溯源電子秤是食品質(zhì)量安全追溯系統的重要一環(huán)。文章針對一種新型溯源電子秤的網(wǎng)絡(luò )數據傳輸進(jìn)行了研 究，提出了一種WiFi網(wǎng)絡(luò )數據傳輸方案，解決了 WiFi局域網(wǎng)節點(diǎn)數目少、數據傳輸受公網(wǎng)制約等問(wèn)題；并對該方案進(jìn)行 了實(shí)驗驗證。實(shí)驗結果表明，該方案是可行的，能夠滿(mǎn)足食品質(zhì)量溯源需求，并具有一定的推廣價(jià)值。

0.引言

由于對食品安全問(wèn)題的擔憂(yōu)，各國對食品安全都 非常重視，美國、歐盟、日本已經(jīng)建立了各自較為完善 的食品質(zhì)量安全追溯監管體系，我國食品質(zhì)量安全 追溯系統起步較晚，但也在逐步嘗試建立起來(lái)。目 前國內外對基于RFID的追溯系統和肉菜追溯源 系統方面進(jìn)行了不少研究和實(shí)現。食品質(zhì)量安全追 溯系統中，溯源電子秤屬于其銷(xiāo)售環(huán)節，國內的溯源電 子秤已經(jīng)在肉類(lèi)蔬菜追溯系統中有了應用先例。

目前，一種融合了以太網(wǎng)有線(xiàn)技術(shù)和ZigBee、 WiFi無(wú)線(xiàn)技術(shù)的新型溯源電子秤正在發(fā)展起來(lái)，它既 可以使用在超市，也能在難以監管的農貿市場(chǎng)發(fā)揮作 用。當多臺溯源電子秤組成網(wǎng)絡(luò )時(shí)，采用以太網(wǎng)有線(xiàn) 方式存在布線(xiàn)不方便、可移動(dòng)性差的缺點(diǎn)，而采用無(wú)線(xiàn) 方式則能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。ZigBee技術(shù)是一 種近距離、低復雜度、低功耗、低速率能自組網(wǎng)的無(wú)線(xiàn) 通信技術(shù)，在傳感器網(wǎng)絡(luò )中有較多應用，它的缺點(diǎn) 是數據傳輸速率較低，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)多時(shí)存在數據沖突和 傳輸不穩定。相比ZigBee技術(shù)，WiFi技術(shù)不僅數據 傳輸速率大，而且WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡和路由器由于封裝 了 TCP/IP協(xié)議，可靠性更高，更適合新型溯源電子秤 組網(wǎng)。

新型溯源電子秤的WiFi網(wǎng)絡(luò )有其應用特殊性。 其WiFi局域網(wǎng)不受公網(wǎng)（外部Internet)制約，具有一 定自組網(wǎng)特性，網(wǎng)絡(luò )拓展性較強，滿(mǎn)足WiFi節點(diǎn)較多 情況下的數據可靠、穩定傳輸，能夠應用在如農貿市場(chǎng) 等環(huán)境，網(wǎng)絡(luò )具有較強適應性。

1.系統硬件結構

射頻標簽的食品信息；移動(dòng)支付模塊和IC卡支付 模塊既起到支付作用，又能讀取消費者個(gè)人信息（包括 用戶(hù)代碼、聯(lián)系方式等）觸摸顯示屏能進(jìn)行電子臺賬 處理并進(jìn)行相關(guān)顯示；小票打印機能打印消費憑證； ARM處理器模塊包括ARM處理芯片S3C6410及其 外圍電路，能夠移植運行linux系統及其相關(guān)軟件，存 儲海量數據；WiFi無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)卡與ARM處理器模 塊的USB接口相連，并能夠通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò )和上層服 務(wù)器進(jìn)行雙向通訊。

2.系統網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

2.1WiFi 技術(shù)

目前大多數WiFi路由器支持IEEE802. 11b/g/n 這三種標準，無(wú)線(xiàn)傳輸速率為11?600 Mbps，可工作 在2. 4 GHz的免費頻段。WiFi可工作在2種基本服 務(wù)集(Basic Service Set，BSS)模式，獨立型基礎服務(wù)集(圖2)和基礎結構型基本服務(wù)集（圖3)。獨立型基礎 服務(wù)集，無(wú)線(xiàn)終端無(wú)需使用無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)AP(AcceSS Point)可直接通信，多個(gè)終端可組成一個(gè)獨立的基礎 服務(wù)集?；A結構型基本服務(wù)集，無(wú)線(xiàn)終端可通過(guò)一 個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)AP連接通信，該模式下若連接公網(wǎng)，不 橋接多個(gè)路由器的情況下，網(wǎng)絡(luò )IP地址數不超過(guò) 255。

