應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的地磅稱重儀表順應(yīng)無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的趨勢，配置無線通信接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，提供數(shù)據(jù)交互及設(shè)備控制功能。如何把商用領(lǐng)域相對發(fā)展成熟的無線技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境更加惡劣，要求更加苛刻的工業(yè)領(lǐng)域就是亟待解決的問題。本文圍繞該問題，闡述了地磅稱重儀表無線接口的實現(xiàn)，以及企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)的組建，以及稱重設(shè)備入網(wǎng)的測試方案等。

一、引言

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛流行的今天，稱重儀表不再是只能提供重量數(shù)據(jù)的孤立設(shè)備。它已經(jīng)成為縱橫交錯網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。它可配置面向網(wǎng)絡(luò)的接口，提供數(shù)據(jù)，參與控制等等。飛速發(fā)展的無線通信技術(shù)，具有靈活、快速和受地點限制少等特點，使得稱重儀表可以更加便捷地接入網(wǎng)絡(luò)。

標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如計算機或者是現(xiàn)在鋪天蓋地的手持終端設(shè)備，無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)相對成熟。但是對于嵌入式稱重儀表這樣應(yīng)用于工業(yè)場合的設(shè)備，面臨的局面是完全不同。首先，相對于無線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在消費類電子領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，其在工業(yè)類場合嵌入設(shè)備上的發(fā)展現(xiàn)狀就顯得遜色不少。其次，工業(yè)類的設(shè)備，應(yīng)用環(huán)境比消費類產(chǎn)品嚴峻惡劣，所以對抗干擾性、抗極限溫度濕度性等方面有比較高的要求。

無線網(wǎng)絡(luò)，對于信息的安全性提出了更高的要求。無線不似有線，有線可以通過物理隔絕的方式來達到信息保密安全的問題。而無線通信面對的是一個開放的環(huán)境。所以，我們想要組建企業(yè)級的無線網(wǎng)絡(luò)，通過 IEEE802.1x 協(xié)議以及認證服務(wù)來增加網(wǎng)絡(luò)通信的信息安全。

配置無線網(wǎng)卡，且具有企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)接入功能的稱重儀表已經(jīng)完成設(shè)計實現(xiàn)階段，即將正式投入使用。

二、配置無線以太網(wǎng)接口的稱重設(shè)備

勿用贅述，組建稱重儀表無線網(wǎng)絡(luò)的首要就是為其增加無線通信功能，配置無線通信接口。也就是首先要為稱重儀表增加 Wi-Fi 功能。Wi-Fi 是“Wireless Fidelity”的簡稱，它實質(zhì)上是一種商業(yè)認證“無線相容性認證”。它原本與無線的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 IEEE802.11 系列沒有關(guān)系，但是由于作為 Wi-Fi 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)是遵循 IEEE 指定的 802.11x 系列標(biāo)準(zhǔn)，所以 IEEE802.11x 系列無線通信標(biāo)準(zhǔn)稱為 Wi-Fi。嵌入式稱重儀表要組建或者接入無線網(wǎng)絡(luò)，也就是要遵循IEEE802.11x 系列無線局域網(wǎng)（WirelessLocal Area Network，WLAN）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

1．IEEE802.11 協(xié)議體系

IEEE制定的無線通信標(biāo)準(zhǔn) 802.11x系列1，只定義了ISO（Open System Interconnection）結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)鏈路層（Media Access Control Layer，MAC）和物理層（Physical Layer，PHY）。如圖 1.1，ISO結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層可以有無線網(wǎng)卡來完成，而LLC以上各層都是都計算機軟件來完成的。

基于 IEEE802.11x 標(biāo)準(zhǔn) MAC 層從射頻模塊接受到的無線信號處理成送入主機所需要的特定格式。當(dāng)然除此以外，還要處理無線環(huán)境下的各種工作模式，進行低功耗管理和安全管理等等。在這個基礎(chǔ)上，增加物理層就可以完成一個完整的無線局域網(wǎng)連接。

2．嵌入式稱重儀表 Wi-Fi 設(shè)計方案

在嵌入式稱重儀表上增加 Wi-Fi 功能，重點就在于 MAC 層及 PHY 層的軟硬件設(shè)計。對于硬件設(shè)計，有兩類方案，即分離式和集成式。集成方案就是把無線 MAC 與 RF 模塊全部集成在主板上，這種方案，對于一些標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較實用，但是對于用于工業(yè)場合的嵌入式稱重儀表來說存在缺陷，一是不同的場合，對于儀表接口的配置要求不一樣，二是把高頻部分集成在主板上，對于長久以來專業(yè)于工業(yè)控制、稱重計量技術(shù)的儀表來說，是極大挑戰(zhàn)，存在很大風(fēng)險。因此，分離式的模塊化設(shè)計是比較優(yōu)化的方案。

圖 2 是模塊式的硬件設(shè)計方案，無線模塊作為選件板由 Y 型線纜連接到主板。無線模塊與主板之間包括簡化的介質(zhì)無關(guān)接口（Reduced Media Independent Interface，RMII）和 RS232 接口。RMII用于 MAC 層通信，RS232 作為配置接口，主板可以通過命令形式對無線模塊的工作模式進行配置。圖 3 是主板與無線模塊之間的通信連接。對于 RMII 之間的設(shè)計需要注意的是，主板的 RMII 與無線模塊的 RMII 需要嚴格同步，即接到同一個晶振。另外，由于 MAC 層通信是高頻信號，走線設(shè)計要防止互相干擾。

