任康磊，盧 雷，林金星，蔡術(shù)亞

(1.南京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.江蘇英達(dá)思自動(dòng)化技術(shù)有限公司，江蘇 南通 224600)

0 引 言

隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，WiFi技術(shù)的發(fā)展尤為突出。隨著WiFi在生活中應(yīng)用的進(jìn)一步深化，各行各業(yè)都對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)部署提出了“全覆蓋、高速率、簡(jiǎn)單管控”的需求[1-3]。但是，在學(xué)校、大型商場(chǎng)、公共場(chǎng)所等一些場(chǎng)景下，無線覆蓋往往面對(duì)著信號(hào)盲區(qū)、速率低下、管控復(fù)雜等挑戰(zhàn)。在此情況下，在部署WLAN時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的信號(hào)障礙因素、無線覆蓋范圍、吞吐量等進(jìn)行評(píng)估，可使用無線AP(access point)作為另一種無線通信的選擇[4-6]。

近年來，科研人員對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)化的研究主要集中在WiFi、ZigBee、3G等場(chǎng)景中，價(jià)格昂貴且系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。而對(duì)無線AP的研究相對(duì)較少，無線AP具有功耗低、價(jià)格適中、易安裝、輻射范圍廣且傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。

綜上所述，將無線AP與嵌入式技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信的研究，對(duì)未來的學(xué)術(shù)科研具有一定的參考價(jià)值。

1 整體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的基于AP模式的遠(yuǎn)程PC與ARM11通信的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。將S3C6410作為控制核心，AR9271無線網(wǎng)卡作為通信媒介，開啟AP模式，無需路由即可構(gòu)建遠(yuǎn)程控制的無線局域網(wǎng)，基于socket套接字實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程PC的無線通信。

圖1 平臺(tái)整體框架

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)板資源

選用的ARM11系列微處理器是Samsung公司近年推出的新一代16/32位RISC處理器，并且采用新指令架構(gòu)ARMv6，以ARM1176JZF-S為內(nèi)核，微處理器芯片為S3C6410，其核心時(shí)鐘頻率最高可達(dá)667MHz；擁有的外部存儲(chǔ)器有Nand Flash、DDR RAM等；同時(shí)，S3C6410內(nèi)部還內(nèi)置大量的片上接口，常用的有PWM接口、4通道定時(shí)器、GPIO、USB以及SD主設(shè)備等[9-10]，內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。為減少S3C6410對(duì)內(nèi)存的占有、延長(zhǎng)Nand Flash的使用壽命、方便用戶使用，S3C6410還可將Linux系統(tǒng)導(dǎo)入SD卡中，使ARM直接從SD卡啟動(dòng)。

圖2 S3C6410內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)

2.2 USB無線網(wǎng)卡選型

為實(shí)現(xiàn)PC與ARM11的遠(yuǎn)程通信，選用型號(hào)AR9271的USB無線網(wǎng)卡。該網(wǎng)卡工作頻率可以達(dá)到2.4～2.4835GHz，支持IEEE802.11n/g/b，傳輸效率高達(dá)300Mbps，并采用差分二進(jìn)制相移鍵控等調(diào)制方式，能夠滿足局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸控制的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)

3.1.1交叉編譯環(huán)境的建立

利用計(jì)算機(jī)上豐富的封裝庫(kù)資源來設(shè)計(jì)程序，再安裝適合編譯環(huán)境的交叉編譯工具鏈，編譯生成可執(zhí)行文件，最后下載到目標(biāo)板上進(jìn)行測(cè)試[11]。文中VMware虛擬主機(jī)上的Linux為Redhat6，交叉編譯器為友善之臂公司提供的arm-linux-gcc-4.5.1。建立交叉編譯工具鏈的步驟如下：

