王冬星，馬英瑞，李　梓，李　娟，王　沖

(大慶師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

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一種嵌入式無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

王冬星，馬英瑞，李梓，李娟，王沖

(大慶師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

摘要：近年來Wifi無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)電視發(fā)展非常迅速，許多家庭希望既能通過機(jī)頂盒組成Wifi網(wǎng)絡(luò)，方便移動(dòng)設(shè)備上網(wǎng)，又能通過它看電視?；诖耍芯颗c實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于機(jī)頂盒的無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。首先對(duì)機(jī)頂盒嵌入式開發(fā)技術(shù)做了一些介紹，然后對(duì)機(jī)頂盒的uboot、內(nèi)核和文件系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)、定制，使其支持Wifi等功能，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測試與總結(jié)，為相關(guān)工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無線聯(lián)網(wǎng)；uboot移植；內(nèi)核移植

隨著電視技術(shù)的進(jìn)步和互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的日趨成熟，互聯(lián)網(wǎng)電視掀起一股熱潮。時(shí)至今日，中國電視機(jī)生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐步將“上網(wǎng)功能”作為電視機(jī)的配置標(biāo)準(zhǔn)，并大力研發(fā)各種各樣的互聯(lián)網(wǎng)周邊終端產(chǎn)品，其中電視盒、電視棒便是最受消費(fèi)者追捧的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年我國具有聯(lián)網(wǎng)功能的電視機(jī)的銷售量為2397萬臺(tái)，占電視機(jī)銷售總量的51.1%。預(yù)計(jì)2015年平板電視中將有近八成的電視機(jī)具有聯(lián)網(wǎng)功能。根據(jù)2010年出臺(tái)的“三網(wǎng)融合”(電視網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng))總體方案要求[1-2]，2013年至2015年，總結(jié)推廣試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，全面實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)融合。

近年來，Wifi無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，相比有線接入技術(shù)，Wifi則具有傳輸數(shù)據(jù)快、距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢。目前，很多公共場所都提供免費(fèi)wifi服務(wù)，只要隨身攜帶支持Wifi功能的電子產(chǎn)品，即可方便地接入互聯(lián)網(wǎng)。機(jī)頂盒通過Wifi無線聯(lián)網(wǎng)將是必然趨勢。

1相關(guān)技術(shù)介紹

1.1機(jī)頂盒框架結(jié)構(gòu)介紹

機(jī)頂盒作為家庭消費(fèi)終端，主要提供點(diǎn)播、直播、錄播等功能。無線網(wǎng)絡(luò)的機(jī)頂盒是基于802.11n無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字電視信號(hào)傳輸，它需要硬件接口和系統(tǒng)的支持，使其能與硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，軟件方面需要安裝一個(gè)功能較強(qiáng)的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在完成驅(qū)動(dòng)硬件的基本功能之上，提供多種服務(wù)功能，機(jī)頂盒的框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

上層應(yīng)用程序(音視頻解碼,系統(tǒng)集成等)嵌入式linux操作系統(tǒng)(系統(tǒng)調(diào)度,硬件驅(qū)動(dòng))系統(tǒng)調(diào)用接口和硬件驅(qū)動(dòng)庫硬件平臺(tái)(網(wǎng)絡(luò)接口,音視頻輸出接口和各種硬件接口)

圖1機(jī)頂盒框架結(jié)構(gòu)圖

1.2嵌入式Linux系統(tǒng)技術(shù)分析[3]

嵌入式Linux系統(tǒng)是一個(gè)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)之上編寫的一個(gè)系統(tǒng)，在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理、航空航天等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。而嵌入式Linux操作系統(tǒng)又具有以下優(yōu)勢，第一，源代碼開放，方便下載、改寫與擴(kuò)充；第二，Linux內(nèi)核小、效率高，最簡單的系統(tǒng)內(nèi)核的大小只有134KB左右。此外，Linux是免費(fèi)的，在市場上有良好的競爭力。

由于Linux是跨平臺(tái)的系統(tǒng)，它支持多種CPU和硬件平臺(tái)，具有良好的穩(wěn)定性和可裁剪性，方便開發(fā)和使用；同時(shí)，Linux內(nèi)核對(duì)網(wǎng)絡(luò)也有很好的支持，如對(duì)最常用的TCP/IP協(xié)議的支持，使得其在嵌入式網(wǎng)絡(luò)中被廣泛應(yīng)用。

