文建闊， 昂志敏， 李敏杰， 李 耀

（合肥工業(yè)大學(xué) 計(jì) 算機(jī)與信息學(xué)院，安徽 合 肥 230009）

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，車載移動(dòng)終端無線傳輸已發(fā)展成為集遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、定位、遠(yuǎn)程保密操作和監(jiān)聽、車載電話、車輛調(diào)度的超級(jí)移動(dòng)終端傳輸系統(tǒng)［1］，并廣泛應(yīng)用于安防、衛(wèi)生、氣象、軍事等領(lǐng)域。本文給出了一種基于Hi3512芯片的車載移動(dòng)終端無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［2］。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

車載移動(dòng)終端的無線傳輸主要由GPS定位、音視頻采集、無線通信鏈路和監(jiān)控中心組成。GPS定位主要接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過Hi3512芯片中ARM處理器提取其有用信息，包括自身所在的地理位置坐標(biāo)、速度、時(shí)間等；音視頻采集主要采集音頻、視頻、圖像數(shù)據(jù)，通過Hi3512芯片中ARM處理器進(jìn)行編碼，然后一起組成自定義的通信協(xié)議格式，進(jìn)一步打包成IP數(shù)據(jù)包，并通過3G無線通信模塊傳送到3G基站，利用VPN網(wǎng)絡(luò)［3］，將此數(shù)據(jù)包發(fā)送到監(jiān)控中心；無線通信鏈路主要完成信息的交互；監(jiān)控中心完成對(duì)車輛的監(jiān)控、軌跡回放、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作。

虛擬專用網(wǎng)絡(luò) VPN（Virtual Private Network，簡(jiǎn)稱VPN）是指通常利用因特網(wǎng)構(gòu)建的虛擬專用或私有網(wǎng)絡(luò)［3］，既是一種新型的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問技術(shù)，又是一種特殊的通信環(huán)境。VPN的安全性是將原始數(shù)據(jù)加密通過VPN網(wǎng)絡(luò)傳輸，并保持加密數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、可用性、可控性和可審計(jì)性，對(duì)任何未授權(quán)的第3方完全透明，從而達(dá)到與專用網(wǎng)絡(luò)幾乎相同的安全級(jí)別。VPN網(wǎng)絡(luò)主要涉及加解密技術(shù)、隧道技術(shù)、密鑰管理技術(shù)及身份認(rèn)證技術(shù)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

車載移動(dòng)終端無線傳輸?shù)挠布糠种饕ǎ褐骺啬K（Hi3512）、GPS接收模塊、3G模塊、電源模塊以及外部存儲(chǔ)模塊6個(gè)部分［4］，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

Hi3512是一款基于ARM926EJ－S處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器，具有高集成、可編程、支持 MPEG－4AVC／H.264和MJPEG等多協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，支持30fps DI的H.264／MJPEG同時(shí)編解碼或60fps DI和60fps CIF的H.264／MJPEG的雙碼流編碼。其內(nèi)部硬件集成AES／DES／3DES多種加解密算法和數(shù)字水印技術(shù)，并提供豐富的外圍接口，包括PCI、SDIO、12C、I2S、SPI、GPIO、IR、UART、USBl.0HOST和USB2.0OTG等，可廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)視頻通信及數(shù)字圖像監(jiān)控等領(lǐng)域。

2.1 車載移動(dòng)終端無線傳輸?shù)墓ぷ髟?/h3>

攝像頭采集的數(shù)據(jù)通過PAL制的CVBS信號(hào)輸入到工作在主模式TW2865芯片中，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，由BT.656／601接口或DC接口接收轉(zhuǎn)換成CIF格式的信號(hào)，對(duì)圖像進(jìn)行水平濾波，并通過AHB內(nèi)部總線把接收到的原始圖像寫入到外存（DDR SDRAM）中。視頻編解碼器讀取外存中視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行H.264編碼，包括幀內(nèi)預(yù)測(cè)、幀間預(yù)測(cè)、DCT變換、量化、熵編碼、IDCT變換、反量化、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)炔僮?，將編碼后的碼流和編碼重構(gòu)幀（作為下一幀的參考幀）通過PCI－SATA電路寫入到外存中［4］。音頻信號(hào)的處理方法亦是如此［5－7］。

