黎珠博

（廣東省地震局，廣州 510070）

0 引言

“十一五”期間，廣東省地震局按照中國(guó)地震局的統(tǒng)一部署，進(jìn)行了前兆設(shè)備的升級(jí)改造工作。由于標(biāo)配的工控設(shè)備不具備無(wú)線路由的功能，為更好地整合標(biāo)配設(shè)備的功能，方便組網(wǎng)傳輸，結(jié)合應(yīng)用的需要，自行開(kāi)發(fā)了一款基于ARM9的地震前兆VPN路由器。目前，該路由器已經(jīng)投入到前兆臺(tái)站試運(yùn)行。下面將圍繞路由器的方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等幾方面展開(kāi)敘述。

1 概述

1.1 ARM簡(jiǎn)介

ARM（Advanced RISC Machines）是一個(gè) 32 位精簡(jiǎn)指令集處理器架構(gòu)，廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具有體積小、低功耗、低成本、高性能等特點(diǎn)，非常適用于移動(dòng)通信領(lǐng)域。ARM根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)處理器的需求，主要包括 ARM7系列、ARM9系列、ARM10系列、ARM11系列以及CortexM/R/A系列。在今日，ARM家族占了所有32位嵌入式處理器75%的比例，是全世界最多數(shù)的32位架構(gòu)之一。

1.2 CDMA簡(jiǎn)介

CDMA，中文名稱是碼分多址， 是與GSM并列的移動(dòng)通信技術(shù)，是一種基于數(shù)字?jǐn)U頻的嶄新而成熟的無(wú)線通信技術(shù)。相比較其它系統(tǒng)，它具有抗干擾性好，抗多徑衰落，保密安全性高等特點(diǎn)。

2 地震前兆VPN路由器的設(shè)計(jì)方案

“十一五”期間，廣東省地震局對(duì)前兆臺(tái)站技術(shù)設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造。其中，在數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)方面，結(jié)合日常應(yīng)用的需要，綜合考慮了有線、無(wú)線、VPDN（Virtual Private Data Network，虛擬專用數(shù)據(jù)網(wǎng)）和VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)）等功能需求，自行試制了一款支持有線、無(wú)線接入并且具備路由、VPDN和VPN撥號(hào)功能的地震前兆VPN路由器。地震前兆VPN路由器硬件的核心包括嵌入式核心主板、功能底板和CDMA模塊。嵌入式核心主板微處理器選用三星公司的S3C2440，自身具備網(wǎng)絡(luò)功能；CDMA模塊選用WAVECOM公司的Q2358C，Q2358C模塊通過(guò)USB接口與S3C2440實(shí)現(xiàn)底層硬件的通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)線功能。軟件方面采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，用pppd和FreeSWAN兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)VPDN撥號(hào)登錄移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及VPN的功能。

3 地震前兆VPN路由器的硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件架構(gòu)及組成

路由器采用ARM9微處理器架構(gòu)，由功能底板和核心主板兩部分構(gòu)成嵌入式模塊，外接WAVECOM公司的Q2358C CDMA模塊構(gòu)成整機(jī)，硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 硬件構(gòu)成Fig.1 The hardware composition

核心主板采用6層PCB設(shè)計(jì)，為方便安裝拆卸，設(shè)計(jì)成192針引腳的方形標(biāo)準(zhǔn)2.0插針形式。核心主板的CPU工作主頻為400～533 MHz；板載64 MB SDRAM；32 bit數(shù)據(jù)總線；板載64 MB Nand Flash，掉電非易失；3.3 V低電壓供電，功耗低且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

功能底板用于提供網(wǎng)卡接口、串口接口、USB接口、電源接口、音頻接口、Jtag接口、攝像頭接口、LCD接口、SD卡接口等功能性接口。

Q2358C CDMA模塊用于撥號(hào)上網(wǎng)，提供網(wǎng)絡(luò)資源。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分的設(shè)計(jì)主要包括電源供電電路、串口電路、USB接口電路、以太網(wǎng)接口電路、SD卡接口電路、系統(tǒng)總線接口、按鍵電路、蜂鳴器PWM驅(qū)動(dòng)電路、IIC電路、IIS電路等方面的設(shè)計(jì)及PCB的制作。由于在地震前兆的業(yè)務(wù)應(yīng)用重點(diǎn)使用串口、SD卡、網(wǎng)口、USB口等功能，受篇幅所限，本文將重點(diǎn)列舉串口、SD卡、網(wǎng)口、USB口的電路原理圖。串口電路原理如圖2所示，SD卡接口的電路原理圖如圖3所示，USB接口電路的原理圖如圖4所示，以太網(wǎng)接口的電路原理圖如圖5所示。

