基于IEEE802.11的礦井Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

丁繼存 楊 澎 高明玉

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169；3.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169）

基于IEEE802.11的礦井Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

丁繼存1，2楊 澎2高明玉3

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221008；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號(hào)煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169；3.兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東省濟(jì)寧市，272169）

介紹了一種基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)無線路由器裝置，該裝置在S3C2440嵌入式開發(fā)平臺(tái)上通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)視頻客戶端的接入，能夠?qū)ΦV井Mesh網(wǎng)絡(luò)骨干鏈路的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組。分析了該裝置的總體結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)闡述了監(jiān)控?zé)o線路由器裝置的內(nèi)核空間、用戶空間等幾個(gè)核心模塊的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

視頻監(jiān)控 無線路由器 ARM

目前在井下視頻監(jiān)控領(lǐng)域普遍通過鋪設(shè)大量光纖傳輸線路來實(shí)現(xiàn)對(duì)井下的實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅增加了施工的復(fù)雜度，還造成了大量的資源浪費(fèi)，無法滿足煤礦信息化和智能化發(fā)展的需求，而Mesh網(wǎng)絡(luò)（無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)）具有組建方便、構(gòu)建成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、覆蓋能力強(qiáng)和傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，因此Mesh網(wǎng)絡(luò)在井下視頻監(jiān)控領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿Α１疚脑诰孪锏赖奶厥猸h(huán)境中，針對(duì)無線Mesh骨干鏈路網(wǎng)絡(luò)傳輸性能受跳數(shù)影響的問題，對(duì)井下Mesh網(wǎng)絡(luò)多接口多信道路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究。

1 井下Mesh路由節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)

構(gòu)成Mesh網(wǎng)絡(luò)的主體骨干鏈路的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)（MR）不僅要實(shí)現(xiàn)本地覆蓋（即為客戶終端提供接入的功能），而且還要為相鄰的無線Mesh路由節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)分組的接收和發(fā)送。對(duì)于傳統(tǒng)的無線路由節(jié)點(diǎn)而言，它們都是串行傳輸?shù)?。為了提高M(jìn)esh網(wǎng)絡(luò)骨干鏈路的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，設(shè)計(jì)的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可知，Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成分別為1個(gè)接入模塊、2個(gè)數(shù)據(jù)回程模塊，并且這些模塊使用的都是無線的方式。接入模塊用于本地覆蓋并且專門用來接入視頻終端，由于目前無線接入終端的無線網(wǎng)卡大多使用IEEE802.11b／g協(xié)議，所以用來接入視頻終端的無線模塊也采用相同的協(xié)議。回程模塊使用IEEE802.11a的協(xié)議模式作為骨干鏈路回傳，分別用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)分組。因?yàn)樵搮f(xié)議的信道中可以提供相互正交的信道有12個(gè)，這樣可以更合理地為各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)分配接口信道，提高骨干鏈路的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

圖1 多模Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本文基于北京凌陽愛普科技有限公司設(shè)計(jì)的嵌入式開發(fā)板，搭建了Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)。Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的總體電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)的總體電路設(shè)計(jì)

微處理器S3C2440采用ARM公司的16／32位ARM920TRISC處理器核，具有PLL時(shí)鐘發(fā)生器、16kB指令Cache、16kB數(shù)據(jù)Cache和存儲(chǔ)管理單元MMU，主頻最高可達(dá)533MHz。平臺(tái)配置了32 MB Nand Flash和64MB SDRAM、主從USB口、RTC電路、JTAG通用接口、音頻模塊、觸摸屏、支持MPEG4的編解碼、32位數(shù)據(jù)總線等。

因?yàn)镾3C2440微處理芯片自身不帶PCI總線接口，采用的無線網(wǎng)卡vt6656是具有PCI接口的，因此需要在開發(fā)板上擴(kuò)展該接口功能。這里采用外圍的PCI總線控制芯片PCI9054方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總線的擴(kuò)展，從而可以通過PCI總線實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接口來滿足用戶遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆3C2440的引腳與PCI9054的本地總線引腳相連接，為該芯片提供數(shù)據(jù)和地址的存儲(chǔ)空間以及對(duì)各種信號(hào)的控制功能。

