應用于工業領域的地磅稱重儀表順應無線通信技術和網絡技術飛速發展的趨勢，配置無線通信接口，實現網絡通信協議，構建網絡，提供數據交互及設備控制功能。如何把商用領域相對發展成熟的無線技術應用于環境更加惡劣，要求更加苛刻的工業領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，以及企業級無線網絡的組建，以及稱重設備入網的測試方案等。

一、引言

在網絡技術廣泛流行的今天，稱重儀表不再是只能提供重量數據的孤立設備。它已經成為縱橫交錯網絡中的一個節點。它可配置面向網絡的接口，提供數據，參與控制等等。飛速發展的無線通信技術，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絡。

標準的網絡設備，例如計算機或者是現在鋪天蓋地的手持終端設備，無線網絡通信技術的發展已經相對成熟。但是對于嵌入式稱重儀表這樣應用于工業場合的設備，面臨的局面是完全不同。首先，相對于無線技術、網絡技術在消費類電子領域的蓬勃發展，其在工業類場合嵌入設備上的發展現狀就顯得遜色不少。其次，工業類的設備，應用環境比消費類產品嚴峻惡劣，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。

無線網絡，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境。所以，我們想要組建企業級的無線網絡，通過 IEEE802.1x 協議以及認證服務來增加網絡通信的信息安全。

配置無線網卡，且具有企業級無線網絡接入功能的稱重儀表已經完成設計實現階段，即將正式投入使用。

二、配置無線以太網接口的稱重設備

勿用贅述，組建稱重儀表無線網絡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，它實質上是一種商業認證“無線相容性認證”。它原本與無線的標準協議 IEEE802.11 系列沒有關系，但是由于作為 Wi-Fi 產品的標準是遵循 IEEE 指定的 802.11x 系列標準，所以 IEEE802.11x 系列無線通信標準稱為 Wi-Fi。嵌入式稱重儀表要組建或者接入無線網絡，也就是要遵循IEEE802.11x 系列無線局域網（WirelessLocal Area Network，WLAN）標準協議。

1．IEEE802.11 協議體系

IEEE制定的無線通信標準 802.11x系列1，只定義了ISO（Open System Interconnection）結構中的數據鏈路層（Media Access Control Layer，MAC）和物理層（Physical Layer，PHY）。如圖 1.1，ISO結構中，數據鏈路層和物理層可以有無線網卡來完成，而LLC以上各層都是都計算機軟件來完成的。

基于 IEEE802.11x 標準 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。當然除此以外，還要處理無線環境下的各種工作模式，進行低功耗管理和安全管理等等。在這個基礎上，增加物理層就可以完成一個完整的無線局域網連接。

2．嵌入式稱重儀表 Wi-Fi 設計方案

在嵌入式稱重儀表上增加 Wi-Fi 功能，重點就在于 MAC 層及 PHY 層的軟硬件設計。對于硬件設計，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，對于一些標準的網絡設備比較實用，但是對于用于工業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，對于長久以來專業于工業控制、稱重計量技術的儀表來說，是極大挑戰，存在很大風險。因此，分離式的模塊化設計是比較優化的方案。

圖 2 是模塊式的硬件設計方案，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無關接口（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，走線設計要防止互相干擾。

軟件設計也是基于模塊化的硬件設計方案。無線信號的處理以及發送，包括上述提及的數據成幀，功耗以及安全管理等等，由無線模塊來完成。而 MAC 層以上的網絡協議，服務及應用都在主機程序中完成，例如 TCP/IP 協議，SMTP 協議，FTP 服務等等。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，主機程序實現網絡功能之外，還要實現配置接口的功能，例如命令格式，參數的匹配和存儲等等。

三、組建企業級無線網絡

1．傳統 WLAN 存在現狀

目前企業建立的傳統的無線網絡雖然布設比較簡單，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。

無線網絡安全性問題2。傳統的無線網絡安全主要是依靠WEP方式對數據進行 64 位或者 128 位加密。或者更進一步采用增強型的無線數據加密協議WPA/WPA2。但是這種密鑰共享的方式，AP和無線設備的密鑰都要手工設置，密鑰需要同時通知給所有用戶，容易泄露。另外AP和無線設備設置WEP方式，要占用系統資源。如果是采用 40 位的加密方式，將損失 5%的帶寬。MAC控制也是網絡安全控制的方式之一。也就是把所有入網設備的MAC地址存入AP，只有在AP存儲范圍內的MAC才能入網。但是存儲的MAC太多，會降低AP效率，導致泄露或者崩潰。黑客也可以通過假MAC騙取信任。

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

另外，傳統的無線網絡對于 IP 地址的管理，用戶權限管理，以及帶寬管理無能為力。

2．組建企業級無線網絡

企業級的網絡除了能夠提供靈活的移動接入，還可進一步滿足網絡安全性和管理性的要求。針對傳統 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為安全協議的企業級無線網絡，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級無線網絡的示例圖。圖中設備 1 是 Radius 服務器，在 Windows2003 Server R2 操作系統上安裝 Cisco 接入控制系統 4.0 用于無線用戶的接入認證。它將利用內部的數據庫以驗證接入用戶身份是否合法。設備 5 是無線 AP，設置其為 Radius 服務器的認證接入點。可以把多個 AP 設備同一 SSID，以實現嵌入式儀表在 AP 間的漫游功能。AP 和 Radius 服務器都連接到交換機也就是設備 2 上。設備 3 是 DHCP 服務器，為每一個被 Radius 服務器認證的用戶動態分配 IP 地址。設備 4 是 DNS 服務器，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。申請接入企業級無線網的儀表必須配置成 Enterprise 的 WPA/WPA2 的加密方式，當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起鏈接，AP 會把鏈接請求轉發給 Radius 服務器，Radius 服務器對用戶信息進行認證，認證通過后，建立后續的通信連接，即刻進行正常的數據通信。當然，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。在大型的網絡中會設置 CA 證書服務器，對入網設備進行證書推送，但在比較簡單的小型網絡中，可以通過預先生成 CA 證書并把證書預設在 Radius服務器端和無線儀表端的方式以簡化網絡配置。設備 7 是無線網絡中的其他無線終端，例如計算機等。這些計算機上可以裝載數據庫等等應用軟件。整個系統可以通過無線方式對重量數據進行方便快捷，安全有序的采集、匯總、分析、共享等等。

四、總結

越來越強調的“系統”的概念，要求嵌入式稱重設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、布設方便等優勢越來越受到青睞。基于 IEEE802.1x 這種基于端口的安全協議基礎之上的企業級無線網絡在網絡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絡，而且擁有企業級的 WPA/WPA2 加密功能。可以接入更加復雜的網絡，適用于更加多樣化的應用場合。