#cd/tmp

#tarxvzfarm-linux-gcc-4.5.1.tgz-C/

#gedit /root/.bashrc

修改export PATH=$PATH:/opt/FriendlyARM/

toolschain/4.5.1/bin

3.1.2配置和編譯U-boot

所涉及到u-boot配置和編譯，使用的是u-boot-s3c6410，該版本支持S3C6410從SD和Nand flash兩種方式啟動(dòng)，因考慮到Nand flash的使用壽命和實(shí)驗(yàn)便捷的需要，采用SD卡啟動(dòng)方式[12]。

編譯結(jié)束后，在當(dāng)前目錄下會(huì)生成后綴是bin，且支持SD卡驅(qū)動(dòng)的文件，只需將它燒寫到SD卡中，設(shè)置開發(fā)板從SD卡啟動(dòng)即可。

3.1.3內(nèi)核移植

所謂移植就是在一些現(xiàn)成內(nèi)核的基礎(chǔ)上，根據(jù)硬件配置及實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰?，利用make menuconfig進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨茫４骊P(guān)閉即可[13]，如圖3所示。

圖3make menuconfig配置界面

內(nèi)核選用的是Linux2.6.38。移植過程如下：

#cd /opt/FriendlyARM/6410/linux/linux-2.6.38

#cpconfig_linux_s3c6410.config

#make zImage

編譯結(jié)束，在所對(duì)應(yīng)的boot目錄下生成內(nèi)核文件zImage，將其燒到SD卡中。

3.1.4文件系統(tǒng)的制作

根文件系統(tǒng)是用來存放系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所需的各種腳、配置文件、庫(kù)文件和相關(guān)工具軟件的。它是系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行的第一個(gè)文件系統(tǒng)。該部分選用的是yaffs2格式的文件系統(tǒng)，制作步驟如下：

#cd/opt/FriendlyARM/6410/linux

#mkyaffs2image-128M ootfs_qtopia_qt4 ootfs_qtopia_qt4.img

把rootfs_qtopia_qt4目錄壓制為yaffs2格式的rootfs_qtopia_qt4.img映像，將其燒到SD卡中。

綜上所述，將配置、編譯完成的U-boot、zImage、yaffs2燒寫到SD卡中，并將SD設(shè)置成引導(dǎo)啟動(dòng)。當(dāng)開發(fā)板啟動(dòng)時(shí)將會(huì)自動(dòng)加載Linux系統(tǒng)。

3.2 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)配置和接入功能的實(shí)現(xiàn)

Linux2.6.38內(nèi)核已支持無線網(wǎng)絡(luò)通信功能，但需要進(jìn)行配置后才可使用。因此，使用圖形界面對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置，使內(nèi)核支持USB2.0協(xié)議、IEEE802.11協(xié)議、TCP/IP協(xié)議和讀寫E2PROM。完成以上配置后，系統(tǒng)就能完全支持USB接口的網(wǎng)卡。內(nèi)核配置無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)方法如下：

(1)執(zhí)行make menuconfig命令，分別對(duì)內(nèi)核中Networking support和Device Driver作適當(dāng)?shù)牟眉簦謩e勾選出對(duì)應(yīng)的Wireless和Wireless Cards相關(guān)配置項(xiàng)，再編譯并下載至S3C6410；

(2)將后綴名稱為fw格式的無線網(wǎng)卡文件放到庫(kù)文件firmware下。

建立遠(yuǎn)程PC客戶端與ARM服務(wù)器的通信，需要USB網(wǎng)卡工作在AP模式，開啟無線接入功能，使系統(tǒng)無需路由器即可構(gòu)建局域網(wǎng)。USB網(wǎng)卡的無線接入可利用hostapd實(shí)現(xiàn)，hostapd可以是一種AP的認(rèn)證服務(wù)器，負(fù)責(zé)控制管理站的接入和認(rèn)證，也可以是一種在Linux上構(gòu)建無線接入點(diǎn)較為方便的工具。通過hostapd可以將無線網(wǎng)卡切換為AP模式，通過修改配置文件，可以建立一個(gè)開放式的WEP、WPA或WPA2無線網(wǎng)絡(luò)[14]。具體步驟如下：