3 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本文在AODV路由協(xié)議的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)有的、成熟的應(yīng)用框架下對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，使之成為基于Linux操作系統(tǒng)的Mesh＿aodv的路由算法。將Mesh＿aodv路由協(xié)議設(shè)計(jì)成兩個(gè)塊：Mesh＿aodv內(nèi)核空間模塊主要是查找路由表、處理錯(cuò)誤信息以及提供相應(yīng)的接口；Mesh＿aodv用戶空間模塊主要是數(shù)據(jù)幀的生成、收發(fā)、處理和更新路由表，Mesh＿aodv路由協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 Mesh＿aodv路由協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖

3.1 Mesh＿aodv內(nèi)核空間模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于Mesh網(wǎng)絡(luò)，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊鬃冃裕枰獙?duì)每條路由設(shè)定一定的生存時(shí)間，即如果超過該時(shí)間而路徑?jīng)]得到有效的更新，那么該條路徑會(huì)被刪除，從而保證其可用性。因此在內(nèi)核設(shè)計(jì)中，由內(nèi)核定時(shí)器列表和生存路由定時(shí)器鏈表構(gòu)成路由的過期事件。其中生存路由定時(shí)器鏈表的內(nèi)容包括路由生存的標(biāo)志、過期時(shí)間、目的地址和下一跳轉(zhuǎn)地址等。當(dāng)觸發(fā)過期路由事件時(shí)，會(huì)在生存路由定時(shí)器鏈表和內(nèi)核定時(shí)器列表中分別插入一個(gè)表項(xiàng)和定時(shí)事件，其中內(nèi)核定時(shí)器列表的添加由函數(shù)timer＿add（struct timer＊t）完成，參數(shù)“＊t”是個(gè)定時(shí)器結(jié)構(gòu)體“struct timer”的對(duì)象。

內(nèi)核空間需要對(duì)流過的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾判斷，確保可以獲得該協(xié)議正常運(yùn)行時(shí)需要的信息，即上層協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)首先會(huì)查找路由表是否有該路由選項(xiàng)，如果有相匹配的路由時(shí)，會(huì)根據(jù)IP數(shù)據(jù)包中的目的地址判斷是否為本地節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不是時(shí)，該數(shù)據(jù)包就會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)；如果沒有相匹配的路由時(shí)，會(huì)在用戶守護(hù)進(jìn)程中發(fā)送路由請(qǐng)求（RREQ）幀，并且將用戶數(shù)據(jù)緩存到用戶空間，等到收到相應(yīng)的路由應(yīng)答（RREP）幀再進(jìn)行發(fā)送，或者在超時(shí)后就銷毀該隊(duì)列釋放內(nèi)存空間。以上這些都是由加載Kaodv＿h(yuǎn)ook函數(shù)來完成的。

為了便于對(duì)照原協(xié)議，系統(tǒng)Kaodv＿h(yuǎn)ook函數(shù)的設(shè)計(jì)采用將3個(gè)掛載點(diǎn)（PRE＿ROUTING、POST＿ROUTING和LOCAL＿OUT）的處理函數(shù)放在一塊，以不同的標(biāo)志位來進(jìn)行區(qū)分。PRE＿ROUTING的hook（鉤子）點(diǎn)用來處理其它節(jié)點(diǎn)輸入的數(shù)據(jù)分組，先對(duì)流入數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由更新，然后判斷IP數(shù)據(jù)包的目的地址是否為本地節(jié)點(diǎn)，如果是就提交上層處理，如果不是就轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包；POST＿ROUTING的hook點(diǎn)用來處理輸出到其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組，只需對(duì)目的地址更新其路由生存時(shí)間；LOCAL＿OUT的hook點(diǎn)用來處理本地節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)分組。當(dāng)內(nèi)存的路由緩沖中不存在數(shù)據(jù)包的目的地址的路由路徑時(shí)，將會(huì)在用戶空間將該數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存，觸發(fā)用戶守護(hù)進(jìn)程中路由請(qǐng)求（RREQ）幀的生成和發(fā)送。

3.2 Mesh＿aodv用戶空間模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 用戶守護(hù)進(jìn)程設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需要，路由用戶進(jìn)程應(yīng)設(shè)計(jì)為可以穩(wěn)定地在后臺(tái)運(yùn)行。由于Linux操作系統(tǒng)的守護(hù)進(jìn)程是Linux中的后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程，通常獨(dú)立于控制終端并且周期性地執(zhí)行某種任務(wù)或等待處理某些發(fā)生的事件，所以將Mesh＿aodv路由用戶程序設(shè)計(jì)為一個(gè)守護(hù)（deamon）進(jìn)程。

