陳 新，翁秋華

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

近年來，中國正處在網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展階段，尤其是中國進(jìn)入 3G時代以來推動各項(xiàng)無線業(yè)務(wù)快速發(fā)展，除了3G技術(shù)外，其中最為明顯的是Wi-Fi無線通信技術(shù)高速發(fā)展。Wi-Fi，英文全稱為 wireless fidelity，中文意思為“無線保真”。Wi-Fi技術(shù)是IEEE定義的無線局域網(wǎng)通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802 11[1]。該標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 802 11a、802 11b和802 11g。相比傳統(tǒng)有線接入技術(shù)，Wi-Fi技術(shù)具有更大靈活性;與其他的無線技術(shù)相比，Wi-Fi技術(shù)則具有傳輸速率快，傳輸距離遠(yuǎn)，搭建方便等優(yōu)點(diǎn)。由于嵌入式技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種便捷式電子產(chǎn)品的開發(fā)，其中以 ARM 架構(gòu)體系最為常見，在相應(yīng)設(shè)備上為訪問互聯(lián)網(wǎng)而增加 Wi-Fi功能成為一個必然的選擇。由于 Linux的開源性，可以應(yīng)用的資源較為豐富，以及對驅(qū)動支持日益完善。文中通過對 Linux下的ARM構(gòu)架體系的Wi-Fi無線通信功能的圖形化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，概括了Linux下完整開發(fā)Wi-Fi功能一般步驟。

對于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常分為兩部分：硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。硬件提供必要的資源構(gòu)成實(shí)體，而軟件則提供系統(tǒng)運(yùn)行和相應(yīng)各種功能實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

[2]。整個系統(tǒng)由AR9271無線通信模塊、ARM920T（S3C2440A）處理器、LCD顯示屏（含觸摸）、NAND、FLASH、SDROM、電源管理等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中設(shè)計(jì)依據(jù)是：由FLASH啟動系統(tǒng)，并向AR9271無線通信模塊供電，由USB接口受ARM的Linux系統(tǒng)識別，由串口輸入請求激活A(yù)R9271，生成相應(yīng)的wlan0套接字接口，利用無線連接工具掃描周圍的無線網(wǎng)絡(luò)，選擇其中的一個網(wǎng)絡(luò)，請求連接，由系統(tǒng)識別的端口的自動獲取IP，從而接入互聯(lián)網(wǎng)。通信數(shù)據(jù)包通過系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議暫存在SDROM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，最后由LCD顯示。

圖1 系統(tǒng)框

1.1 AR9271模塊

AR9271是一款A(yù)theros公司為家庭網(wǎng)關(guān)、機(jī)頂盒、掌上游戲機(jī)、打印機(jī)以及各種其他嵌入式無線產(chǎn)品提供高性能的 Wi-Fi芯片。此外，它還可集成到筆記本電腦和桌面電腦的無線USB適配器中，能簡便地在現(xiàn)有PC上實(shí)現(xiàn)低價格的性能升級。

AR9271芯片采用全新的架構(gòu)，集成了可運(yùn)行更多片上無線LAN功能的CPU與存儲器。這種集成式CPU可減輕主機(jī)設(shè)備的無線處理開銷。該項(xiàng)設(shè)計(jì)可使消費(fèi)類電子設(shè)備上原本不支持無線功能的主機(jī)處理器現(xiàn)在也能提供穩(wěn)健的Wi-Fi功能。AR9271具有創(chuàng)新的主機(jī)設(shè)備任務(wù)分擔(dān)特性，不僅可使WLAN自主運(yùn)行，而且還可實(shí)現(xiàn)與主機(jī)設(shè)備應(yīng)用的無縫配合。向用戶提供了USB接口，故采用USB接口。

1.2 S3C2440A模塊

該系統(tǒng)采用S3C2440A作為ARM920T的核心模塊，該處理器的主頻能夠輕松地運(yùn)行 Linux、Windows CE等操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的內(nèi)部中斷和TCP/IP的輪詢調(diào)用功能，S3C2440A有130個通用可編程多功能的I/O端口，其中包括USB接口，可以直接與 AR9271通信模塊相連，這對簡化外圍電路擴(kuò)展部分有很大幫助，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和簡化了軟件設(shè)計(jì)，所以選用S3C2440A作為本系統(tǒng)的CPU，其與AR9271的控制接口如圖2。

圖2 AR9271與CPU接口控制

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)Wi-Fi功能，使系統(tǒng)能夠正常識別到AR9271無線通信模塊并能夠正常被調(diào)用，除了必要的硬件連接,還要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，通過Linux操作系統(tǒng)驅(qū)動配置和加載，使 AR9271模塊接上網(wǎng)絡(luò)并和Linux系統(tǒng)的S3C2440A模塊通信，最后設(shè)計(jì)成圖形化連接界面方便前臺獨(dú)立操作。其設(shè)計(jì)流程如圖 3所示。

圖3 軟件處理流程

2.1 驅(qū)動編譯與加載

參考文獻(xiàn)[3-5]。由于設(shè)計(jì)所用的 AR9271是比較新的芯片，一般發(fā)行版的Linux（內(nèi)核版本2.6.35以下）系統(tǒng)沒有自帶驅(qū)動，所以應(yīng)另外編譯ARM版驅(qū)動，動態(tài)加載。下載碼源，進(jìn)入相應(yīng)的目錄，交叉編譯后得到 ath9k_htc.ko文件，拷貝到/lib/modules/driver/下通過NFS掛載文件系統(tǒng)，加載命令為：modprobe ath9k_htc.ko。最后還應(yīng)激活網(wǎng)卡，相應(yīng)命令為：ifconfig wlan0 up。

