基于ARM11的嵌入式通信系統(tǒng)

王猛，張為，劉艷艷

0 引言

近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的電子產(chǎn)品成為當(dāng)今市場(chǎng)的主流，遍布于家用電子、消費(fèi)電子等各個(gè)方面。而伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興概念的提出，電子產(chǎn)品之間的數(shù)據(jù)交換、網(wǎng)絡(luò)通信以及產(chǎn)品之間的協(xié)同操作勢(shì)必成為今后的研究熱點(diǎn)。

本系統(tǒng)基于統(tǒng)一通信的需求，采用C/S 模式，服務(wù)器端運(yùn)行于PC，客戶(hù)端運(yùn)行于Mini6410 ARM 平臺(tái)，以軟件方式實(shí)現(xiàn)了多客戶(hù)端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的語(yǔ)音交談及文件和消息的傳輸，具有較強(qiáng)的移植性，可以適應(yīng)有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)等多種網(wǎng)絡(luò)接入方式。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件包括PC 機(jī)，采用搭載三星公司的S3C6410芯片的Mini6410 ARM 平臺(tái)；操作系統(tǒng)均采用Linux 系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。

本系統(tǒng)采用C/S 模式，運(yùn)行于PC的服務(wù)器端，采用Java 語(yǔ)言編寫(xiě)，并設(shè)計(jì)了可視化界面，方便管理員對(duì)系統(tǒng)的常規(guī)操作和管理，后臺(tái)鏈接MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，保存系統(tǒng)相應(yīng)執(zhí)行過(guò)程和數(shù)據(jù)。運(yùn)行于ARM 平臺(tái)的客戶(hù)端采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，同時(shí)基于MiniGUI 設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的可視化界面，具有登陸，退出等功能，并且可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的語(yǔ)音時(shí)時(shí)交流，及文件和消息傳輸。系統(tǒng)軟件功能示意圖，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)軟件功能示意圖

現(xiàn)有類(lèi)似通信系統(tǒng)[1][2]在數(shù)據(jù)傳輸方式上只支持客戶(hù)端和服務(wù)器之間的單向通信，或多客戶(hù)端自身具有獨(dú)立IP地址的情況。但是，當(dāng)今嵌入式設(shè)備無(wú)線(xiàn)接入的情況愈發(fā)普遍，相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備只是此網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)端口，對(duì)外網(wǎng)而言，并不具備獨(dú)立的IP 地址。此時(shí)，基于上述數(shù)據(jù)傳輸方式的通信系統(tǒng)便不再有效。另外，部分嵌入式處理器的通信系統(tǒng)[3][4]只能實(shí)現(xiàn)相對(duì)單一的功能，如單獨(dú)傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)，或單獨(dú)傳輸文字信息等。

針對(duì)以上情況，本文提出一種基于C/S 模式的通信傳輸系統(tǒng)，即將客戶(hù)端要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)最初的通信連接發(fā)送至服務(wù)器，再由服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)重新打包發(fā)給需要接收的客戶(hù)端。如此可以實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端在不具備獨(dú)立IP 地址的情況下與其他客戶(hù)端的多種數(shù)據(jù)交換，同時(shí)可基于云計(jì)算等技術(shù)在服務(wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，增加功能，擴(kuò)展應(yīng)用；此外采用多線(xiàn)程技術(shù)，緩解了服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求時(shí)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

2 軟件功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)由于其小巧、開(kāi)源、功能強(qiáng)大等原因被廣泛采用，通過(guò)相應(yīng)的SQL 語(yǔ)句進(jìn)行增加、刪除、修改、查詢(xún)等操作，可以方便有效的進(jìn)行系統(tǒng)管理。在本系統(tǒng)中，服務(wù)器端后臺(tái)與MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)連接，以JDBC 方式驅(qū)動(dòng)，通過(guò)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)表單的值以達(dá)到控制客戶(hù)端間通信及管理整個(gè)系統(tǒng)的功能。

