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基于WiFi网络的新型溯源电子秤数据传输研究

时间:2017-06-08 03:42:37 来源:本站 点击数:771

溯源电子秤是食品质量安全追溯系统的重要一环。文章针对一种新型溯源电子秤的网络数据传输进行了研 究,提出了一种WiFi网络数据传输方案,解决了 WiFi局域网节点数目少、数据传输受公网制约等问题;并对该方案进行 了实验验证。实验结果表明,该方案是可行的,能够满足食品质量溯源需求,并具有一定的推广价值。

0.引言

由于对食品安全问题的担忧,各国对食品安全都 非常重视,美国、欧盟、日本已经建立了各自较为完善 的食品质量安全追溯监管体系,我国食品质量安全 追溯系统起步较晚,但也在逐步尝试建立起来。目 前国内外对基于RFID的追溯系统和肉菜追溯源 系统方面进行了不少研究和实现。食品质量安全追 溯系统中,溯源电子秤属于其销售环节,国内的溯源电 子秤已经在肉类蔬菜追溯系统中有了应用先例。

目前,一种融合了以太网有线技术和ZigBee WiFi无线技术的新型溯源电子秤正在发展起来,它既 可以使用在超市,也能在难以监管的农贸市场发挥作 用。当多台溯源电子秤组成网络时,采用以太网有线 方式存在布线不方便、可移动性差的缺点,而采用无线 方式则能够很好地解决这个问题。ZigBee技术是一 种近距离、低复杂度、低功耗、低速率能自组网的无线 通信技术,在传感器网络中有较多应用,它的缺点 是数据传输速率较低,网络节点多时存在数据冲突和 传输不稳定。相比ZigBee技术WiFi技术不仅数据 传输速率大,而且WiFi无线网卡和路由器由于封装  TCP/IP协议,可靠性更高,更适合新型溯源电子秤 组网。

新型溯源电子秤的WiFi网络有其应用特殊性。 WiFi局域网不受公网(外部Internet)制约,具有一 定自组网特性,网络拓展性较强,满足WiFi节点较多 情况下的数据可靠、稳定传输,能够应用在如农贸市场 等环境,网络具有较强适应性。

1.系统硬件结构

射频标签的食品信息;移动支付模块和IC卡支付 模块既起到支付作用,又能读取消费者个人信息(包括 用户代码、联系方式等触摸显示屏能进行电子台账 处理并进行相关显示;小票打印机能打印消费凭证; ARM处理器模块包括ARM处理芯片S3C6410及其 外围电路,能够移植运行linux系统及其相关软件,存 储海量数据WiFi无线USB网卡与ARM处理器模 块的USB接口相连,并能够通过WiFi网络和上层服 务器进行双向通讯。

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2.系统网络拓扑图

2.1WiFi 技术

目前大多数WiFi路由器支持IEEE802. 11b/g/n 这三种标准,无线传输速率为11?600 Mbps可工作 2. 4 GHz的免费频段。WiFi可工作在2种基本服 务集(Basic Service SetBSS)模式,独立型基础服务集(2)和基础结构型基本服务集(图3)。独立型基础 服务集,无线终端无需使用无线接入点AP(AcceSS Point)可直接通信,多个终端可组成一个独立的基础 服务集。基础结构型基本服务集,无线终端可通过一 个或多个无线AP连接通信,该模式下若连接公网,不 桥接多个路由器的情况下,网络IP地址数不超过 255

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2.2溯源电子秤网络拓扑图

本系统的新型溯源电子秤网络拓扑结构如图4 示,该拓扑结构是WiFi基础结构型基本服务集的拓 展。该拓扑图中,各个市场都有一个WiFi局域网(图 4中仅列出2个市场),局域网的服务器能够通过公网 连接至上层监管平台,接受上层监管平台的监管。

WiFi局域网硬件由局域网服务器、中心路由器、 无线AP新型溯源电子秤构成,其功能分别如下:

1)局域网服务器:存储容量足够大,必须有双网 卡,双网卡可以都是有线网卡或者一个有线网卡和一 个无线网卡。一条有线网卡通过以太网线接WiFi 心路由器收集整个局域网溯源电子秤的数据,并在局 域网服务器里进行处理、存储至数据库,另一个有线网 卡或者无线网卡接入公网与上层监管平台相连。

