胡 躍，王廷廷，曾連蓀

(1. 上海海事大學 信息工程學院，上海 201306； 2. 南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044)

一種基于ZigBee的電子標價牌系統(tǒng)

胡 躍1，王廷廷2，曾連蓀1

(1. 上海海事大學 信息工程學院，上海 201306； 2. 南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044)

針對目前超市大量使用紙質的商品標價牌存在紙張浪費、工作量大、人力成本較高以及商品管理系統(tǒng)智能化程度較低等問題，提出一種基于ZigBee協(xié)議的電子標價牌系統(tǒng)。電子標價牌系統(tǒng)采用CC2530為主控芯片，它集成了微控制器和射頻功能，通過最新的電子紙屏幕展示商品信息，配合商品后臺管理系統(tǒng)，及時更新商品信息，并對缺貨商品進行及時補充，從而實現(xiàn)對商品的智能化管理。實驗表明，該電子標價牌系統(tǒng)具有功耗低、節(jié)能環(huán)保、維護方便等特點。

ZigBee；電子紙；管理系統(tǒng)

Abstract: In this paper, a commodity price management system based on ZigBee protocol is proposed to solve the problems that the commodity price of paper is expensive, the workload is high, the labor cost is high and the commodity management system is less intelligent. Commodity price management system uses CC2530 as the master chip, which integrates the micro-controller and radio frequency function, through the latest electronic paper screen display commodity price, with the goods management and sales system, the goods in time to add goods to achieve intelligent management of goods. Experiments show that the commodity price management system has low power consumption, energy saving and environmental protection, easy maintenance and so on.

Key words:ZigBee; electronic paper; management system

0 引言

如今人們購買力水平不斷提高，不斷追逐更高的物質需求，大型超市里的商品琳瑯滿目，各種商品充斥著人們的眼球。但目前國內(nèi)絕大多數(shù)超市仍使用落后的紙質標簽標價，標價依賴人工，工作效率較低，還造成紙張的浪費。為了解決以上問題，本文設計了一種基于ZigBee的電子標價牌系統(tǒng)，電子標價牌終端取代紙質標價牌，通過無線網(wǎng)絡，每個標價牌終端與后臺管理系統(tǒng)連接，從而能夠及時地更新商品的價格和折扣等信息。

與其他頻段的無線技術相比，ZigBee技術不僅具有功耗低、距離長、成本低等特點，而且還具有高容量和易組網(wǎng)的特點，滿足終端設備的大規(guī)模部署的需要。本文提出了電子標價牌系統(tǒng)設計方案，給出了系統(tǒng)總體框架和軟硬件設計，實驗表明該系統(tǒng)滿足超市商品標價管理的需要。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)包括服務器、管理系統(tǒng)、協(xié)調(diào)器、路由器和電子標價牌終端。商品管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)管理、修改、查詢商品的詳細信息以及軟件的設置和數(shù)據(jù)的存儲功能。協(xié)調(diào)器和路由器負責組建ZigBee無線網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)對節(jié)點的控制和數(shù)據(jù)的傳輸。電子標價牌終端主要顯示商品的價格、折扣和條形碼等信息。工作人員在管理系統(tǒng)上對商品的信息進行修改后，數(shù)據(jù)將保存到服務器的數(shù)據(jù)庫，同時系統(tǒng)將修改后的信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到信息后，將信息傳遞給電子標價牌終端或者路由器，終端收到修改信息后對電子紙屏幕進行刷新。

ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結構主要可以分為三種形式，分別為網(wǎng)形網(wǎng)絡、樹形網(wǎng)絡以及星形網(wǎng)絡[1]。本系統(tǒng)中的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡采用樹形網(wǎng)絡拓撲結構，樹形網(wǎng)絡具有總長度短、節(jié)點容易擴充和成本比較低的優(yōu)點。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設計

電子標價牌系統(tǒng)的硬件設計部分主要涉及協(xié)調(diào)器、路由器和電子標價牌終端，并且協(xié)調(diào)器、路由器以及電子標價牌終端都是以CC2530為核心，在電子標價牌終端CC2530配合電子紙和升壓轉接電路實現(xiàn)商品信息的顯示。