在MySQL 中，建立了名為family的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中創(chuàng)建了如下表單：msgTbl、room、roomCreater、roomState、setAnswer、setAsk、userState；還包含兩張動(dòng)態(tài)表msgTbl_Id和userTbl_Id。每張表都由一個(gè)主鍵及其他字段，通過(guò)“表關(guān)聯(lián)”可以將多張表關(guān)聯(lián)起來(lái)，使數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)并非各自獨(dú)立，而是可以方便地表達(dá)復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系。這些表單分別記錄著群組信息，管理者信息，創(chuàng)建者信息，用戶(hù)信息，響應(yīng)信息，及系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)客戶(hù)間的索引信息和應(yīng)答內(nèi)容信息等。數(shù)據(jù)庫(kù)中的動(dòng)態(tài)，如表1所示：

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)中動(dòng)態(tài)表userTbl_Id

表1 動(dòng)態(tài)記錄了登陸到系統(tǒng)某Id 群組的客戶(hù)信息，包括客戶(hù)名、客戶(hù)IP 地址與端口、登陸時(shí)間、用戶(hù)狀態(tài)、離開(kāi)的時(shí)間。其中，客戶(hù)狀態(tài)可以通過(guò)“userStateId”字段與表“userState”進(jìn)行關(guān)聯(lián)獲知。此表為系統(tǒng)的應(yīng)答響應(yīng)過(guò)程及數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程提供了良好的服務(wù)，使整個(gè)系統(tǒng)傳輸機(jī)制得以正常運(yùn)行。

2.2 語(yǔ)音傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的語(yǔ)音雙工實(shí)現(xiàn)流程，如圖2所示：

圖2 點(diǎn)到點(diǎn)語(yǔ)音傳輸過(guò)程

考慮到語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸對(duì)效率要求較高，故在實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音雙工通信時(shí)采用無(wú)連接的UDP 協(xié)議，保證傳輸?shù)挠行?。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的語(yǔ)音傳輸及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的語(yǔ)音傳輸，可以分別用topersonsound 及toallsound 命令請(qǐng)求開(kāi)啟。此處僅以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的語(yǔ)音傳輸為例做具體說(shuō)明，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)語(yǔ)音傳輸機(jī)制相似。

在所有客戶(hù)端登陸服務(wù)器的初始階段，客戶(hù)端與服務(wù)器的連接信息已經(jīng)記錄在后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，不管客戶(hù)端是否具有獨(dú)立IP，其與服務(wù)器的連接建立是唯一可見(jiàn)的，所以此種通信機(jī)制可以適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

當(dāng)客戶(hù)端發(fā)起語(yǔ)音傳輸請(qǐng)求時(shí)，會(huì)先向服務(wù)器發(fā)送語(yǔ)音傳輸請(qǐng)求，并附有接收者的信息，服務(wù)器再將此請(qǐng)求發(fā)給指定接收者，若接收者同意請(qǐng)求，則發(fā)確認(rèn)消息經(jīng)服務(wù)器發(fā)回給發(fā)送端，如此即建立起經(jīng)過(guò)服務(wù)器中轉(zhuǎn)的發(fā)送端和接收端的語(yǔ)音通信連接。

為不影響其他數(shù)據(jù)的傳輸，發(fā)送端和接收端都會(huì)開(kāi)啟新的線(xiàn)程單獨(dú)傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)，同時(shí)服務(wù)器也會(huì)在接收到表示傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)的“sound”標(biāo)識(shí)后新建語(yǔ)音處理線(xiàn)程，并新建一個(gè)數(shù)據(jù)接收對(duì)象DatagramSocket 綁定到專(zhuān)門(mén)用于語(yǔ)音傳輸?shù)亩丝谏?。其客?hù)端及服務(wù)器端新建線(xiàn)程的代碼如下：

