS：可使用 Twitter 的 40404 短代码发送短信进行测试，使用“N”查询 SIM 卡中的短信数量，“R”读取所有短信，“r”读取单条短信，“d”删除指定插槽的短信。

七、3G 与 FONA 800 & 808 的区别

1. SMS

• 索引不同：FONA 800 & 808 从 1 开始索引，FONA 3G 从 0 开始索引。
• 发送额外行：FONA 3G 发送 SMS 后会返回两组 CRLF，而 FONA 800 或 808 不会。
• 查询回复不同：使用 AT + CPMS? 查询 SMS 数量时，FONA 800 & 808 的回复以 +CPMS: "SM_P" 开头，FONA 3G 以 +CPMS: "ME" 开头。

2. 语音通话

FONA 800 和 808 的挂断命令是 ATH0，FONA 3G 是 ATH，且需发送 AT + CVHU = 0 命令让 FONA 3G 监听 ATH 命令。

3. 其他差异

• 电池电压测量：FONA 800 和 808 使用 AT + CBC 返回 4 位 mV 电压，FONA 3G 返回浮点数电压。
• GPS：FONA 800 和 808 支持 GSMLOC（通过最近的基站三角定位），FONA 3G 不支持。

八、常见问题解答

1. 是否需要锂电池？

必须使用 1200mAh 以上的锂电池，微 USB 仅用于充电，没有电池模块会闪烁，无法正常工作。

2. FONA 无法正常工作怎么办？

可发送 ATZ 命令进行工厂复位，若设置了奇怪的固定波特率，可使用 USB 串口控制台电缆快速更改波特率。

3. 语音通话时对方听不到声音怎么办？

需使用兼容的耳机，也可使用外部音频，但不能混合使用。同时，需使用库函数 fona.setAudio() 指定使用的音频路径。

4. FONA 与其他 Arduino 型号不兼容怎么办？

目前 FONA 库和扩展板仅与 Arduino UNO 兼容，其他平台可能需要进行移植工作。

5. 能否同时充电和使用 FONA？

可以，锂电池可作为备用电池，在充电时使用，若 USB 断电，FONA 仍可继续工作。

6. FONA 无法开机或工作不稳定怎么办？

检查电池极性，非 Adafruit 的电池可能引脚极性不正确，会损坏 FONA 或使其工作异常。

九、FONA 3G 小贴士

1. GPS 翻转问题

2019 年 11 月，FONA 的 GPS 单元发生翻转，日期会偏差 20 年，SIMCOM 没有针对此问题的固件修复方案，建议从蜂窝服务获取年/月/日信息。

2. 大文件传输

可使用 FTP 进行大文件传输，rozzie 在论坛上分享了相关使用技巧。

3. AT&T 与 T-Mobile 3G

美国版 FONA 3G 支持双频段 UMTS/HSDPA 850/1900MHz WCDMA + HSDPA，在美国只有 AT&T 支持这两个频段，使用 T-Mobile 或其经销商的 SIM 卡只能获得 2G 支持。

4. 在澳大利亚的使用

澳大利亚 Telstra 的 2G 频段为 900/1800MHz，3G 频段为 850/2100MHz。欧洲版产品支持 900/2100MHz 频段，美国版支持 850/1900MHz 频段。在 Telstra 关闭 2G 网络后，欧洲版产品无法连接 3G 低频段，而美国版可以正常工作。

Adafruit FONA 3G Cellular + GPS Breakout 是一款功能强大的一体化模块，但在使用过程中需要注意上述细节，希望本文能帮助电子工程师们更好地使用这款产品。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。