2)中心路由器:通过该WiFi路由器可以桥接无 线AP也可以直接以无线方式连接溯源电子秤,建立起溯源电子秤和局域网服务器双向通讯。

3)无线AP:它和中心路由器进行桥接,可以根 据网络大小进行数量扩展,通过它建立起溯源电子秤 和中心路由器通信,它相当于中继器作用。

4)新型溯源电子秤:其USB接口与WiFi无线 USB网卡相连。WiFi无线USB网卡能够接收新型 溯源电子秤数据并通过无线AP或者中心路由器将数 据发往

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WiFi局域网服务器,也能接收上层监管平台 或者WiFi局域网服务器发来的数据。

上层监管平台位于企业或者政府相关监管部门, 权限各有不同,政府权限最高,其次是相关企业,用来 监管各个市场的交易情况。

本系统由一个中心路由器和无线AP一定数量的 新型溯源电子秤构成一种BSS如图4中的BSS1而无 线AP和一定数量的溯源电子秤构成另一种BSS,如图 4BSS2BSS3两种BSS构成了一个分布式系统。 每个 BSS 拥有自己独有的 SSID(Service Set Identifier 服务集标识),各个BSSSSID信号相互覆盖,使各个 新型溯源电子秤能接收两个或两个以上的SSID信号, 确保某个无线AP节点出现故障或者信号强度过弱的 情况下,新型溯源电子秤WFi无线网卡能够切换到其 他无线AP或者中心路由器,与其相连形成新的BSS 到自组网效果,增强系统的鲁棒性。

系统的WiFi局域网服务器采用双网卡,从硬件 上相对隔离了 WiFi局域网和公网,从软件上通过公 网共享WiFi局域网服务器的数据库中的数据又达到 联网的功能。硬件的相对隔离,进一步方便了修改 WiFi局域网的子网掩码来扩大网络IP地址数,从而 达到了扩大溯源电子秤节点数的目的。

3.系统软件设计

3. 1新型溯源电子秤数据传输的帧格式

新型溯源电子秤数据传输的帧格式主要有两种: 一种是商户对食品进行入库登记上传的数据帧,如图 5;另一种是消费者购买食品结算后上传到局域网服务 器的数据帧格式,如图6。由于商户入库登记在前,系 统已经有了所有食品信息,消费者购买的食品信息只 要保证能和系统中入库登记的食品信息可以匹配识别 就行,因此消费者的数据帧格式在字节段3比商户的 数据帧要短,内容要少。WiFi无线网卡与ARM处理 器通过USB 口相连进行数据传输时,存在数据丢失或 者错误可能,因此在数据传输的帧格式中增加了 16 CRC校验字节来校验数据的正确性。

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3.2系统的socket流程图 3.2.1系统的 socket选用socket 即套接字,是一种网络进程通信机制^用的socket有两种,流式套接字和数据报套接字。流 式套接字是一种面向连接的socket用于面向连接的 TCP服务应用;数据报套接字是一种无连接的sock-et针对无连接的UDP服务应用。前者数据传输可靠 性高,后者数据传输效率高,但存在数据丢失、错误的 可能。TCP还采用了超时重传和捎带确认机制来保 证数据传输完全正确,因此,在溯源电子秤与局域网服 务器通信,以及局域网服务器和上层监管平台通信时 都采用TCP传输方式。

3. 2. 2 socket 流程图的设计

对于溯源电子秤,进行 socket 编程之前,需要做 linux相关移植。首先,选用一款较稳定的 linux内核 版本 linux3. 4. 2,使用 Busybox1. 21. 0 制作 linux3. 4. 2所需的cramfsyafs根文件系统。在PC机的开 发环境下对该内核进行相应的配置,添加与ARM 理器S3C6410有关文件和溯源电子秤所需的所有模 块,如RFID模块、触摸屏模块等,添加了 Ralink公司 WiFi无线网卡RI3070的配置和驱动等;然后,利 用交叉编译工具链armlinux-gcc4. 3. 2重新编译,将 生成的镜像文件zlmage移植到溯源电子秤上,并利用 文件挂载的方法挂载自启动根文件系统。最后,使用 QT5. 2. 1软件进行界面开发和 socket   

溯源电子秤与局域网服务器通信时,溯源电子秤 是客户端,局域网服务器是服务器端。 socket 通信前, 溯源电子秤的WiFi无线网卡需要关联至WiFi局域 网的中心路由器或者无线APSSID关联条件如 下:接收信号强度>-85 dBm反向错帧率<10%,反 向重传率<20%。若没达到关联条件,则溯源电子秤 切换到其他无线AP利用linux系统的iwconfig 令判断是否已经关联到无线AP如果有就等待TCP 连接,若没有就搜索其他无线AP直到搜索到信号较 强且MAC地址属于WiFi局域网中的无线AP SSID为止,然后执行iwconfig ra0 essid SSID指令关 联该AP进入丁CP请求连接。该溯源电子秤的 sock-et      7      socket   8

