Arduino で SORACOM SIM を使ってなるべく安く通信する方法

用意するもの

準備（はんだ付け）

さて、モノが揃ったら準備を始めましょう。準備と言っても、メインははんだ付けをすることです。

以下、ちょっと長くなりますが、まず「なぜはんだ付けが必要なのか」を説明します。

Arduino で 3G/LTE 通信モジュールを使おうと思ったら、何らかのインターフェースで Arduino と通信モジュールを接続しなければいけません。
通信モジュールは大抵、USB や UART などのインターフェースを持っています。

今回使おうとしている UC20-G Mini PCIe に搭載されているチップ（UC20-G）の ハードウェアデザイン を見ると、このチップも USB と UART のインターフェースを持っています。

USB インターフェース経由でこのモジュールを使おうと思うと、Arduino の場合は USB Host Shield を用いて接続し、さらにドライバのコードを書かなければいけません。USB Host Shield 用のライブラリには、UC20-G に適合するドライバが標準では含まれていないように思われるためです。（4種類くらい入っているドライバを試しましたが、いずれも動作しませんでした）
ソフトウェアエンジニアとしては UC20-G 用のドライバを書く方向で解決したかったのですが、ドライバを書くための各種情報が少なく、いったん断念しました。

ということで USB インターフェースを使うのは難しそうなので、UART インターフェースを使うことを考えます。

UC20-G の UART インターフェースは、デフォルトでは 115200 bps のボーレートで通信するようです。
一方、Arduino の GPIO ピンを用いて SoftwareSerial で通信しようと思うと、最大通信速度は 115200 bps に対応していない模様です。
AT コマンドを送ればこの設定を変更してもっと低い速度でも通信できるようになるようですが、そもそも接続できなければ設定変更のしようもありません。
他の手段で（たとえば PC などに接続して）AT コマンドを送って UART の速度を変更してから Arduino につなぎ直しても良いのですが、万が一デフォルト値の 115200bps にリセットされてしまった場合などに再度設定し直すという面倒なことをしなければいけなくなります。

それであれば、最初からハードウェア UART インターフェースを搭載していて 115200bps にも問題なく対応できる Arduino を使ったほうが良いだろう、という判断です。

また、UC20-G の UART は 3.3V 駆動なので、いずれにせよ私の持っていた 5V 駆動の Arduino ではレベルシフタなどを使って 3.3V に降圧する必要があります。

ということで、ハードウェア UART インターフェース搭載かつ 3.3V 駆動の Arduino を使い、UC20-G の UART インターフェースに接続することにしました。

あとは、Arduino のハードウェア UART のピンと、UC20-G の UART のピンを接続するだけです。UC20-G のチップは下の図のようなピン配置になっています。

しかし、実物のモジュールを見ていただくとわかると思うのですが、ピンの露出している部分が非常に小さく、はんだ付けが難しそうに感じました。

一方、Mini PCIe のピン配置は以下のようになっています。

こちらは Mini PCIe → USB 変換基板のコネクタに嵌合させる部分なのでここにはんだ付けはできません。
したがって Mini PCIe → USB 変換基板のコネクタ側にはんだ付けをすることを考えます。

こちらはピンのピッチが非常に狭く、手作業ではんだ付けするのは至難の業に思われました（実際にとても難しく、何度か挑戦してやっと成功しました）が、万が一失敗して壊してしまうようなことがあっても1,000円程度で買い直すことができるということで多少精神的な障壁が低かったのでこちらにはんだ付けすることにしました。

決してきれいなはんだ付けではありませんが😅、これでもなんとか動いています。ホットボンドなどで固定&絶縁したほうがよいかもしれません。

すべて組み合わせるとこのような感じになります。

AT コマンド投入！

さて、これで実際にソフトウェアを動かしてみましょう。

PC で Arduino の IDE を立ち上げて、以下のコードを入力します。

#define UC20UART (Serial1)

void setup() {
  SerialUSB.begin(9600);
  delay(3000);
  SerialUSB.println("Connecting ... ");
  UC20UART.begin(115200);
  while (!UC20UART) {
    ;
  }
  UC20UART.println("AT");

}

void loop() {
  if (UC20UART.available()) {
    SerialUSB.write(UC20UART.read());
  }
  if (SerialUSB.available()) {
    UC20UART.write(SerialUSB.read());
  }
}

これをコンパイルしてアップロードします。
このコードは、PC 側との接続に使っているシリアルポートと、UC20-G との接続に使っているシリアルポートを相互に接続しているようなイメージです。つまり、Arudino IDE の Serial Monitor で入力した文字列は UC20-G に送られ、UC20-G からの応答は Serial Monitor に表示されます。

アップロードが完了したら、Serial Monitor を立ち上げます。

Connecting ...
AT
OK

と表示されていたら成功です！

改行コードを CR+LF を送るように変更し（Both NL & CR を選択）、入力欄から AT コマンドを送るようにしてみましょう。

SORACOM の Global 向けの Plan 01 Low Data Volume の SIM を用いる前提で、以下のようにコマンドを入力すると良いでしょう。

AT+QCFG="roamservice",2,1
AT+COPS=1,2,"44010"2
AT+QICSGP=1,1,"soracom.io","sora","sora",0
AT+QIACT=1

ここまで実行し、すべて OK というレスポンスが返ってきたとすると、コンソール画面上で SIM がオンラインになっているはずです！

あとは

AT+QIOPEN=1,0,"TCP","harvest.soracom.io",8514
AT+QISEND=0
{"a":1,"b":2}
(Ctrl-z)
AT+QICLOSE=0

とかをスケッチから送信するようにすれば、Harvest にデータを送ることができます。
（Ctrl-z を Serial Monitor から送る方法がわからなかったのでスケッチの中に UC20UART.write(0x1a) と書きました）

Harvest にデータが届いた様子:

同様に Beam や Funnel も使えそうですね。

AT コマンドのリファレンスは、Quectel のサイトからダウンロードできますので、それぞれどういう意味か確認してみてください。

ということで駆け足になりましたが Arduino で SORACOM SIM をなるべく安く使う方法（ただしはんだ付けができる人に限る）でした！