嵌入式linux系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成bootloader、kernel(含驅(qū)動(dòng))和rootfs。其工作次序?yàn)椋合到y(tǒng)上電后運(yùn)行bootloader，bootloader為內(nèi)核準(zhǔn)備參數(shù)并加載運(yùn)行內(nèi)核，內(nèi)核執(zhí)行文件系統(tǒng)中的腳本和應(yīng)用程序。

2系統(tǒng)移植的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)移植流程設(shè)計(jì)

嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的移植過程如圖2，Uboot裁剪、kernel裁剪和rootfs制作如下所述。

2.2Uboot設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Uboot設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要有5個(gè)步驟：

1)下載開源代碼uboot.tar.gz并解壓，為下一步Uboot的重新設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

2)配置Uboot，因?yàn)椴煌南到y(tǒng)需要不同的內(nèi)核和Uboot，本文是對(duì)機(jī)頂盒系統(tǒng)所使用Uboot進(jìn)行裁剪、配置，主要操作包括進(jìn)入uboot原碼根目錄，在include/configs/添加hi3560v100.h，并在該文件設(shè)置系統(tǒng)需要的參數(shù)信息，如宏命令設(shè)置，其內(nèi)容如圖3。

圖2　系統(tǒng)移植流程圖

3)生成配置文件(make hi3560e_config)

Makefile文件中有多個(gè)目標(biāo)執(zhí)行選項(xiàng)，make hi3560e_config是makefile文件的一個(gè)目標(biāo)選項(xiàng)的執(zhí)行。使用該命令一般會(huì)在include目錄下生成機(jī)頂盒開發(fā)板的配置文件，該文件為系統(tǒng)后續(xù)工作過程提供開發(fā)板具體的配置信息，如開發(fā)板類型、使用的動(dòng)態(tài)庫、相應(yīng)的頭文件等信息。

4)make

用該命令生成u-boot.bin二進(jìn)制文件，將u-boot.bin二進(jìn)制文件燒寫到開發(fā)板，開發(fā)板一上電，即可被自動(dòng)執(zhí)行。

2.3內(nèi)核裁剪與設(shè)計(jì)

內(nèi)核裁剪與設(shè)計(jì)主要有4個(gè)步驟：

1)下載linux內(nèi)核linux2.6.14.tar.gz，在該內(nèi)核基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)頂盒系統(tǒng)的裁剪和設(shè)計(jì)。

2)解壓內(nèi)核，命令如下：

#tar xvf linux2.6.14.tar.gz

3)內(nèi)核配置

#make menuconfig；

該命令是進(jìn)入內(nèi)核配置的圖形界面，配置對(duì)802.11n協(xié)議棧的支持和對(duì)無線的支持，如圖4。

圖4　內(nèi)核配置界面

4)編譯內(nèi)核生成內(nèi)核映像uImage，其命令如下：

#make uImage

2.4文件系統(tǒng)制作

文件系統(tǒng)的制作過程如下：

1)準(zhǔn)備軟件busybox，在交叉編譯工具目錄/opt/中，將交叉工具路徑添加到/etc/profile文件中。

2)在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行編程，建立目標(biāo)板空根目錄文件夾及根目錄下的文件夾，內(nèi)容如下：

w@sunniwell:～$ mkdir myroots //根目錄文件夾

w@sunniwell:～$ cd myroots //進(jìn)入myroots文件夾

w@sunniwell:～/myroots$

w@sunniwell:～/myroots$ mkdir bin sbin usr lib dev mnt opt root etc home proc tmp var

//創(chuàng)建根目錄下的基本目錄

w@sunniwell:～/myroots$ mkdir etc/init.d //在etc目錄下創(chuàng)建初始化目錄init.d

3)進(jìn)入etc/init.d目錄下，建立腳本文件rcS，設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