圖4 用戶守護(hù)進(jìn)程流程

Mesh＿aodv路由協(xié)議的用戶守護(hù)進(jìn)程主要是初始化系統(tǒng)的硬件和軟件，收發(fā)Mesh＿aodv協(xié)議中各種數(shù)據(jù)幀的收發(fā)以及設(shè)定其參數(shù)等。用戶守護(hù)進(jìn)程主要由以下幾個(gè)主要模塊構(gòu)成：Mesh＿aodv協(xié)議的HELLO、RREQ、RREP、RERR幀的生成、收發(fā)和處理模塊；Mesh＿aodv socket接口，負(fù)責(zé)Mesh＿aodv協(xié)議的所有控制幀的傳輸接口；Mesh＿aodv內(nèi)核路由表netlink接口，負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)核路由表進(jìn)行處理；初始化Mesh＿aodv路由協(xié)議運(yùn)行參數(shù)，如路由生存時(shí)間、生存時(shí)間（TTL）初始值和最大值等等；定時(shí)器隊(duì)列，通過向其添加或刪除定時(shí)器來表明Mesh＿aodv路由協(xié)議中事件，即當(dāng)某定時(shí)器發(fā)生中斷時(shí)，該系統(tǒng)便會(huì)觸發(fā)該事件的函數(shù)對(duì)其處理。用戶守護(hù)進(jìn)程流程如圖4所示。

3.2.2 后臺(tái)進(jìn)程Aodvd

后臺(tái)進(jìn)程Aodvd主要是用于路由查找以及建立和維護(hù)與其他節(jié)點(diǎn)之間的路由信息。當(dāng)本地節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí)，開始會(huì)在內(nèi)核路由緩沖表中查找，該數(shù)據(jù)分組會(huì)被傳送出去；如果不存在的話，就會(huì)使用內(nèi)核掛載點(diǎn)的掛載函數(shù)處理該數(shù)據(jù)包，也就是將該包經(jīng)raw socket接口發(fā)送到用戶空間并進(jìn)行緩存，并且Aodvd調(diào)用路由算法程序?qū)で舐酚桑?dāng)該路由建立的時(shí)候，會(huì)將該數(shù)據(jù)分組經(jīng)raw socket接口再次傳送到Mesh＿aodv的內(nèi)核空間；如果路由查找完畢仍沒發(fā)現(xiàn)該路徑，就會(huì)將用戶空間的緩存數(shù)據(jù)包丟棄（drop）。

4 結(jié)語

本文針對(duì)當(dāng)前煤礦井下視頻傳輸存在的移動(dòng)性差、覆蓋范圍小、傳輸質(zhì)量不高等問題，設(shè)計(jì)了一種基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)無線路由器裝置。本系統(tǒng)能夠很好的適應(yīng)無線網(wǎng)絡(luò)，并在PC機(jī)上對(duì)視頻監(jiān)控程序進(jìn)行了測(cè)試，視頻清晰無失真。該裝置的設(shè)計(jì)解決了綜采工作面遠(yuǎn)程可視化開采的一個(gè)實(shí)際難題，對(duì)下一步綜采工作面的信息化推進(jìn)具有一定的實(shí)際意義。

［1］ 楊水清，張劍，施云飛等.Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008

［2］ 王懷新，楊合法等.礦井安全生產(chǎn)無線網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)在鄭煤集團(tuán)公司的應(yīng)用［J］.中國(guó)煤炭，2004（2）

［3］ 李建忠.基于ARM的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的研究［D］.南京理工大學(xué)，2008

［4］ 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)［M］.北京：人民郵電出版社，2010

Design of mine wireless Mesh network routing node based on IEEE802.11

Ding Jicun1，2，Yang Peng2，Gao Mingyu1
（1.School of Information and Electrical Engineering，CUMT，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.Jining No.3Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shandong 272169，China；3.Xinglongzhuang Mine，Yanzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Jining，Shandong 272169，China）

A kind of wireless router device of video monitoring system based on the ARM is introduced.Based on the embedded S3C2440development platform，through the wireless network module，the device realizes the access of video clients and the data packet transmission in backbone links of mine Mesh network.This paper analyzes the overall structure and hardware structure of the wireless router，and elaborates the software design and implementation of several core modules such as the kernel space and user space of the wireless router device.

video monitoring，wireless router，ARM

TD655.3

A

丁繼存（1982－），男，山東兗州人，工程師，在讀碩士，研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

（責(zé)任編輯 王雅琴）