軟件設(shè)計也是基于模塊化的硬件設(shè)計方案。無線信號的處理以及發(fā)送，包括上述提及的數(shù)據(jù)成幀，功耗以及安全管理等等，由無線模塊來完成。而 MAC 層以上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，服務(wù)及應(yīng)用都在主機程序中完成，例如 TCP/IP 協(xié)議，SMTP 協(xié)議，FTP 服務(wù)等等。另外，主機跟無線模塊之間的串行通信口用于配置無線模塊，主機程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能之外，還要實現(xiàn)配置接口的功能，例如命令格式，參數(shù)的匹配和存儲等等。

三、組建企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)

1．傳統(tǒng) WLAN 存在現(xiàn)狀

目前企業(yè)建立的傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)雖然布設(shè)比較簡單，基本上是無線終端加上無線接入點（Access Point，AP）就可以組建 WLAN。但是普遍存在問題。

無線網(wǎng)絡(luò)安全性問題2。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)安全主要是依靠WEP方式對數(shù)據(jù)進行 64 位或者 128 位加密?；蛘吒M一步采用增強型的無線數(shù)據(jù)加密協(xié)議WPA/WPA2。但是這種密鑰共享的方式，AP和無線設(shè)備的密鑰都要手工設(shè)置，密鑰需要同時通知給所有用戶，容易泄露。另外AP和無線設(shè)備設(shè)置WEP方式，要占用系統(tǒng)資源。如果是采用 40 位的加密方式，將損失 5%的帶寬。MAC控制也是網(wǎng)絡(luò)安全控制的方式之一。也就是把所有入網(wǎng)設(shè)備的MAC地址存入AP，只有在AP存儲范圍內(nèi)的MAC才能入網(wǎng)。但是存儲的MAC太多，會降低AP效率，導(dǎo)致泄露或者崩潰。黑客也可以通過假MAC騙取信任。

無線網(wǎng)絡(luò)的管理問題。AP 不具有太多的網(wǎng)絡(luò)管理功能。多個 AP 存在于同一空間內(nèi)，而且無線還具有移動性強的特別，沒有嚴格的網(wǎng)絡(luò)和用戶管理，會導(dǎo)致很多嚴重問題。

另外，傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)對于 IP 地址的管理，用戶權(quán)限管理，以及帶寬管理無能為力。

2．組建企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)

企業(yè)級的網(wǎng)絡(luò)除了能夠提供靈活的移動接入，還可進一步滿足網(wǎng)絡(luò)安全性和管理性的要求。針對傳統(tǒng) 802.11WLAN存在的缺陷IEEE802.1x3為WLAN提供了一套更為堅固的身份驗證和安全性機制。組建以IEEE802.1x為安全協(xié)議的企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)，使無線通信的靈活，安全和管理性能得到很大程度的提升。

圖 4 嵌入式稱重儀表進入企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)的示例圖。圖中設(shè)備 1 是 Radius 服務(wù)器，在 Windows2003 Server R2 操作系統(tǒng)上安裝 Cisco 接入控制系統(tǒng) 4.0 用于無線用戶的接入認證。它將利用內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫以驗證接入用戶身份是否合法。設(shè)備 5 是無線 AP，設(shè)置其為 Radius 服務(wù)器的認證接入點?？梢园讯鄠€ AP 設(shè)備同一 SSID，以實現(xiàn)嵌入式儀表在 AP 間的漫游功能。AP 和 Radius 服務(wù)器都連接到交換機也就是設(shè)備 2 上。設(shè)備 3 是 DHCP 服務(wù)器，為每一個被 Radius 服務(wù)器認證的用戶動態(tài)分配 IP 地址。設(shè)備 4 是 DNS 服務(wù)器，它保存一張域名和 IP 地址的映射表，用于域名的解析等等。設(shè)備 6 就是配置有無線接口的嵌入式稱重儀表。申請接入企業(yè)級無線網(wǎng)的儀表必須配置成 Enterprise 的 WPA/WPA2 的加密方式，當(dāng)然還需配置合法的用戶信息包括用戶名和用戶密碼。無線儀表以用戶名和密碼發(fā)起鏈接，AP 會把鏈接請求轉(zhuǎn)發(fā)給 Radius 服務(wù)器，Radius 服務(wù)器對用戶信息進行認證，認證通過后，建立后續(xù)的通信連接，即刻進行正常的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)然，除了用戶名和密碼之外，無線儀表還需要配置合法的 CA 證書。在大型的網(wǎng)絡(luò)中會設(shè)置 CA 證書服務(wù)器，對入網(wǎng)設(shè)備進行證書推送，但在比較簡單的小型網(wǎng)絡(luò)中，可以通過預(yù)先生成 CA 證書并把證書預(yù)設(shè)在 Radius服務(wù)器端和無線儀表端的方式以簡化網(wǎng)絡(luò)配置。設(shè)備 7 是無線網(wǎng)絡(luò)中的其他無線終端，例如計算機等。這些計算機上可以裝載數(shù)據(jù)庫等等應(yīng)用軟件。整個系統(tǒng)可以通過無線方式對重量數(shù)據(jù)進行方便快捷，安全有序的采集、匯總、分析、共享等等。

四、總結(jié)

越來越強調(diào)的“系統(tǒng)”的概念，要求嵌入式稱重設(shè)備擁有更加靈活和高速的對外通信的手段。無線通信以其接入靈活、布設(shè)方便等優(yōu)勢越來越受到青睞。基于 IEEE802.1x 這種基于端口的安全協(xié)議基礎(chǔ)之上的企業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)安全管理性上得到很大提升。我們的嵌入式稱重儀表，配置了無線通信接口，不僅適用于簡單的無線網(wǎng)絡(luò)，而且擁有企業(yè)級的 WPA/WPA2 加密功能。可以接入更加復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，適用于更加多樣化的應(yīng)用場合。