2.2溯源電子秤網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

本系統的新型溯源電子秤網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖4所 示，該拓撲結構是WiFi基礎結構型基本服務(wù)集的拓 展。該拓撲圖中，各個(gè)市場(chǎng)都有一個(gè)WiFi局域網(wǎng)（圖 4中僅列出2個(gè)市場(chǎng)），局域網(wǎng)的服務(wù)器能夠通過(guò)公網(wǎng) 連接至上層監管平臺，接受上層監管平臺的監管。

WiFi局域網(wǎng)硬件由局域網(wǎng)服務(wù)器、中心路由器、 無(wú)線(xiàn)AP、新型溯源電子秤構成，其功能分別如下：

（1）局域網(wǎng)服務(wù)器：存儲容量足夠大，必須有雙網(wǎng) 卡，雙網(wǎng)卡可以都是有線(xiàn)網(wǎng)卡或者一個(gè)有線(xiàn)網(wǎng)卡和一 個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡。一條有線(xiàn)網(wǎng)卡通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)接WiFi中 心路由器收集整個(gè)局域網(wǎng)溯源電子秤的數據，并在局 域網(wǎng)服務(wù)器里進(jìn)行處理、存儲至數據庫，另一個(gè)有線(xiàn)網(wǎng) 卡或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡接入公網(wǎng)與上層監管平臺相連。

（2）中心路由器：通過(guò)該WiFi路由器可以橋接無(wú) 線(xiàn)AP，也可以直接以無(wú)線(xiàn)方式連接溯源電子秤，建立起溯源電子秤和局域網(wǎng)服務(wù)器雙向通訊。

（3）無(wú)線(xiàn)AP:它和中心路由器進(jìn)行橋接，可以根 據網(wǎng)絡(luò )大小進(jìn)行數量擴展，通過(guò)它建立起溯源電子秤 和中心路由器通信，它相當于中繼器作用。

（4）新型溯源電子秤：其USB接口與WiFi無(wú)線(xiàn) USB網(wǎng)卡相連。WiFi無(wú)線(xiàn)USB網(wǎng)卡能夠接收新型 溯源電子秤數據并通過(guò)無(wú)線(xiàn)AP或者中心路由器將數 據發(fā)往

WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器，也能接收上層監管平臺 或者WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器發(fā)來(lái)的數據。

上層監管平臺位于企業(yè)或者政府相關(guān)監管部門(mén)， 權限各有不同，政府權限最高，其次是相關(guān)企業(yè)，用來(lái) 監管各個(gè)市場(chǎng)的交易情況。

本系統由一個(gè)中心路由器和無(wú)線(xiàn)AP、一定數量的 新型溯源電子秤構成一種BSS，如圖4中的BSS1，而無(wú) 線(xiàn)AP和一定數量的溯源電子秤構成另一種BSS，如圖 4中BSS2和BSS3，兩種BSS構成了一個(gè)分布式系統。 每個(gè) BSS 擁有自己獨有的 SSID(Service Set Identifier， 服務(wù)集標識），各個(gè)BSS的SSID信號相互覆蓋，使各個(gè) 新型溯源電子秤能接收兩個(gè)或兩個(gè)以上的SSID信號， 確保某個(gè)無(wú)線(xiàn)AP節點(diǎn)出現故障或者信號強度過(guò)弱的 情況下，新型溯源電子秤WFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡能夠切換到其 他無(wú)線(xiàn)AP或者中心路由器，與其相連形成新的BSS，達 到自組網(wǎng)效果，增強系統的魯棒性。

系統的WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡，從硬件 上相對隔離了 WiFi局域網(wǎng)和公網(wǎng)，從軟件上通過(guò)公 網(wǎng)共享WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器的數據庫中的數據又達到 聯(lián)網(wǎng)的功能。硬件的相對隔離，進(jìn)一步方便了修改 WiFi局域網(wǎng)的子網(wǎng)掩碼來(lái)擴大網(wǎng)絡(luò )IP地址數，從而 達到了擴大溯源電子秤節點(diǎn)數的目的。

3.系統軟件設計

3. 1新型溯源電子秤數據傳輸的幀格式

新型溯源電子秤數據傳輸的幀格式主要有兩種： 一種是商戶(hù)對食品進(jìn)行入庫登記上傳的數據幀，如圖 5;另一種是消費者購買(mǎi)食品結算后上傳到局域網(wǎng)服務(wù) 器的數據幀格式，如圖6。由于商戶(hù)入庫登記在前，系 統已經(jīng)有了所有食品信息，消費者購買(mǎi)的食品信息只 要保證能和系統中入庫登記的食品信息可以匹配識別 就行，因此消費者的數據幀格式在字節段3比商戶(hù)的 數據幀要短，內容要少。WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡與ARM處理 器通過(guò)USB 口相連進(jìn)行數據傳輸時(shí)，存在數據丟失或 者錯誤可能，因此在數據傳輸的幀格式中增加了 16位 CRC校驗字節來(lái)校驗數據的正確性。