2.2 無線配置工具移植

根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)不同的加密類型，需要配置的命令也不同，其中wireless tools支持的驅(qū)動最為全面，但它不能連接 WPA/WPA2加密的網(wǎng)絡(luò)，而 wpa_supplicant則可以連接WPA/WPA2加密的網(wǎng)絡(luò)，但支持驅(qū)動有限。本設(shè)計(jì)所用 AR9271為 wpa_supplicant所支持驅(qū)動之一。因此，可以連接各種加密網(wǎng)絡(luò)。下載好相應(yīng)的碼源，對其交叉編譯，得到可執(zhí)行文件，分別為iwlist、iwconfig、wpa_cli、wpa_ passphrase、wpa_supplicant，放至/usr/sbin/目錄下。

2.3 連網(wǎng)測試實(shí)驗(yàn)

（1）連接無加密網(wǎng)絡(luò)

對于無加密網(wǎng)絡(luò)的連接，先掃描周圍可以檢測到的無線網(wǎng)絡(luò)，在終端輸入：iwlist wlan0 scannig；選擇其中一個特別為測試而搭建的無線網(wǎng)絡(luò)test，再次終端輸入：iwconfig wlan0 essid “test”；確認(rèn)為無加密網(wǎng)絡(luò)，終端輸入：iwconfig wlan0 key off（可不輸入本條命令，因?yàn)槟J(rèn)是無加密）；通過自動獲取IP方式連網(wǎng)，最后終端輸入：udhcpc –iwlan0,則可以看到獲得IP：192.168.1.109，這時可以看到ping –c 4 www.baidu.com有返回值。

（2）連接wep加密網(wǎng)絡(luò)

對于加密類型為wep的無線網(wǎng)絡(luò)，操作步驟與連接無加密網(wǎng)絡(luò)一樣，只要把其中的命令：iwconfig wlan0 key off修改為iwconfig wlan0 key xxxx(其中xxxx為10位16進(jìn)制數(shù)或是5位ASCII字符)，其余操作不變，最后連上網(wǎng)絡(luò)。

（3）連接wpa/wpa2加密網(wǎng)絡(luò)

由于連接加密類型為wpa/wpa2的網(wǎng)絡(luò)，需要先寫好配置文件，才能使用wpa_supplicant進(jìn)行連接。輸入命令：wpa_supplicant –B –iwlan0 –c/etc/wpa_supplicant.conf則表示已經(jīng)連上網(wǎng)絡(luò)，通過自動獲取IP方式連網(wǎng)，終端輸入：udhcpc –iwlan0,則可以看到獲得 IP：192.168.1.103，這時可以 ping –c 4 www.baidu.com有返回值。

其中配置文件/etc/wpa_supplicant.conf參考如下：

#指定接口路徑

#確保只有root用戶才能讀取配置文件

#配置文件可重寫

#掃描并選擇一個網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)沒找到時使用默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)

2.4 圖形化連接界面

鑒于上述整個操作過程都是在終端命令行下操作的，這給使用帶來諸多不便，不適合普通用戶的使用習(xí)慣，可以通過集成開發(fā)工具 Qt creator 編寫Wi-Fi圖形化連接界面[6-8]。根據(jù)實(shí)際需要可在主界面放置一個網(wǎng)絡(luò)列表：網(wǎng)絡(luò)名（SSID）、信號強(qiáng)度（Signal Level）、狀態(tài)（Status），還有掃描按鈕（Scan）、斷開按鈕（Disconnect）、最小化按鈕（Minimize）。當(dāng)掃描到網(wǎng)絡(luò)時，點(diǎn)擊該網(wǎng)絡(luò)，則會彈出連接對話框，如果該網(wǎng)絡(luò)是加密網(wǎng)絡(luò)則需要輸入密碼才可連接，對話框中有連接按鈕與取消按鈕。如圖4所示。

圖4 Wi-Fi連接開發(fā)界面

其中間的列表框用于顯示所掃描到的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過簡單處理后只顯示網(wǎng)絡(luò)名稱、信號強(qiáng)度和狀態(tài)；掃描按鈕用于掃描周圍存在的無線網(wǎng)絡(luò)，可以編寫scan_network()函數(shù)作為掃描按鈕的槽動作；最小化按鈕則讓整個程序退出界面在后臺運(yùn)行，可以編寫minimize()函數(shù)做該按鈕的槽動作；斷開按鈕是讓所連接的網(wǎng)絡(luò)正常斷開，可以編寫disconnect()函數(shù)做該按鈕的槽動作。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)完成上述硬件平臺搭建、驅(qū)動編譯和加載、連接應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，完成了整個 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，當(dāng)打開應(yīng)用程序用于掃描網(wǎng)絡(luò)并連接其中一個網(wǎng)絡(luò)，最小化后，打開網(wǎng)頁瀏覽器輸入 www.google. com.hk即可上網(wǎng)。結(jié)果如圖5所示，測試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)開發(fā)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)完全可以正常通信，并且實(shí)現(xiàn)了圖形化的友好連接界面，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖5 掃描結(jié)果

4 結(jié)語

本文通過分析Linux下的ARM9體系Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)通信原理,結(jié)合當(dāng)前對無線網(wǎng)絡(luò)需求更加突出的情況下,從而設(shè)計(jì)了Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)開發(fā)流程,并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了圖形化的設(shè)計(jì),方便操作,可運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā),對嵌入式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有一定的參考作用。

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