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局域网服务器和上层监管平台 socket 通信时,局 域网服务器是客户端 socket 流程图如图9,而上层监 管平台是服务器 sockect 流程图和图8 —样。

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4.实验结果及分析

以一个WFi局域网和一个上层监控平台建立网络 通信。其网络拓扑图如图10,该网络中的三个溯源电子 秤节点分别是NODE1NODE2NODE3,溯源电子秤中 WFi无线网卡采用Ralink公司的WFi无线网卡 R3070。中心路由器采用深训市普联技术有限公司的 TL-WR882N型号路由器,其有线传输速率最大为 100 Mbps无线传输速率最大为150 Mbps限于实验 条件,WiFi局域网服务器采用的是惠普Compaq515 记本模拟,该笔记本具备有线网卡和无线网卡,其中有 线网卡通过以太网线与中心路由器LAN 口相连,无线 网卡以WFi无线方式与上层监管平台(联想 lenovo E420笔记本电脑)相连,外接Internet(公网)。

溯源电子秤节点、无线AP中心路由器WiFi 域网服务器和上层监管平台的IP地址设置以及SSID 如图10所示。中心路由器、无线AP1溯源电子秤和 WiFi局域网服务器有线网卡的子网掩码都为 255.255.0.0,确保上述设备都在同一网段内。子网掩 码的这种配置,可以使WiFi局域网IP地址数理论值 达到65 000,满足溯源电子秤网络需求。

WiFi局域网中无线AP与中心路由器间、溯源电 子秤与其最近无线AP间的距离不超过200 m中心路 由器和两个无线AP信号进行一定程度的相互覆盖。

布置在类似于农贸市场的环境进行模拟,且溯源电子 秤的WiFi信号较好。

使用丁 CP&UDP工具,在WiFi局域网服务器上 创建TCP服务器WiFi局域网服务器IP地址设为 192. 168. 1. 200,端口号为8088,在上层监管平台上创 建另一个TCP服务器,地址设为192. 168. 191.1,端口 号为7070。同时在溯源电子秤上创建相关TCP客户 端。图11是在WiFi局域网服务器上得到的该工具 测试成功的网络图。

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从该图可以证实,本方案能够实现溯源电子秤通 过相关无线路由器或者无线APWiFi局域网服务 器进行通信以及WiFi局域网服务器与上层监管平台 通信。

在每个溯源电子秤上向该WiFi局域网服务器同 时上传一个8. 76 MB(70. 08 Mbit)的文件,通过WiFi 网络测试软件得到W i F i局域网服务器接收溯源电子 秤数据的传输速率,并用 matlab 软件画出采集到的传 输速率动态曲线图,如图12

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从图12可知,WiFi局域网服务器接收到了 NODE1NODE2NODE3的溯源电子秤数据,平均 速率分别为 3. 92 Mbit/s2. 91 Mbit/s2. 76 Mbit/s (其中1 Mbit=l 024 kbit)可见,数据传输相对稳定。 经测试,关闭其中一个无线AP节点,溯源电子秤的 WiFi成功地进行了切换且IP地址未改变,溯源电子 秤依然能够较稳定地传输数据。

WiFi局域网服务器有线网卡为自适应网卡,最大 带宽能达到100 Mbit假设一个WiFi局域网溯源电子 秤为400台,且所有的溯源电子秤同时进行数据传输, 则平均分配到每个溯源电子秤的带宽最大可达 250 kbit经统计计算,一种食品的品牌名、生产厂 家、生产日期、有效期、产地等所有字节相加一般不超 200 B(1 600 bit)则一个消费者若一次购买100 不同食品,经过溯源电子秤数据处理后,字节总量不超 20 KB(160 kbit)低于250 kbit带宽,因此消费者的 数据不到0.8 3即可传完。实际当中所有溯源电子秤 同时在用的情况极少,消费者也很少一次购买100 不同食品,因此分配到正在使用的溯源电子秤的带宽 要远大于250 kbit满足实际需求。

5总结

本文提出了一种基于WiFi网络的数据传输方 案,该方案将WiFi网络作为局域网使用,而局域网服 务器使用双网卡,与公网相对分离开来,解决了 WiFi 局域网IP地址与公网IP地址可能冲突的问题以及公 网出现断网时影响W i F i局域网数据传输的问题,同 时扩大了 WiFi节点数。经实验验证,该方案是可行 的,能够应用在实际项目中,具有一定的市场推广和应 用价值。