摘要：基于嵌入式系统开发以及4G LTE相关技术，采用ARM+Linux作为软硬件开发平台，充分利用了ARM以及Linux系统丰富的软硬件资源，设计并实现了一个基于嵌入式Linux的4G LTE无线视频终端。在软件设计上，采用了Linux的Netfilter架构与socket结合的方法，引入内核缓冲机制，达到了将数据包获取功能由用户态转入内核态，实现了数据包在Linux内核态的获取及高效转发，并且解决了4G LTE模块因拨号延迟与视频服务器产生速率不匹配所造成的数据丢包问题，同时在嵌入式Linux下为4G LTE模块开发了驱动。
    随着网络技术和嵌入式技术的迅猛发展，通过网络来实现视频监控已经得到了广泛的应用，4G LTE网络以其高带宽使得传输流畅的视频信息成为可能，本文在采用4G LTE技术的基础上设计了一款基于嵌入式Linux的无线终端，在数据处理部分采用了Linux的Netfilter架构，通过挂载钩子函数来实现数据包在内核态的获取及高效转发，并且通过在Linux内核开辟一片缓冲区，解决了视频服务器与4G LTE模块拨号延时而造成的速率不匹配的问题，减少了数据丢包。配合Netfilter用户态管理工具iptables的使用，可实现包过滤防火墙，及NAT等功能，从而便于本系统对流经其数据包的管理。
    另一方面对嵌入式Linux的视频采集程序的设计进行了详细的介绍，并将其实际应用到了本系统的数据采集模块中去，完成了数据的采集工作，同时针对目前市场上对与4G LTE模块通常只提供Windows CE下的驱动这一情况，开发了嵌入式Linux系统下的4G LTE模块驱动程序，在软件设计上充分发挥了开源软件的优势，采用高效的Xvidcore编解码库，来完成视频的编码，以及使用PPP源码来编译拨号上网工具，成本低廉并且缩短了系统的开发周期，使得本系统具有较强的工程实用价值。

1 系统硬件结构
    硬件上采用“ARM+4G LTE模块”系统架构。ARM与4G LTE模块采用分离模块的设计方法，通过USB线相连，较整体设计而言具有更好的灵活性，使得一些现有的以ARM为主处理器的系统能够很好地扩展4G LTE功能，便于产品的过渡。本系统的核心处理器是S3C2440A，S3C2440A是一款由SamSu-ng半导体公司推出的基于ARM920T内核的16／32位RISC微处理器。内部带有全性能的MMU(内存处理单元)，主频为400MHz最大可达到533MHz，提供了一个数字摄像头接口(Camera Interface)。具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。而4GLTE模块核心部件采用的是MC8630模块，该模块具有语音、短信和高速数据业务等功能，可以广泛应用于高速数据传输、安防、无线媒体、直放站监控、铁路终端和车载监控等领域。
    系统硬件结构如图1所示。


2 系统软件设计
    系统主要由视频采集模块、数据处理模块、网络转发模块组成。
2．1 视频采集模块设计
    根据项目的实际需要，在本系统中视频数据来源主要有两个方面：
    1)系统与可提供主动上传功能的视频服务器通过RJ45网线直接相接  主要用于完成多路视频图像采集。视频服务器的主要功能是将摄像头采集的数据完成编码压缩，并且将压缩的数据以IP包的形式发送给接收端，由于该类视频服务器通常是在局域网内使用，目前还很少有对于4GLTE网络的支持，随着4G LTE技术在国内发展的不断深入，将在很大程度上取代有线网络。所以本系统可作为现有视频服务器的4G LTE功能扩展。针对在外接视频服务器时只需对收到的数据包进行转发而无需对IP数据本身做分析处理的问题，并且在系统启动到4G LTE模块拨号成功获得IP地址之间会有一定的延迟，在本系统中提出了采用Linux的Netfilter架构的方法以及缓冲机制，通过在数据流经TCP／IP协议栈时挂载钩子函数，实现IP数据在内核态的获取，并且通过在内核开辟一块足够大的环形缓冲区来存储数据。由于系统需要频繁对缓冲区进行读写，为避免产生内存碎片，在本系统中采用了环形队列的数据结构。在4G LTE模块获得IP地址后，再通过驱动读取缓冲区中的数据，由4G LTE网络完成转发，从而降低丢包率并且提高数据包的转发效率。因为传统的方法是采用socketAPI来进行网络编程，其对数据的访问通常发生在用户态，对于Linux操作系统来说，用户进程的优先级和所占用的CPU时间要远远小于内核线程，同时内核进程拥有较高的执行优先度，故在网络布局允许获得IP数据包的条件下，将用户态的数据包获取功能载入内核态，可进一步提高系统的处理能力，增加系统的有效带宽，本方法还可用于其他对IP数据本身进行处理并且对处理效率有苛刻要求的系统中，例如：本方法在本实验室与某航空院合作开发的IP-TS协议转换器上也得到了成功的应用，具有一定的通用性。Netfilter是Linux 2．6．x系列内核提供的一套数据包过滤框架，基于该框架的软件能够实现如数据包过滤、网络地址转换(NAT)等功能。要使用Netfilter，在内核编译时设置“Network Packet Fihering”选项。Netfilter提供了一个抽象、通用化的框架，作为中间件，为每种网络协议(IPv4、IPv6等)定义一套钩子函数。对于Ipv4协议定义了5个钩子函数，这些钩子函数在数据报流过协议栈的5个关键点被调用，Netfilter可以在通过TCP／IP协议栈的路径中的几个定义良好的点上捕获数据包，IPv4中的一个数据包通过netfilter系统的过程如图2所示。

NF_IP_PRE_ROUTING
在对数据包进行初始正确性检查(校验和等)后，截获该数据包。
NF_IP_LOCAL_IN
如果数据包将要到达本地主机，则捕获该数据包。
NF_IP_FORWARD
如果数据包将要到达某些其他主机，则捕获该数据包。
NF_IP_LOCAL_OUT
在本地捕获其目的地是外部的已创建的数据包。
NF_IP_POST_ROUTING
这是最后的钩子，在此之后将传输数据包。