在發(fā)送端及接收端進(jìn)行語(yǔ)音雙向傳輸時(shí)，其經(jīng)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)前分別加上“fs_s”和“fs_r”的標(biāo)識(shí)，以令服務(wù)器明確數(shù)據(jù)應(yīng)向何處轉(zhuǎn)發(fā)。而在服務(wù)器接收以上數(shù)據(jù)時(shí)循環(huán)調(diào)用DatagramSocket 對(duì)象的receive（）方法，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為字節(jié)數(shù)組，再在數(shù)據(jù)前加上“SOUND”標(biāo)識(shí)，再調(diào)用DatagramSocket 對(duì)象的send（）方法轉(zhuǎn)發(fā)給指定的客戶(hù)端，至此，完成了語(yǔ)音的雙工通信。

在最后階段，如需終止語(yǔ)音傳輸，只需用“OVERSOUND”命令結(jié)束此會(huì)話(huà)，客戶(hù)端會(huì)在發(fā)送時(shí)加上“OVERSOUND”頭標(biāo)識(shí)，服務(wù)器端獲取到“OVERSOUND”標(biāo)識(shí)即結(jié)束此通信過(guò)程。

對(duì)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)語(yǔ)音傳輸，只需將“SOUND_S”和“SOUND_R”的頭標(biāo)識(shí)換為“SOUND_S_ALL”和“SOUND_R_ALL”，此時(shí)通知服務(wù)器要將語(yǔ)音數(shù)據(jù)發(fā)至群組所有客戶(hù)端，并且其中包含了發(fā)送者信息。其他機(jī)制大體相似。

2.3 文件傳輸

不同于語(yǔ)音的實(shí)時(shí)性要求，在Internet 環(huán)境下由于丟包及亂序現(xiàn)象普遍，而文件數(shù)據(jù)要求其完整和可靠性，故在文件傳輸?shù)臅r(shí)候采用TCP 協(xié)議，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的文件傳輸為例，具體流程，如圖3所示：

圖3 點(diǎn)到點(diǎn)文件傳輸過(guò)程

在初始連接階段，客戶(hù)端與服務(wù)器之間建立TCP 連接，并在服務(wù)器端單獨(dú)開(kāi)辟處理文件傳輸?shù)男戮€(xiàn)程，并開(kāi)辟新端口用以傳遞客戶(hù)端之間交換的數(shù)據(jù)。當(dāng)雙方確定開(kāi)始傳輸文件后，發(fā)送端首先將文件名信息及接收者信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器再依據(jù)此信息將文件名傳給指定接收者，之后發(fā)送端以固定長(zhǎng)度的文件幀（此處設(shè)為1024 字節(jié)）發(fā)送給服務(wù)器再由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，接收者則循環(huán)接收文件內(nèi)容。當(dāng)文件傳輸最后數(shù)據(jù)不足設(shè)定的每次傳輸?shù)奈募L(zhǎng)度，則只將剩余部分傳輸，并標(biāo)識(shí)傳輸大小，接收端依此大小接收，至此文件傳輸過(guò)程結(jié)束。

對(duì)于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的文件傳輸，只需在上圖發(fā)送第一幀的信息中將"NAME_TOPER"換為"NAME_TOALL"即可。

2.4 字符消息傳輸

對(duì)于字符消息的傳輸，由于其所需傳輸數(shù)據(jù)量小，可以與控制信息及請(qǐng)求命令等共用同一線(xiàn)程，無(wú)需如傳輸語(yǔ)音和文件數(shù)據(jù)時(shí)新建線(xiàn)程，減小資源消耗，其傳輸過(guò)程，如圖4所示：

圖4 點(diǎn)到點(diǎn)消息傳輸過(guò)程

發(fā)送端首先發(fā)送接收者信息給服務(wù)器端，當(dāng)服務(wù)器端判斷接收者存在則返回相應(yīng)幀消息，否則提示接收者不在，并在發(fā)送端屏幕上顯示。當(dāng)發(fā)送端接收到正常的相應(yīng)消息時(shí)則發(fā)送消息內(nèi)容給服務(wù)器，服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)此消息給接收端，接收端解析此消息，并會(huì)在屏幕上打印出消息發(fā)送者昵稱(chēng)及其發(fā)送內(nèi)容。

