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

王冬星，馬英瑞，李　梓，李　娟，王　沖

(大慶師范學院 計算機科學與信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163712)

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

王冬星，馬英瑞，李梓，李娟，王沖

(大慶師范學院 計算機科學與信息技術(shù)學院，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頂盒組成Wifi網(wǎng)絡，方便移動設備上網(wǎng)，又能通過它看電視。基于此，研究與實現(xiàn)了一個基于機頂盒的無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。首先對機頂盒嵌入式開發(fā)技術(shù)做了一些介紹，然后對機頂盒的uboot、內(nèi)核和文件系統(tǒng)重新設計、定制，使其支持Wifi等功能，最后對系統(tǒng)進行了測試與總結(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。時至今日，中國電視機生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐步將“上網(wǎng)功能”作為電視機的配置標準，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者追捧的。據(jù)統(tǒng)計，2013年我國具有聯(lián)網(wǎng)功能的電視機的銷售量為2397萬臺，占電視機銷售總量的51.1%。預計2015年平板電視中將有近八成的電視機具有聯(lián)網(wǎng)功能。根據(jù)2010年出臺的“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)推廣試點經(jīng)驗，全面實現(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、距離遠等優(yōu)勢。目前，很多公共場所都提供免費wifi服務，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機頂盒框架結(jié)構(gòu)介紹

機頂盒作為家庭消費終端，主要提供點播、直播、錄播等功能。無線網(wǎng)絡的機頂盒是基于802.11n無線網(wǎng)絡進行數(shù)字電視信號傳輸，它需要硬件接口和系統(tǒng)的支持，使其能與硬件設備進行數(shù)據(jù)交換。同時，軟件方面需要安裝一個功能較強的嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)，在完成驅(qū)動硬件的基本功能之上，提供多種服務功能，機頂盒的框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

上層應用程序(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)系統(tǒng)調(diào)用接口和硬件驅(qū)動庫硬件平臺(網(wǎng)絡接口,音視頻輸出接口和各種硬件接口)

圖1機頂盒框架結(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)是一個基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)之上編寫的一個系統(tǒng)，在移動電話、個人數(shù)字助理、航空航天等領(lǐng)域中被廣泛應用。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是免費的，在市場上有良好的競爭力。

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

嵌入式linux系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成bootloader、kernel(含驅(qū)動)和rootfs。其工作次序為：系統(tǒng)上電后運行bootloader，bootloader為內(nèi)核準備參數(shù)并加載運行內(nèi)核，內(nèi)核執(zhí)行文件系統(tǒng)中的腳本和應用程序。

2系統(tǒng)移植的設計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)移植流程設計

嵌入式無線網(wǎng)絡系統(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設計與實現(xiàn)

Uboot設計與實現(xiàn)主要有5個步驟：

1)下載開源代碼uboot.tar.gz并解壓，為下一步Uboot的重新設計做準備。

2)配置Uboot，因為不同的系統(tǒng)需要不同的內(nèi)核和Uboot，本文是對機頂盒系統(tǒng)所使用Uboot進行裁剪、配置，主要操作包括進入uboot原碼根目錄，在include/configs/添加hi3560v100.h，并在該文件設置系統(tǒng)需要的參數(shù)信息，如宏命令設置，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文件中有多個目標執(zhí)行選項，make hi3560e_config是makefile文件的一個目標選項的執(zhí)行。使用該命令一般會在include目錄下生成機頂盒開發(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、使用的動態(tài)庫、相應的頭文件等信息。

4)make

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

2.3內(nèi)核裁剪與設計

內(nèi)核裁剪與設計主要有4個步驟：

1)下載linux內(nèi)核linux2.6.14.tar.gz，在該內(nèi)核基礎上進行機頂盒系統(tǒng)的裁剪和設計。

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；

該命令是進入內(nèi)核配置的圖形界面，配置對802.11n協(xié)議棧的支持和對無線的支持，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)下進行編程，建立目標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)進入etc/init.d目錄下，建立腳本文件rcS，設計內(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

進入lib目錄，添加相應的庫文件。

4)移植Busybox

解壓busybox的壓縮文件，進入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

由于每個版本的配置選項組織有所不同，編程時注意以下選項即可：

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，對其進行編譯：

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

將相應的可執(zhí)行文件和已編譯的Wifi驅(qū)動模塊復制到根文件系統(tǒng)的相應目錄下。

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，進行系統(tǒng)測試，以驗證具有無線聯(lián)網(wǎng)功能的機頂盒完全好使。

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

1)設置基本的uboot環(huán)境變量

# setenv serverip 172.16.6.60//主機ip設置

# setenv ipaddr 172.16.6.61 //目標板ip設置

# 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)啟動參數(shù)設置

# setenv bootcmd nand read c2000000 100000 a00000; bootm c2000000

//設置啟動命令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)絡測試

啟動機頂盒，進入系統(tǒng)后，插入WiFi驅(qū)動模塊，ping網(wǎng)絡以測試網(wǎng)絡模塊是否正常工作，經(jīng)測試工作正常。具體測試過程如下所示。

1)插入網(wǎng)絡模塊，命令如下：

#insmod 8192cu.ko

2)查看網(wǎng)卡標識，命令如下：

# iwconfig

3)查看網(wǎng)卡信息，命令如下(此次網(wǎng)卡標識為rausb0)：

# ifconfig rausb0 up

# ifconfig

4)設置ESSID。所謂ESSID，Service Set Identifier，用來區(qū)分不同的網(wǎng)絡，也稱作服務區(qū)別號，簡單的說SSID就是一個局域網(wǎng)的名稱。具體命令如下：

# iwconfig rausb0 essid test-gtb

# iwconfig

如果設置成功可以看到，rausb0，ESSID，"test"。如果設置的網(wǎng)絡不對，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，網(wǎng)絡提示ping通，鏈接已經(jīng)建立，即無線網(wǎng)絡已經(jīng)成功。其命令如下：

# ping 192.168.1.1

經(jīng)過測試，本文所設計的WIFI驅(qū)動正常運行，最終實現(xiàn)了機頂盒通過Wifi的聯(lián)網(wǎng)功能，達到了預期的設計目標。在測試過程中，發(fā)現(xiàn)還可以進行嵌入式功能擴充，為下一步研究奠定了基礎。

4結(jié)語

本文首先介紹了機頂盒與Wifi無線通信的發(fā)展現(xiàn)狀，然后研究與設計了一個基于機頂盒對無線聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過開發(fā)環(huán)境的搭建、WIFI驅(qū)動的設計、系統(tǒng)的移植，最終實現(xiàn)了機頂盒的WIFI聯(lián)網(wǎng)。經(jīng)過測試，系統(tǒng)基本完成了預期功能，但還有改進空間，如代碼進行詳細優(yōu)化，功能完善與擴充，這為下一步研究奠定了良好基礎，并為相關(guān)工作提供了借鑒。

[參考文獻]

[1] 姜鳳紅．三網(wǎng)融合下互聯(lián)網(wǎng)電視面臨的機遇與挑戰(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)設計與應用[D].昆明：昆明理工大學碩士學位論文，2013.

[4] 鄭玉洲．無線網(wǎng)絡安全的機制與技術(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：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：2095-0063(2015)06-0001-05

收稿日期：2015-3-16

基金項目：大慶市指導性科技計劃項目：物聯(lián)網(wǎng)中容錯斷控制策略的研究與應用(szdfy-2015-61)。

作者簡介：王冬星(1977-)，女，黑龍江大慶人，副教授，從事計算機應用和軟硬件協(xié)調(diào)設計研究。

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