3.2系統的socket流程圖 3.2.1系統的 socket選用socket 即套接字，是一種網(wǎng)絡(luò )進(jìn)程通信機制^用的socket有兩種，流式套接字和數據報套接字。流 式套接字是一種面向連接的socket，用于面向連接的 TCP服務(wù)應用；數據報套接字是一種無(wú)連接的sock-et，針對無(wú)連接的UDP服務(wù)應用。前者數據傳輸可靠 性高，后者數據傳輸效率高，但存在數據丟失、錯誤的 可能。TCP還采用了超時(shí)重傳和捎帶確認機制來(lái)保 證數據傳輸完全正確，因此，在溯源電子秤與局域網(wǎng)服 務(wù)器通信，以及局域網(wǎng)服務(wù)器和上層監管平臺通信時(shí) 都采用TCP傳輸方式。

3. 2. 2 socket 流程圖的設計

對于溯源電子秤，進(jìn)行 socket 編程之前，需要做 linux相關(guān)移植。首先，選用一款較穩定的 linux內核 版本 linux3. 4. 2，使用 Busybox1. 21. 0 制作 linux3. 4. 2所需的cramfs和yafs根文件系統。在PC機的開(kāi) 發(fā)環(huán)境下對該內核進(jìn)行相應的配置，添加與ARM處 理器S3C6410有關(guān)文件和溯源電子秤所需的所有模 塊，如RFID模塊、觸摸屏模塊等，添加了 Ralink公司 的WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡RI3070的配置和驅動(dòng)等；然后，利 用交叉編譯工具鏈armlinux-gcc4. 3. 2重新編譯，將 生成的鏡像文件zlmage移植到溯源電子秤上，并利用 文件掛載的方法掛載自啟動(dòng)根文件系統。最后，使用 QT5. 2. 1軟件進(jìn)行界面開(kāi)發(fā)和 socket 編 程 。

溯源電子秤與局域網(wǎng)服務(wù)器通信時(shí)，溯源電子秤 是客戶(hù)端，局域網(wǎng)服務(wù)器是服務(wù)器端。 socket 通信前， 溯源電子秤的WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡需要關(guān)聯(lián)至WiFi局域 網(wǎng)的中心路由器或者無(wú)線(xiàn)AP的SSID，關(guān)聯(lián)條件如 下：接收信號強度>-85 dBm，反向錯幀率<10%，反 向重傳率<20%。若沒(méi)達到關(guān)聯(lián)條件，則溯源電子秤 切換到其他無(wú)線(xiàn)AP。利用linux系統的iwconfig指 令判斷是否已經(jīng)關(guān)聯(lián)到無(wú)線(xiàn)AP，如果有就等待TCP 連接，若沒(méi)有就搜索其他無(wú)線(xiàn)AP，直到搜索到信號較 強且MAC地址屬于WiFi局域網(wǎng)中的無(wú)線(xiàn)AP的 SSID為止，然后執行iwconfig ra0 essid SSID指令關(guān) 聯(lián)該AP，進(jìn)入丁CP請求連接。該溯源電子秤的 sock-et 流 程 圖 如 圖 7 ， 服 務(wù) 器 端 socket 如 圖 8 。

局域網(wǎng)服務(wù)器和上層監管平臺 socket 通信時(shí)，局 域網(wǎng)服務(wù)器是客戶(hù)端 ，socket 流程圖如圖9，而上層監 管平臺是服務(wù)器 ，sockect 流程圖和圖8 —樣。

4.實(shí)驗結果及分析

以一個(gè)WFi局域網(wǎng)和一個(gè)上層監控平臺建立網(wǎng)絡(luò ) 通信。其網(wǎng)絡(luò )拓撲圖如圖10，該網(wǎng)絡(luò )中的三個(gè)溯源電子 秤節點(diǎn)分別是NODE1、NODE2、NODE3，溯源電子秤中 的WFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡采用Ralink公司的WFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡 R丁3070。中心路由器采用深訓市普聯(lián)技術(shù)有限公司的 TL-WR882N型號路由器，其有線(xiàn)傳輸速率最大為 100 Mbps，無(wú)線(xiàn)傳輸速率最大為150 Mbps。限于實(shí)驗 條件，WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器采用的是惠普Compaq515筆 記本模擬，該筆記本具備有線(xiàn)網(wǎng)卡和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，其中有 線(xiàn)網(wǎng)卡通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)與中心路由器LAN 口相連，無(wú)線(xiàn) 網(wǎng)卡以WFi無(wú)線(xiàn)方式與上層監管平臺（聯(lián)想 lenovo E420筆記本電腦）相連，外接Internet(公網(wǎng)）。