圖3 升壓轉接電路原理圖

CC2253是一個用于ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案[2]，各種ZigBee的無線網(wǎng)絡節(jié)點均可適用，芯片包含微控制MCU、內(nèi)存和ZigBee射頻收發(fā)器，同時集成電源檢測電路和定時器等資源，還具有32 MHz系統(tǒng)時鐘和32.768 kHz實時時鐘，僅通過設計簡單的外圍電路，芯片就能夠實現(xiàn)ZigBee協(xié)議傳輸功能。CC2530 還具有不同的運行模式，從而滿足系統(tǒng)對超低功耗的需求，同時設計中CC2530的供電采用3.3 V 600 mAh磷酸鐵鋰電池，電池穩(wěn)定安全且壽命較長。電子標價牌終端原理框圖如圖2所示。

圖2 終端原理圖

電子紙是一種超輕薄的顯示屏[3]，電子紙屏幕在更新信息的時候會少量耗電，關閉電源后，顯示屏上的畫面仍可保留，所以不需要刷新屏幕時幾乎不耗電，顯示功耗較低。本設計選用2.1英寸電子紙顯示屏，分辨率為250×122，采用黑白兩級灰度、4路SPI和24引腳的FPC接口，刷新功耗26.4 mW，使用壽命(無故障刷新次數(shù))100萬次以上，內(nèi)置驅動器IC，無需另配驅動器，僅需少量外圍器件，即可通過MCU控制顯示，節(jié)省資源。但是由于系統(tǒng)電源為3.3 V，電子紙刷新需要±15 V驅動，需要升壓電路來驅動電子紙刷新，設計中將升壓電路和轉接電路集成在一起構成升壓轉接電路，最終通過升壓轉接板來連接電子紙和MCU。升壓轉接板電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包括通信控制軟件設計、終端軟件設計和后臺管理軟件設計。通信控制軟件設計主要包括Z-Stack協(xié)議棧的使用、協(xié)調(diào)器軟件設計、路由器軟件設計[4]。后臺管理系統(tǒng)可以對商品的信息進行查詢修改，同時后臺管理系統(tǒng)將修改的信息發(fā)給協(xié)調(diào)器后，協(xié)調(diào)器再根據(jù)目標地址發(fā)送消息到終端節(jié)點。下文將重點介紹系統(tǒng)部分軟件模塊的設計。

3.1 Z-Stack協(xié)議棧

為了使節(jié)點設計更加規(guī)范和通用，系統(tǒng)設計中采用TI公司的Z-Stack協(xié)議棧來實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)的傳輸。Z-Stack協(xié)議棧是一個半開源的協(xié)議棧，其具有較強的兼容性，并能支持多種平臺。對于復雜的網(wǎng)絡，Z-Stack協(xié)議棧能夠輕松實現(xiàn)連接，并且在協(xié)調(diào)器中，可以通過NV實現(xiàn)對綁定表和路由表的記憶性存儲，如果協(xié)調(diào)器斷電重啟，之前的網(wǎng)絡還能夠得以保存，從而解決了各終端手動重啟而帶來的麻煩。Z-Stack采用的是事件輪詢機制，其流程如圖4所示。

其中初始化是在系統(tǒng)上電后，執(zhí)行ZMain文件夾中Zmain.c的main()函數(shù)實現(xiàn)。具體代碼如下。

Void main (void)

{

osal_int_disable(INTS_ALL);

//關總中斷

Zmain_ram_init();

//初始化堆棧空間

InitBoard(OB_COLD);

//初始化I/O口

HalDriverInit();

//初始化HAL層

osal_nv_init(NULL);

//初始化NV非易失存儲器

ZMacInit();

//初始化MAC層

Zmain_ext_addr();

//分配64位地址

osal_init_system();

//初始化操作系統(tǒng)

osal_init_enable(INTS_ALL);

//開總中斷

osal_start_system();

//進入操作系統(tǒng)

}

圖4 Z-Stack協(xié)議棧流程圖

3.2協(xié)調(diào)器程序設計

ZigBee系統(tǒng)只有一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器主要負責網(wǎng)絡的維護和管理信息的傳遞。協(xié)調(diào)器的初始化一般包括系統(tǒng)時鐘初始化、硬件初始化、協(xié)議棧初始化等[5]。協(xié)調(diào)器開始工作后，建立起一個無線網(wǎng)絡，然后檢測節(jié)點是否有縮減，若有改變重新建立網(wǎng)絡。同時當商品價格需要更新時，協(xié)調(diào)器會下發(fā)數(shù)據(jù)給各個節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點控制流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點控制流程圖