GPS模塊實(shí)時(shí)采集定位信息［1－2］，通過 AHB內(nèi)部總線把接收到的定位信息寫入到外存（DDR SDRAM）中，經(jīng)過ARM處理器讀取外存中的定位信息，并解析提取出車輛的時(shí)間信息及空間坐標(biāo)等信息，將提取的定位信息寫入到外存中。

通過ARM處理器向無線模塊發(fā)送AT指令對(duì)以上所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，在監(jiān)控前端對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議棧封裝，打包成IP數(shù)據(jù)包，通過USB端口發(fā)送到CDMA2000無線模塊中，把數(shù)據(jù)發(fā)送到CDMA2000無線網(wǎng)絡(luò)，通過VPN服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)（包括首部）在被封裝前進(jìn)行加密，傳輸?shù)絍PN網(wǎng)絡(luò)上，然后通過VPN虛擬通道發(fā)送IP數(shù)據(jù)包，到達(dá)VPN服務(wù)器后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，在監(jiān)控中心通過對(duì)IP數(shù)據(jù)包解包、播放以及顯示采集到的數(shù)據(jù)［6－9］。

2.2 無線傳輸模塊的硬件連接

本系統(tǒng)的3G無線模塊采用的是中興公司的MC8630，它具有語音、短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和GPS等功能［5］，支持內(nèi)嵌 TCP／IP、RevA 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)前向峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)3.1Mb／s，反向峰值數(shù)據(jù)速率1.8Mb／s，可以提供經(jīng)濟(jì)型高速互聯(lián)網(wǎng)接入和無線數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。

Hi3512和MC8630通過USB口連接，并通過Hi3512的RS232接口發(fā)送AT指令，控制對(duì)采集數(shù)據(jù)的打包。主芯片Hi3512和MC8630的連接如圖2所示。

圖3 Hi3512和MC8630連接圖

（1）LM317是一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，Hi3512的USB口的輸出電壓是5V，需要用LM317轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成MC8630的典型電壓3.6V。

（2）MC8630模塊中的VCHG引腳和VMAIN引腳連接，使模塊具有自動(dòng)開機(jī)功能。

（3）Hi3512的 USB－DM、USB－DP引腳分別接MC8630模塊的USB－D＋、USB－D－引腳，用來傳送差分?jǐn)?shù)據(jù)。

（4）Hi3512的GPIO－EN引腳和 MC8630模塊的PON－RESET引腳連接，用來控制模塊的復(fù)位，并且低電平有效。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

車載移動(dòng)終端無線傳輸?shù)能浖糠种饕ǎ篜S和音視頻的數(shù)據(jù)采集和編碼設(shè)計(jì)、無線傳輸設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心控制設(shè)計(jì)。

3.1 GPS和音視頻的數(shù)據(jù)采集和編碼設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計(jì)框圖，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)框圖

以視頻的采集和編碼為例，首先打開采集設(shè)備文件，攝像頭在系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件為／dev／camera，通過系統(tǒng)調(diào)用open（“／dev／camera”，o－RDWR）函數(shù)打開設(shè)備，獲得一個(gè)文件描述符fd，通過iocal（fd，VIDIOCGPICT，＆Capability）函數(shù)獲取攝像頭相關(guān)信息，通過調(diào)用iocal（fd，VIDIOCGPICT，＆Picture）獲得圖像的相關(guān)信息，在獲得這些信息后，再通過系統(tǒng)調(diào)用ioctl（fd，VIDIOCSPICT，＆）函數(shù)寫入設(shè)備，通過調(diào)用iocal（fd，VIDIOCMCAPTURE，＆grab－buf）啟動(dòng)捕 獲 過 程，調(diào) 用 iocal（fd，VIDIOCSYNC，＆frame）判斷是否采集完畢，最后調(diào)用close（fd）函數(shù)關(guān)閉設(shè)備［10］。采集到的數(shù)據(jù)需要通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸，首先創(chuàng)建音視頻編碼通道，并設(shè)置相應(yīng)的編碼協(xié)議、編碼通道屬性、編碼類型和編碼的緩存大小，同時(shí)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。再次創(chuàng)建處理后數(shù)據(jù)的復(fù)合編碼通道，保證其碼流對(duì)應(yīng)同一編碼通道，最后啟動(dòng)復(fù)合數(shù)據(jù)編碼通道，并獲取復(fù)合編碼通道的編碼流［6－8］。