#! /bin/sh

PATH=/sbin:/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/usr/local/bin: //配置環(huán)境變量PATH

runlevel=S

prevlevel=N

umask 022 //設(shè)置文件權(quán)限掩碼

export PATH runlevel prevlevel

# Trap CTRL-C &c only in this shell so we can interrupt subprocesses.

trap ":" INT QUIT TSTP

w@sunniwell:～/myroots$ cd lib

進(jìn)入lib目錄，添加相應(yīng)的庫文件。

4)移植Busybox

解壓busybox的壓縮文件，進(jìn)入busybox源碼根目錄，配置busybox。

w@sunniwell:～$ make menuconfig //執(zhí)行之后，將出現(xiàn)如圖5所示的界面。

圖5　busybox配置界面

由于每個(gè)版本的配置選項(xiàng)組織有所不同，編程時(shí)注意以下選項(xiàng)即可：

①Support for devfs //支持devfs文件系統(tǒng)

②Build BusyBox as a static binary ( no shared libs ) //將busybox編譯成靜態(tài)鏈接

③Do you want to build busybox with a Cross Compile?

(/usr/local/arm/3.3.2/bin/arm-linux-) Cross Compile prefix //指定交叉編譯器

④init //初始化

⑤Support reading an inittab file //支持init讀取/etc/inittab 配置文件

⑥(X) ash選中ash //建立的rcS腳本才能執(zhí)行

⑦ash

⑧cp cat ls mkdir mv //可執(zhí)行命令工具的選擇

完成配置后，保存退出，對(duì)其進(jìn)行編譯：

w@sunniwell:～/busybox$makeTARGET_ARCH=armCROSS=arm-linux-PREFIX=/friendly-arm/myroots/ all install

將相應(yīng)的可執(zhí)行文件和已編譯的Wifi驅(qū)動(dòng)模塊復(fù)制到根文件系統(tǒng)的相應(yīng)目錄下。

5)生成yaffs文件系統(tǒng)包

w@sunniwell:～$ mkyaffsimage myroots myroots.img

6)將根文件系統(tǒng)燒寫到開發(fā)板。

3測試

3.1燒寫

將制作好的bootloader，kernel，rootfs文件按順序分別燒寫到開發(fā)板上，進(jìn)行系統(tǒng)測試，以驗(yàn)證具有無線聯(lián)網(wǎng)功能的機(jī)頂盒完全好使。

連接開發(fā)板和計(jì)算機(jī)，用ubuntu的minicom、tftp服務(wù)下載bootloader、kernel、rootfs，重啟系統(tǒng)，測試網(wǎng)絡(luò)，具體編程與操作如下：

1)設(shè)置基本的uboot環(huán)境變量

# setenv serverip 172.16.6.60//主機(jī)ip設(shè)置

# setenv ipaddr 172.16.6.61 //目標(biāo)板ip設(shè)置

# saveenv //保存環(huán)境變量

2)uboot 燒寫，編程命令如下：

#nand erase 0 100000 //擦除nand的指定區(qū)域

#tftp c2000000 u-boot.bin //下載uboot.bin到內(nèi)存c2000000地址

#nand write c2000000 0 100000//將uboot.bin從內(nèi)存下載到nand中

3)內(nèi)核燒寫，內(nèi)核和文件系統(tǒng)的燒寫都使用的是uboot提供的命令，具體編程命令如下：

# nand erase 100000 a00000 //nand 擦除

# tftp c2000000 uImage//下載內(nèi)核uImage到內(nèi)存

# nand write c2000000 100000 a00000 //將uImage從內(nèi)存燒寫到nand指定地址

4)文件系統(tǒng)燒寫，具體編程命令如下：

# nand erase b00000 b00000//擦除nand指定位置

# tftp c2000000 sbox_app_8300_hi3560e_1040090.img //下載文件系統(tǒng)到內(nèi)存

# nand write c2000000 b00000 b00000//將文件系統(tǒng)燒寫到nand指定位置

5)啟動(dòng)參數(shù)設(shè)置

# setenv bootcmd nand read c2000000 100000 a00000; bootm c2000000

//設(shè)置啟動(dòng)命令bootcmd，該命令將內(nèi)核下載到內(nèi)存c2000000并執(zhí)行

# setenv bootargs root=/dev/mtdblock2 init=/linuxrc console=ttySAC0,115200

//設(shè)置內(nèi)核參數(shù)bootargs，其指定了根文件系統(tǒng)的分區(qū)、初始化腳本及終端和波特率

# savenv

3.2網(wǎng)絡(luò)測試

啟動(dòng)機(jī)頂盒，進(jìn)入系統(tǒng)后，插入WiFi驅(qū)動(dòng)模塊，ping網(wǎng)絡(luò)以測試網(wǎng)絡(luò)模塊是否正常工作，經(jīng)測試工作正常。具體測試過程如下所示。