（1）電源供電電路。路由器采用5V供電，設(shè)計(jì)有電源開(kāi)關(guān)和電源指示燈。其中核心板是3.3V的供電，由AS2815AR-3.3IC芯片穩(wěn)壓后得到。

（2）串口電路。采用五線異步串行接口和一個(gè)UART擴(kuò)展接口，原理圖如圖2所示。

（3）SD卡接口電路。SD （Security Digital）卡接口電路主要是根據(jù)S3C2440芯片里面的SD模塊展開(kāi)設(shè)計(jì)，具體電路如圖3所示。

圖2 串口電路原理圖Fig.2 The principle diagram of serial port circuit

圖3 SD卡接口電路圖Fig.3 The circuit diagram of SD card interface

（4）USB接口電路。由于路由器的核心主板微處理器是基于三星公司的S3C2440芯片展開(kāi)設(shè)計(jì)，直接利用其中的USB模塊即可，USB接口電路如圖4所示。

圖4 USB口的電路原理圖Fig.4 The circuit diagram of USB interface

（5）以太網(wǎng)接口電路。實(shí)現(xiàn)的方法是在底板上使用DM9000E芯片擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口，其電路如圖5所示。

4 地震前兆VPN路由器的軟件實(shí)現(xiàn)

在硬件設(shè)計(jì)好后，需要在硬件上安裝系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。本文所開(kāi)發(fā)的核心主板支持嵌入式Linux系統(tǒng)和Windows CE系統(tǒng)，由于Linux系統(tǒng)是開(kāi)源系統(tǒng)，有許多開(kāi)源并且免費(fèi)的應(yīng)用軟件可以使用，因此在本方案中采用嵌入式Linux系統(tǒng)，以方便無(wú)線撥號(hào)上網(wǎng)、路由和VPN功能的實(shí)現(xiàn)。具體過(guò)程是，首先搭建交叉編譯環(huán)境，完成嵌入式Linux系統(tǒng)移植，包括bootloader的編譯和移植、Linux-2.6內(nèi)核的編譯和移植、根文件系統(tǒng)的制作和移植。其次是移植pppd和FreeSWAN應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)VPDN及VPN的功能。

4.1 嵌入式Linux系統(tǒng)移植

在移植系統(tǒng)前，需要在開(kāi)發(fā)主機(jī)的Linux系統(tǒng)上搭建一個(gè)交叉編譯環(huán)境，包括交叉編譯器、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng) （NFS）、FTP、Telnet等服務(wù)功能。如圖6所示，在建好的交叉編譯環(huán)境里，配置并編譯bootloader、Linux-2.6內(nèi)核、根文件系統(tǒng)，通過(guò)USB、JTAG等連接方式把映像燒錄到TARGET核心主板上，完成Linux系統(tǒng)移植。由于Linux-2.6內(nèi)核支持路由功能，在配置編譯時(shí)，已經(jīng)選擇路由支持功能，使地震前兆VPN路由器具備路由功能。

圖5 以太網(wǎng)接口的電路原理圖Fig.5 The circuit principle diagram of Ethernet interface

圖6 嵌入式Linux系統(tǒng)移植Fig.6 Transplantation of embedded Linux system

4.2 VPDN應(yīng)用程序移植及配置

Pppd是常用的VPDN應(yīng)用程序，移植該程序的目的是為VPDN的建立提供支持,撥號(hào)登錄過(guò)程遵循PPP通信協(xié)議。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核中支持PPP協(xié)議，在編譯Linux-2.6的內(nèi)核時(shí)，啟用PPP協(xié)議支持，并在制作根文件系統(tǒng)時(shí)，移植pppd應(yīng)用程序，最后通過(guò)簡(jiǎn)單配置/etc/ppp/peers下的cdma撥號(hào)腳本，便可以很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)PPP撥號(hào)功能。以下是本案的配置實(shí)例：

上述配置需要注意 “#配置登錄用戶信息”和“#配置撥號(hào)分配的固定IP地址和缺省網(wǎng)關(guān)”這兩項(xiàng)，若需要登錄公網(wǎng)進(jìn)行VPN連接，則屏蔽這兩項(xiàng)配置。若需要建立VPDN撥號(hào)連接，則需配置這兩項(xiàng)，只有授權(quán)正確才能登陸VPDN服務(wù)器和獲取固定IP地址的分配，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)的互通。