3.3終端程序設計

圖6 電子標價牌終端流程圖

電子標價牌終端上電后，先對終端硬件進行初始化操作，然后搜索ZigBee網(wǎng)絡，如果存在則加入無線網(wǎng)絡。同時根據(jù)電子標價牌終端保持低功率的需要，設定設備大部分時間處在睡眠狀態(tài)，不需要進行數(shù)據(jù)處理，只需要定時喚醒設備[6]，設備進入活躍狀態(tài)后快速處理商品信息，然后設備再次進入睡眠狀態(tài)。電子標價牌終端的控制流程圖如圖6所示。

3.4商品管理系統(tǒng)設計

Visual Studio是Windows平臺目前最流行的應用程序開發(fā)環(huán)境，綜合管理上位機軟件是基于Visual Studio 2015軟件開發(fā)設計，使用C#語言開發(fā)的應用程序，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server v2012。

管理系統(tǒng)上位機部分功能界面如圖7所示， 商品管理模塊主要分為貨品信息導入、信息搜索、信息查看 、信息更改 、信息刪除和庫存報警等功能[7]。商品信息查看包括商品名稱、商品編號、ZigBee節(jié)點編號、商品價格、庫存、折扣、商品產(chǎn)地和商品類型等信息。搜索功能屬于全局模糊搜索，輸入商品任意信息都能找到相關商品。通過新建貨品把新入庫的商品信息錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，商品信息修改功能是為了更新商品信息，新建和變更的信息會通過RS230接口發(fā)送給協(xié)調(diào)器同步到電子標價牌節(jié)點。同時當商品庫存數(shù)量低于20時系統(tǒng)會出現(xiàn)庫存報警。

圖7 管理系統(tǒng)圖

4 測試

4.1電子紙顯示結果測試

在電子紙顯示測試環(huán)節(jié)中，通過后臺管理系統(tǒng)對電子標價牌終端發(fā)送數(shù)據(jù)，查看電子標價牌終端能否正確顯示接收到的數(shù)據(jù)。試驗中通過管理系統(tǒng)發(fā)送一款洗發(fā)水的價格和折扣等信息，發(fā)現(xiàn)電子標價牌正確無誤地顯示相關信息。

4.2通信距離測試

ZigBee屬于短距離通信，穿透能力一般，超市環(huán)境相較復雜，在離協(xié)調(diào)器每3 m放置一個電子標價牌終端，共放置10個終端，然后通過管理系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，觀察電子紙顯示情況，發(fā)現(xiàn)24 m之內(nèi)基本顯示正常，符合設計要求，如果要延長通信的距離，可以增加路由器來實現(xiàn)大規(guī)模遠距離部署。

4.3功耗測試

低功耗是系統(tǒng)設計之初就著重考慮的方面，芯片、屏幕和組網(wǎng)協(xié)議的選擇都按照低功率的要求，以便能長時間使用。在功耗測試試驗中，主要測試電子紙刷新時的工作電流和時間，還有終端收發(fā)狀態(tài)時的工作電流，測試結果如表1所示。

表1 電流消耗情況

設計中每10 s喚醒一次電子標價牌終端，喚醒時間為10 ms，電子紙刷新一次6 s，接收數(shù)據(jù)時長2 s，假設電子紙每天刷新一次，600 mAh的磷酸鐵鋰電池至少能用4年，完全符合最初的設計的需求。

5 結論

本文通過電子紙顯示技術和ZigBee技術實現(xiàn)了超市商品標價的智能化，同時配合后臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對超市的信息化改造。測試表明，系統(tǒng)使用方便高效、安全可靠、節(jié)能環(huán)保，大幅降低了人力成本。同時本系統(tǒng)還可以在集成度和功能擴展方面做進一步的改進與提升。

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An electronic price tag system based on ZigBee

Hu Yue1, Wang Tingting2, Zeng Liansun1

(1. College of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. College of Control and Information, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

TN929.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.028

胡躍，王廷廷，曾連蓀.一種基于ZigBee的電子標價牌系統(tǒng)[J].微型機與應用，2017,36(18)：96-98,102.

2017-02-28)

胡躍(1994-)，男，碩士，主要研究方向：定位導航系統(tǒng)、無線接入。

王廷廷(1990-)，女，碩士，主要研究方向：ZigBee，嵌入式，飛行器控制。

曾連蓀(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：定位導航系統(tǒng)、無線測控系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)、LNG船舶電子系統(tǒng)。