基于嵌入式Linux的3G無(wú)線視頻終端的設(shè)計(jì)方案解析

　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，3G網(wǎng)絡(luò)以其高帶寬使得傳輸流暢的視頻信息成為可能，本文在采用3G技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式Linux的無(wú)線終端，在數(shù)據(jù)處理部分采用了Linux的Netfilter架構(gòu)，通過(guò)掛載鉤子函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在內(nèi)核態(tài)的獲取及高效轉(zhuǎn)發(fā)，并且通過(guò)在Linux內(nèi)核開(kāi)辟一片緩沖區(qū)，解決了視頻服務(wù)器與3G模塊撥號(hào)延時(shí)而造成的速率不匹配的問(wèn)題，減少了數(shù)據(jù)丟包。配合Netfilter用戶態(tài)管理工具iptables的使用，可實(shí)現(xiàn)包過(guò)濾防火墻，及NAT等功能，從而便于本系統(tǒng)對(duì)流經(jīng)其數(shù)據(jù)包的管理。
　　另一方面對(duì)嵌入式Linux的視頻采集程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并將其實(shí)際應(yīng)用到了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊中去，完成了數(shù)據(jù)的采集工作，同時(shí)針對(duì)目前市場(chǎng)上對(duì)與3G模塊通常只提供Windows CE下的驅(qū)動(dòng)這一情況，開(kāi)發(fā)了嵌入式Linux系統(tǒng)下的3G模塊驅(qū)動(dòng)程序，在軟件設(shè)計(jì)上充分發(fā)揮了開(kāi)源軟件的優(yōu)勢(shì)，采用高效的Xvidcore編解碼庫(kù)，來(lái)完成視頻的編碼，以及使用PPP源碼來(lái)編譯撥號(hào)上網(wǎng)工具，成本低廉并且縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，使得本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。
　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　硬件上采用“ARM 3G模塊”系統(tǒng)架構(gòu)。ARM與3G模塊采用分離模塊的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)USB線相連，較整體設(shè)計(jì)而言具有更好的靈活性，使得一些現(xiàn)有的以ARM為主處理器的系統(tǒng)能夠很好地?cái)U(kuò)展3G功能，便于產(chǎn)品的過(guò)渡。本系統(tǒng)的核心處理器是S3C2440A，S3C2440A是一款由SamSu-ng半導(dǎo)體公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC微處理器。內(nèi)部帶有全性能的MMU（內(nèi)存處理單元），主頻為400MHz最大可達(dá)到533MHz，提供了一個(gè)數(shù)字?jǐn)z像頭接口（Camera Interface）。具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性。而3G模塊核心部件采用的是MC8630模塊，該模塊具有語(yǔ)音、短信和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，可以廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸、安防、無(wú)線媒體、直放站監(jiān)控、鐵路終端和車載監(jiān)控等領(lǐng)域。
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)主要由視頻采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)模塊組成。
　　2．1 視頻采集模塊設(shè)計(jì)
　　根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，在本系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)來(lái)源主要有兩個(gè)方面：
　　1）系統(tǒng)與可提供主動(dòng)上傳功能的視頻服務(wù)器通過(guò)RJ45網(wǎng)線直接相接 主要用于完成多路視頻圖像采集。視頻服務(wù)器的主要功能是將攝像頭采集的數(shù)據(jù)完成編碼壓縮，并且將壓縮的數(shù)據(jù)以IP包的形式發(fā)送給接收端，由于該類視頻服務(wù)器通常是在局域網(wǎng)內(nèi)使用，目前還很少有對(duì)于3G網(wǎng)絡(luò)的支持，隨著3G技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展的不斷深入，將在很大程度上取代有線網(wǎng)絡(luò)。所以本系統(tǒng)可作為現(xiàn)有視頻服務(wù)器的3G功能擴(kuò)展。針對(duì)在外接視頻服務(wù)器時(shí)只需對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)而無(wú)需對(duì)IP數(shù)據(jù)本身做分析處理的問(wèn)題，并且在系統(tǒng)啟動(dòng)到3G模塊撥號(hào)成功獲得IP地址之間會(huì)有一定的延遲，在本系統(tǒng)中提出了采用Linux的Netfilter架構(gòu)的方法以及緩沖機(jī)制，通過(guò)在數(shù)據(jù)流經(jīng)TCP／IP協(xié)議棧時(shí)掛載鉤子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)在內(nèi)核態(tài)的獲取，并且通過(guò)在內(nèi)核開(kāi)辟一塊足夠大的環(huán)形緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)需要頻繁對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)，為避免產(chǎn)生內(nèi)存碎片，在本系統(tǒng)中采用了環(huán)形隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在3G模塊獲得IP地址后，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，由3G網(wǎng)絡(luò)完成轉(zhuǎn)發(fā)，從而降低丟包率并且提高數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)效率。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的方法是采用socket API來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，其對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)通常發(fā)生在用戶態(tài)，對(duì)于Linux操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，用戶進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)和所占用的CPU時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)核線程，同時(shí)內(nèi)核進(jìn)程擁有較高的執(zhí)行優(yōu)先度，故在網(wǎng)絡(luò)布局允許獲得IP數(shù)據(jù)包的條件下，將用戶態(tài)的數(shù)據(jù)包獲取功能載入內(nèi)核態(tài)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的處理能力，增加系統(tǒng)的有效帶寬，本方法還可用于其他對(duì)IP數(shù)據(jù)本身進(jìn)行處理并且對(duì)處理效率有苛刻要求的系統(tǒng)中，例如：本方法在本實(shí)驗(yàn)室與某航空院合作開(kāi)發(fā)的IP-TS協(xié)議轉(zhuǎn)換器上也得到了成功的應(yīng)用，具有一定的通用性。Netfilter是Linux 2．6．x系列內(nèi)核提供的一套數(shù)據(jù)包過(guò)濾框架，基于該框架的軟件能夠?qū)崿F(xiàn)如數(shù)據(jù)包過(guò)濾、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）等功能。要使用Netfilter，在內(nèi)核編譯時(shí)設(shè)置“Network Packet Fihering”選項(xiàng)。Netfilter提供了一個(gè)抽象、通用化的框架，作為中間件，為每種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IPv4、IPv6等）定義一套鉤子函數(shù)。對(duì)于Ipv4協(xié)議定義了5個(gè)鉤子函數(shù)，這些鉤子函數(shù)在數(shù)據(jù)報(bào)流過(guò)協(xié)議棧的5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)被調(diào)用，Netfilter可以在通過(guò)TCP／IP協(xié)議棧的路徑中的幾個(gè)定義良好的點(diǎn)上捕獲數(shù)據(jù)包，IPv4中的一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)netfilter系統(tǒng)的過(guò)程如圖2所示。
　　
　　NF_IP_PRE_ROUTING
　　在對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行初始正確性檢查（校驗(yàn)和等）后，截獲該數(shù)據(jù)包。
　　NF_IP_LOCAL_IN
　　如果數(shù)據(jù)包將要到達(dá)本地主機(jī)，則捕獲該數(shù)據(jù)包。
　　NF_IP_FORWARD
　　如果數(shù)據(jù)包將要到達(dá)某些其他主機(jī)，則捕獲該數(shù)據(jù)包。
　　NF_IP_LOCAL_OUT
　　在本地捕獲其目的地是外部的已創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包。
　　NF_IP_POST_ROUTING
　　這是最后的鉤子，在此之后將傳輸數(shù)據(jù)包。