(1)配置、編譯hostapd。

#cd hostapd-2.0/hostapd

#cp defconfig .config

用GCC編譯后，利用make、make install編譯、安裝hostapd，將生成的hostapd復(fù)制到bin目錄下。

(2)hostapd必須與后綴名為conf的配置文件相互配合才能運(yùn)行，且還需對(duì)配置文件hostapd.conf作適當(dāng)裁剪。代碼主要部分為：

ssid=S3C6410

wpa_passphrase=zxc12345

wpa_key_mgmt=WPA-PSK

……

(3)修改/etc/mdev.conf的配置文件，每次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，該無線AP就能動(dòng)態(tài)分配IP。而配置文件又依賴于腳本文件auto_wifi_ap.sh。因此，還需對(duì)腳本文件進(jìn)行修改，關(guān)鍵代碼如下：

if[$ACTION=“add”];

then

hostapd -B /etc/hostapd.conf

ifconfig wlan0192.168.0.103

dhcpd -cf /etc/dhcpd.conf wlan0

else

killall hostapd

killall dhcpd

fi

3.3 服務(wù)器/客戶端通信應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

該網(wǎng)絡(luò)采用的是基于TCP協(xié)議的可靠傳輸。TCP流套接字是一種面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶捉幼诸愋停擃愋吞捉幼挚蓪?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無重復(fù)、無差錯(cuò)、無丟失，為穩(wěn)定可靠的通信提供保障。

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，socket API是一種處于用戶空間與內(nèi)核空間之間通信交互的接口，且屏蔽了具體底層細(xì)節(jié)，用戶可迅速上手[15]。基于socket網(wǎng)絡(luò)通信程序流程如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)及性能分析

將開啟AP模式的ARM11作為服務(wù)器，遠(yuǎn)程PC作為客戶端。外界因素都會(huì)對(duì)無線通信系統(tǒng)的性能造成影響。因此，本次試驗(yàn)主要從遠(yuǎn)近距離和障礙物間隔對(duì)通信時(shí)延進(jìn)行測(cè)試分析。

將遠(yuǎn)程PC虛擬機(jī)IP設(shè)置為：192.168.0.102，ARM11的IP地址設(shè)置為：192.168.0.103，且客戶端和服務(wù)器需設(shè)置在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)。

4.1 遠(yuǎn)近距離測(cè)試

遠(yuǎn)近距離測(cè)試時(shí)，分別選擇100組采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，近距離選擇在10m2的室內(nèi)，遠(yuǎn)距離選擇在30m左右的地點(diǎn)，對(duì)它們通信時(shí)延狀況進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)近距離測(cè)試圖

由圖5可知，進(jìn)行遠(yuǎn)、近距離采樣傳輸測(cè)試時(shí)，近距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延穩(wěn)定在0.1ms以下，通信質(zhì)量很好；而遠(yuǎn)距離通信時(shí)延也能基本維持在0.1ms附近，但有些數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)稍長(zhǎng)的延遲，但基本滿足無線通信的要求，對(duì)通信傳輸?shù)挠绊戄^小。

4.2 障礙物測(cè)試

選擇墻面較多的地點(diǎn)進(jìn)行障礙物間隔測(cè)試，如圖6所示。在墻面障礙物較多的地點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)了明顯變化，在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)處出現(xiàn)大量時(shí)延“毛刺”，但大多數(shù)還是能穩(wěn)定在0.1ms處。

圖6 障礙物阻礙測(cè)試圖

綜上所述，無論是遠(yuǎn)近距離測(cè)試，還是在障礙物較多地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，在無線AP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，都能夠穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)束語

主要結(jié)合hostapd工具，將ARM11設(shè)置為AP，構(gòu)建成一定范圍的局域網(wǎng)，使局域網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可拓展性得到提高，并且能夠覆蓋在通信過程中所遇到的“通信死角”。由不同場(chǎng)景下的通信測(cè)試可知，所設(shè)計(jì)的基于ARM11無線AP模式下的通信能夠穩(wěn)定、可靠地進(jìn)行，對(duì)未來的科研、生產(chǎn)及生活都具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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