3.2 無線傳輸設(shè)計(jì)

無線傳輸主要由MC8630模塊、VPN服務(wù)器和VPN虛擬通道組成，完成對(duì)數(shù)據(jù)的打包、加密、傳輸和解密，然后傳送給監(jiān)控中心。

Internet應(yīng)用層軟件開發(fā)主要使用傳輸控制協(xié)議TCP和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［11－12］。TCP采用丟幀重發(fā)的方法提供有可靠保障的數(shù)據(jù)流服務(wù)，UDP提供“盡最大可能地交付”高效小時(shí)延但不可靠的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。根據(jù)各自的特點(diǎn)，使用TCP傳輸有質(zhì)量要求的控制命令（各路狀態(tài)控制、云臺(tái)控制、傳輸文件、遠(yuǎn)程解密等），用UDP迅速傳輸大量的音視頻和GPS數(shù)據(jù)，降低了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問題。

監(jiān)控中心撥打車載移動(dòng)終端中內(nèi)置的UIM卡電話號(hào)碼，呼叫車載移動(dòng)終端；車載移動(dòng)終端可以通過主芯片調(diào)用MC8630模塊的AT指令，也可以完成車載移動(dòng)終端呼叫監(jiān)控中心。呼叫成功后，請(qǐng)求給車載移動(dòng)終端分配IP地址，發(fā)出一個(gè)收發(fā)端口地址連接請(qǐng)求，注冊(cè)成功后也就建立了車載移動(dòng)終端和監(jiān)控中心的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境。接著，監(jiān)控中心向車載移動(dòng)終端發(fā)送監(jiān)控命令，通過MC8630無線模塊傳送執(zhí)行監(jiān)控中心命令，然后把壓縮的復(fù)合編碼通道的編碼流打包成IP數(shù)據(jù)包，通過VPN虛擬通道向監(jiān)控中心發(fā)送。

3.3 監(jiān)控中心模塊

監(jiān)控中心通過VPN網(wǎng)絡(luò)接收到解密數(shù)據(jù)，收到IP數(shù)據(jù)包后，分析IP包頭、更新IP包數(shù)等信息，并整理IP包的順序等IP解包動(dòng)作，對(duì)發(fā)送來的IP數(shù)據(jù)包統(tǒng)計(jì)出丟包率、接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)、亂序等。調(diào)整好后再通過解碼程序進(jìn)行解碼處理，從IP數(shù)據(jù)包中拆分出GPS數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)，根據(jù)需要分別進(jìn)行存儲(chǔ)，也可以分別對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和對(duì)音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，在顯示模塊中顯示車輛定位信息和播放音視頻信號(hào)。

4 系統(tǒng)測(cè)試效果

（1）3G模塊在數(shù)據(jù)通信時(shí)，電源波動(dòng)約在45 mV以下。GPS初始定位時(shí)間3s內(nèi)，目標(biāo)定位精度小于10m。

（2）該系統(tǒng)在帶寬有限的情況下，能較好地工作，在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的最大幀頻可達(dá)到25fps，視頻分辨率最大能達(dá)到CIF（352×288像素），傳輸速率能達(dá)到700～800kb／s，視頻流暢。在數(shù)據(jù)傳送過程中能達(dá)到保密效果。

（3）解碼程序能同時(shí)處理9、16、25、36路視頻信號(hào)不出現(xiàn)阻塞，由于可用于測(cè)試的車載移動(dòng)終端數(shù)有限，采用預(yù)存信號(hào)的方法模擬。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到工業(yè)要求。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)選用Hi3512內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)芯片，加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)降低了系統(tǒng)的開發(fā)周期和難度。該車載移動(dòng)終端無線傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的車載終端傳輸系統(tǒng)相比，具有數(shù)據(jù)采集量大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，尤其是采用VPN網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

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