4.3 VPN應(yīng)用程序的移植及配置

本案選用FreeSWAN開(kāi)源軟件實(shí)現(xiàn)VPN功能。該軟件是一款運(yùn)行在Linux平臺(tái)上免費(fèi)、公開(kāi)源代碼的VPN軟件，在移植嵌入式Linux系統(tǒng)時(shí)，該軟件已經(jīng)被包含其中，只需對(duì)相關(guān)代碼部分的修改和配置，即可實(shí)現(xiàn)VPN功能。

在FreeSWAN中，為實(shí)現(xiàn)VPN功能，需要配置ipsec.conf和ipsec.secrets這兩個(gè)文件。具體步驟如下：

（1）執(zhí)行#ipsec showhostkey-left命令，獲取主機(jī)的RSA公鑰。

（2）編輯ipsec.conf，增加n-n新連接；配置leftsubnet=x.x.x.x/x（撥號(hào)所獲得的對(duì)外IP地址）；rightsubnet=x.x.x.x/x（VPN服務(wù)器的對(duì)外IP地址）；leftrsasigkey=***（網(wǎng)關(guān)保護(hù)子網(wǎng)的IP地址范圍）；right=x.x.x.x（主機(jī)的RSA公鑰）；rightrsasigkey=***（對(duì)端子網(wǎng)IP地址范圍）；auto=add x.x.x.x（VPN服務(wù)器的right RSA公鑰）。

（3）執(zhí)行#ipsec auto-up n-n建立相關(guān)連接。

5 地震前兆VPN路由器的應(yīng)用

圖7 VPN路由器傳輸應(yīng)用Fig.7 Application of VPN routers

地震前兆VPN路由器研制出來(lái)后，我們?cè)凇笆晃濉睆V東省地震局前兆臺(tái)站技術(shù)設(shè)備升級(jí)改造項(xiàng)目里進(jìn)行了部署測(cè)試，如圖7所示。其中韶關(guān)、信宜、汕頭3個(gè)前兆臺(tái)使用SDH有線方式傳輸數(shù)據(jù)，河源臺(tái)分別通過(guò)CDMA+VPN的方式傳輸?shù)卮臚HD觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)ADSL+VPN傳輸氣氡、水位、水溫、氣象三要素觀測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程中，路由器設(shè)備工作正常，數(shù)據(jù)連續(xù)率保證，雙向通信穩(wěn)定，日后擬利用該產(chǎn)品逐步替換從市場(chǎng)購(gòu)買的路由設(shè)備，以方便集成數(shù)據(jù)接口和節(jié)約設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用[4-5]。

6 結(jié)語(yǔ)

自行研制的支持有線、無(wú)線接入并且具備路由、VPDN和VPN撥號(hào)功能的地震前兆VPN路由器，經(jīng)過(guò)前兆臺(tái)站數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，證明該設(shè)備是可行的。但在應(yīng)用測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在幾方面的缺陷，尚需完善和改進(jìn)。一是，路由器的配置需要編輯多個(gè)配置文件，操作專業(yè)性太強(qiáng)，宜開(kāi)發(fā)一款網(wǎng)頁(yè)界面實(shí)現(xiàn)配置功能。二是，臺(tái)站的前兆數(shù)據(jù)采集器均通過(guò)串口與另外一塊工控板相連接，宜將前兆數(shù)據(jù)采集器的接口集成到VPN路由器，剔除工控板，提高臺(tái)站設(shè)備的集成度，降低過(guò)多設(shè)備帶來(lái)的故障率。該款地震前兆VPN路由器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以在今后的前兆項(xiàng)目建設(shè)中推廣使用，進(jìn)一步提高前兆技術(shù)的自主創(chuàng)新能力，推動(dòng)前兆觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

[1]華清遠(yuǎn)見(jiàn)嵌入式培訓(xùn)中心.嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)教程第2版[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[2]吳華燈，葉春明.基于GPRS／CDMA的強(qiáng)震無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].華南地震，2008，28（2）：95-102.

[3]孫宏志，王學(xué)成，劉一萌，等.基于3G無(wú)線傳輸?shù)臏y(cè)震臺(tái)站監(jiān)控設(shè)備的研制[J].地震工程學(xué)報(bào)，2014，36（2）： 387-392.

[4]黎珠博.VPN技術(shù)及在地震前兆觀測(cè)臺(tái)站中的應(yīng)用[J].華南地震，2013，33（1）：81-85.

[5]周振貴，祝怡紅，曹志磊，等.地震前兆模擬數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].華南地震，2013，33（4）：93-96.