1)插入網(wǎng)絡(luò)模塊，命令如下：

#insmod 8192cu.ko

2)查看網(wǎng)卡標(biāo)識(shí)，命令如下：

# iwconfig

3)查看網(wǎng)卡信息，命令如下(此次網(wǎng)卡標(biāo)識(shí)為rausb0)：

# ifconfig rausb0 up

# ifconfig

4)設(shè)置ESSID。所謂ESSID，Service Set Identifier，用來區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)，也稱作服務(wù)區(qū)別號(hào)，簡單的說SSID就是一個(gè)局域網(wǎng)的名稱。具體命令如下：

# iwconfig rausb0 essid test-gtb

# iwconfig

如果設(shè)置成功可以看到，rausb0，ESSID，"test"。如果設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)不對(duì)，比如沒有"test"，則該位置為空。關(guān)于ESSID參見百度百科[4]。

5)ping 網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)提示ping通，鏈接已經(jīng)建立，即無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功。其命令如下：

# ping 192.168.1.1

經(jīng)過測試，本文所設(shè)計(jì)的WIFI驅(qū)動(dòng)正常運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)頂盒通過Wifi的聯(lián)網(wǎng)功能，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在測試過程中，發(fā)現(xiàn)還可以進(jìn)行嵌入式功能擴(kuò)充，為下一步研究奠定了基礎(chǔ)。

4結(jié)語

本文首先介紹了機(jī)頂盒與Wifi無線通信的發(fā)展現(xiàn)狀，然后研究與設(shè)計(jì)了一個(gè)基于機(jī)頂盒對(duì)無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過開發(fā)環(huán)境的搭建、WIFI驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的移植，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)頂盒的WIFI聯(lián)網(wǎng)。經(jīng)過測試，系統(tǒng)基本完成了預(yù)期功能，但還有改進(jìn)空間，如代碼進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化，功能完善與擴(kuò)充，這為下一步研究奠定了良好基礎(chǔ)，并為相關(guān)工作提供了借鑒。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 姜鳳紅．三網(wǎng)融合下互聯(lián)網(wǎng)電視面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J]. 西部廣播電視，2014，24：53-54.

[2] 吳純勇．"三網(wǎng)融合"與"互聯(lián)網(wǎng)+":經(jīng)濟(jì)增長的新引擎[J]. 通信世界，2015(1)：38.

[3] 宋成儒．基于Linux嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].昆明：昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[4] 鄭玉洲．無線網(wǎng)絡(luò)安全的機(jī)制與技術(shù)措施[J]. 信息系統(tǒng)工程，2011(6)：59-60.

Research and implementation of

an embedded wireless network system

WANG Dong-xing, MA Ying-rui, LI Zi, LI Juan，WANG Chong

(College of Computer Science and Information Technology, Daqing Normal University, Daqing 163712, China)

Abstract：This paper studies and realizes a wireless network system based on a set-top box. First, some embedded development technologies about the set-top box are introduced. And then, this paper redesigns and customizes the set-top box's uboot, kernel and file system to make the system support Wifi, etc. Finally, the system is tested and summarized which will provide reference for the related work.

Key words:Wireless networking; Uboot transplantation; Kernel transplantation

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0063(2015)06-0001-05

收稿日期：2015-3-16

基金項(xiàng)目：大慶市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目：物聯(lián)網(wǎng)中容錯(cuò)斷控制策略的研究與應(yīng)用(szdfy-2015-61)。

作者簡介：王冬星(1977-)，女，黑龍江大慶人，副教授，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用和軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)研究。

DOI10.13356/j.cnki.jdnu.2095-0063.2015.06.001