溯源電子秤節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)AP、中心路由器、WiFi局 域網(wǎng)服務(wù)器和上層監管平臺的IP地址設置以及SSID 如圖10所示。中心路由器、無(wú)線(xiàn)AP1、溯源電子秤和 WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器有線(xiàn)網(wǎng)卡的子網(wǎng)掩碼都為 255.255.0.0，確保上述設備都在同一網(wǎng)段內。子網(wǎng)掩 碼的這種配置，可以使WiFi局域網(wǎng)IP地址數理論值 達到65 000，滿(mǎn)足溯源電子秤網(wǎng)絡(luò )需求。

WiFi局域網(wǎng)中無(wú)線(xiàn)AP與中心路由器間、溯源電 子秤與其最近無(wú)線(xiàn)AP間的距離不超過(guò)200 m，中心路 由器和兩個(gè)無(wú)線(xiàn)AP信號進(jìn)行一定程度的相互覆蓋。

布置在類(lèi)似于農貿市場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行模擬，且溯源電子 秤的WiFi信號較好。

使用丁 CP&UDP工具，在WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器上 創(chuàng )建TCP服務(wù)器，WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器IP地址設為 192. 168. 1. 200，端口號為8088，在上層監管平臺上創(chuàng ) 建另一個(gè)TCP服務(wù)器，地址設為192. 168. 191.1，端口 號為7070。同時(shí)在溯源電子秤上創(chuàng )建相關(guān)TCP客戶(hù) 端。圖11是在WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器上得到的該工具 測試成功的網(wǎng)絡(luò )圖。

從該圖可以證實(shí)，本方案能夠實(shí)現溯源電子秤通 過(guò)相關(guān)無(wú)線(xiàn)路由器或者無(wú)線(xiàn)AP與WiFi局域網(wǎng)服務(wù) 器進(jìn)行通信以及WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器與上層監管平臺 通信。

在每個(gè)溯源電子秤上向該WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器同 時(shí)上傳一個(gè)8. 76 MB(70. 08 Mbit)的文件，通過(guò)WiFi 網(wǎng)絡(luò )測試軟件得到W i F i局域網(wǎng)服務(wù)器接收溯源電子 秤數據的傳輸速率，并用 matlab 軟件畫(huà)出采集到的傳 輸速率動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖，如圖12。

從圖12可知，WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器接收到了 NODE1、NODE2、NODE3的溯源電子秤數據，平均 速率分別為 3. 92 Mbit/s、2. 91 Mbit/s、2. 76 Mbit/s (其中1 Mbit=l 024 kbit)，可見(jiàn)，數據傳輸相對穩定。 經(jīng)測試，關(guān)閉其中一個(gè)無(wú)線(xiàn)AP節點(diǎn)，溯源電子秤的 WiFi成功地進(jìn)行了切換且IP地址未改變，溯源電子 秤依然能夠較穩定地傳輸數據。

WiFi局域網(wǎng)服務(wù)器有線(xiàn)網(wǎng)卡為自適應網(wǎng)卡，最大 帶寬能達到100 Mbit，假設一個(gè)WiFi局域網(wǎng)溯源電子 秤為400臺，且所有的溯源電子秤同時(shí)進(jìn)行數據傳輸， 則平均分配到每個(gè)溯源電子秤的帶寬最大可達 250 kbit。經(jīng)統計計算，一種食品的品牌名、生產(chǎn)廠(chǎng) 家、生產(chǎn)日期、有效期、產(chǎn)地等所有字節相加一般不超 過(guò)200 B(1 600 bit)，則一個(gè)消費者若一次購買(mǎi)100種 不同食品，經(jīng)過(guò)溯源電子秤數據處理后，字節總量不超 過(guò)20 KB(160 kbit)，低于250 kbit帶寬，因此消費者的 數據不到0.8 3即可傳完。實(shí)際當中所有溯源電子秤 同時(shí)在用的情況極少，消費者也很少一次購買(mǎi)100種 不同食品，因此分配到正在使用的溯源電子秤的帶寬 要遠大于250 kbit，滿(mǎn)足實(shí)際需求。

5總結

本文提出了一種基于WiFi網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸方 案，該方案將WiFi網(wǎng)絡(luò )作為局域網(wǎng)使用，而局域網(wǎng)服 務(wù)器使用雙網(wǎng)卡，與公網(wǎng)相對分離開(kāi)來(lái)，解決了 WiFi 局域網(wǎng)IP地址與公網(wǎng)IP地址可能沖突的問(wèn)題以及公 網(wǎng)出現斷網(wǎng)時(shí)影響W i F i局域網(wǎng)數據傳輸的問(wèn)題，同 時(shí)擴大了 WiFi節點(diǎn)數。經(jīng)實(shí)驗驗證，該方案是可行 的，能夠應用在實(shí)際項目中，具有一定的市場(chǎng)推廣和應 用價(jià)值。