3 系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果

該系統(tǒng)的服務(wù)器端運(yùn)行于裝有Redhat Linux 操作系統(tǒng)的PC 機(jī)，后臺(tái)連接MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，兩個(gè)客戶(hù)端均分別運(yùn)行于Mini6410 ARM11 開(kāi)發(fā)平臺(tái)。將在PC 機(jī)上開(kāi)發(fā)好的客戶(hù)端程序進(jìn)行交叉編譯，生成可執(zhí)行文件，再通過(guò)串口的方式下載到兩個(gè)開(kāi)發(fā)板上。其中一個(gè)客戶(hù)端通過(guò)路由接入Internet 網(wǎng)，另一個(gè)客戶(hù)端直接接入Internet 網(wǎng)，服務(wù)器端自身為獨(dú)立IP 地址，以此模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淝闆r。系統(tǒng)開(kāi)啟后，如圖5所示：

圖5 服務(wù)器界面及客戶(hù)端登陸界面

管理員在服務(wù)器端開(kāi)啟用戶(hù)組，等待客戶(hù)端登陸，，服務(wù)器端和客戶(hù)端分別基于AWT 和MiniGUI 設(shè)計(jì)了可視化界面，方便與用戶(hù)交互。之后進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸，如圖6所示：

圖6 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)語(yǔ)音傳輸截圖

此處選中Toperson 選項(xiàng)，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)語(yǔ)音傳輸，若當(dāng)選中ToAll 選項(xiàng)，則可以與用戶(hù)組中其他所有客戶(hù)端進(jìn)行語(yǔ)音通信。而在進(jìn)行文件傳輸時(shí)，如圖7所示：

圖7 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)文件傳輸截圖

首先選中Toperson 選項(xiàng)，輸入要發(fā)送的客戶(hù)端，然后點(diǎn)擊Openfile 按鈕選擇要發(fā)送的文件，之后即進(jìn)行發(fā)送。而圖8 顯示：

圖8 字符消息發(fā)送截圖

消息發(fā)送界面，在''MESSAGE LOG WINDOW"下顯示客戶(hù)端間相互發(fā)送的消息，在其下方的文本輸入框下可以輸入要發(fā)送的消息，選擇要發(fā)送的客戶(hù)端進(jìn)行發(fā)送。

語(yǔ)音傳輸測(cè)試表明，可實(shí)現(xiàn)雙工通話(huà)，話(huà)音清晰，通話(huà)延遲小于3秒。分別針對(duì)音頻、視頻、圖片及文本四種類(lèi)型文件測(cè)試了系統(tǒng)的文件傳輸功能，測(cè)試結(jié)果，如表2所示：

表2 各測(cè)試文件傳輸速度比較

上測(cè)試結(jié)果表明，在Internet 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，本系統(tǒng)的文件傳輸過(guò)程克服了丟包及時(shí)延的影響，文件接收完整，傳輸速率達(dá)到80k/s。

在消息傳輸?shù)臏y(cè)試中，系統(tǒng)響應(yīng)快速，消息的發(fā)送端及消息內(nèi)容等信息均正常顯示在屏幕上，無(wú)丟包亂序的情況出現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)解決了在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境下基于嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題，其特點(diǎn)為低成本、易移植，應(yīng)用廣，可廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子及新型的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。當(dāng)然，因?yàn)閿?shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，本系統(tǒng)對(duì)于處于同一局域網(wǎng)之間的嵌入式設(shè)備而言，效率較低。可通過(guò)加入判斷條件，令處于同一網(wǎng)段的嵌入式設(shè)備之間進(jìn)行直接通信以提高效率，進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，此為另一研究課題。

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