一種電子貨架標簽系統(ESLS)的設計

(杭州電子科技大學 電子信息學院 系統集成研究所，杭州 310018)

1 引 言

電子貨架標簽系統(Electronic Shelf Label System，ESLS)屬于物聯網在商業領域的一個極其典型的應用。電子貨架標簽(ESL)是一種放置在貨架上、可替代傳統紙質價格標簽的電子顯示裝置[1]。ESLS一攬子解決方案可以幫助企業面對頻繁和低效率的促銷活動，同時還為其它供應商提供更多管理和優化商品信息的性能。目前，ESLS剛剛興起，美國已經有多家知名大超市開始使用該系統，而在我國至今仍未發現成功的應用案例。

本文設計了一種電子貨架標簽系統。首先簡述了該系統總體設計，然后分別進行了POS(Point of Sale)、前端設備通信模塊，以及完善的應用系統等子模塊設計，同時介紹了Tag與商品信息綁定以及Tag更新流程。在系統設計過程中選用超低功耗RF IC芯片組實現超低功耗。該系統可以廣泛應用于社區零售店、便利店、大中型超市、大賣場、購物中心等商業場所，市場應用前景非常廣闊[2]。

2 ESL系統總體設計

一個完整的ESL系統包括主計算機(MPC)、讀寫器(Access Processor,AP)、ESL和手持式閱讀器(Portable Reader,PR) 4部分,其中，MPC負責讀取數據庫信息，運行各種與價格相關的服務軟件，負責對ESL系統中的設備進行遠程配置、管理等工作；AP負責主計算機與終端設備電子貨架標簽的數據轉發；ESL是終端的信息顯示設備，顯示內容包括商品名稱、規格、單價、生產日期、保質期等商品的重要信息；PR負責現場讀取電子貨價標簽ESL顯示的商品信息。

2.1 完整的ESL系統工作原理

首先數據庫里的商品信息由MPC通過ESL系統軟件進行一定的信息處理，然后將這些攜帶有商品價格等內容的商品信息通過以太網(或其它通信接口)發送到前端的AP中；接著，AP通過無線方式將載有價格等重要內容的信息發送到布設在超市或大賣場貨架上的ESL上。其中，每一個AP負責一定范圍的ESL信息發送； ESL則是一個個帶有身份識別碼(Identification Code,IDC)的無線數據接收器與顯示器,它們能夠將接收到的RF信號還原成有效的數字信號，轉換成相應的商品信息并顯示出來。

每個ESL內部都存儲有對應商品的多條信息。ESL一般被放置在特制的PVC導軌內(導軌固定在貨架上)，具有防盜取結構設計。營業員可以借助手持讀寫器方便檢查核對這些信息。ESL支持遠程控制，管理中心可以通過網絡對其連鎖店內的商品描述信息統一管理。ESL靠內部的紐扣電池供電，一般可以工作5年以上。

2.2 系統整體架構

該系統主要包括MPC、POS、接入點設備間的無線通信、與一個或多個銷售點的MPC/POS系統相連的顯示標簽[3]。ESL系統網絡框架如圖1所示。設計考慮的主要因素包括覆蓋范圍、大小、易用性、顯示標簽模塊的電池壽命、無線傳輸的可靠性和安全性。

每個標簽都具有一個用于顯示產品價格和UPC(Universal Product Code)碼的LCD(Liquid Crystal Display)/E-Ink顯示屏、射頻收發器和微處理器，可使用包含內置處理器的TI(Texas Instruments)獨立式射頻SOC-CC2510或使用與MSP430 微處理器配合使用的TI射頻CC2500收發器來實施該節點。這些超低功耗射頻IC在2.4 GHz頻帶時可提供高性能無線通信。使用射頻收發器可實現全雙工通信，從而擴展系統范圍以便將各種功能包括在內，例如通過使用產品上的射頻ID標簽來維護庫存。該節點由電池供電，因此，CC2500/CC2510和MSP430的低功耗、高性能特性可有效地延長電池使用壽命。

圖1 ESL系統網絡框架示意圖Fig.1 Net frame of ESL system

接入點設備是一種具有簡單微處理器的射頻收發器，可實施所需的射頻協議[4]。AP解決方案包括 CC2500射頻收發器、CC2590/2591射頻前端和MSP430微處理器。AP設備必須能與其分段中的每個節點通信。為了改善2.4 GHz頻帶的傳播特性，專門采用CC2590/CC2591來提高AP多標簽通信網絡的覆蓋范圍。CC2590/CC2591采用功率放大器提高輸出功率，采用低噪聲放大器(Low Noise Amplifier，LNA) 增強接收器靈敏度，從而改善多標簽通信網絡的覆蓋范圍。AP通過以下3個接口選項中的一個選項與MPC/POS系統相連：RS-232、WLAN(Wireless Local Area Network)或以太網接口(Power over Ethernet)。

整個系統也可使用CC1101+MSP430組合或CC430解決方案在低于1 GHz的工作范圍內實施。低于1 GHz的頻帶有助于提高覆蓋范圍，并可避免2.4 GHz頻帶經常遇到的干擾。

3 系統軟件設計

ESL軟件系統主要分為應用系統、POS通信模塊、前端設備通信模塊3部分。應用系統提供軟件功能界面，POS模塊獲取商品信息和商品更新，前端設備通信模塊完成應用系統和AP、Tag、手持設備等之間的通信。模塊設計如圖2所示。

圖2 ESL軟件系統模塊設計Fig.2 Module design of ESL software system

3.1 POS通信模塊和前端通信模塊設計

3.1.1POS機系統的應用

銀行POS即銀聯POS，是無線收款終端，需要去銀聯公司或指定銀行購買。POS的工作原理：使用POS通過指定線路(一般為電話線)連接銀聯總部，POS的刷卡消費信息通過POS傳輸到銀聯，進行消費金額扣除，常與超市或商場中的POS系統結合使用，構成超市或商場POS收銀系統[5]。

3.1.2POS通信模塊

POS通信模塊用于從POS系統獲取商品信息。針對不同的POS系統，獲取商品信息可能有不同的方式，目前只考慮通過數據庫字段映射的方式獲取商品信息。POS通信模塊定時輪詢POS系統的數據庫，讀取商品信息，保存到通信模塊數據庫。保存的商品信息有一個是否更新的標識，在POS系統商品信息發生變化時置為有更新，在應用系統讀取過更新后置為無更新，以完成商品信息更新功能。

3.1.3前端設備通信模塊設計

前端設備通信模塊完成應用系統和前端設備之間的交互，其主要功能是把從應用系統發出的信息轉換為符合設備通信協議的幀格式并發送到AP，再把AP發送來的幀轉換為合適的接口調用或返回值，傳遞給應用系統。通信模塊與硬件設備的接口其實就是通信模塊與Reader設備之間的接口，它們之間采用以太網接口，傳輸方式采用UDP(User Datagram Protocol)方式[6]。

3.2 應用系統設計

應用系統設計包括商品管理、Read/Write管理、Tag管理、權限管理、POS通信管理、設備通信管理六大模塊。

3.2.1商品管理

商品管理模塊主要分為商品信息導入、商品信息查看、商品信息修改、商品信息修改歷史查詢四大功能塊。商品信息導入功能主要用于從POS系統讀取所有商品信息到應用系統數據庫，完成所有商品信息的初始化；商品信息查看功能用于查看和搜索系統內所有的商品信息，包括條碼、商品名、價格等；商品信息修改功能是為了演示和完善功能的需要而增加的；商品信息修改歷史查詢功能用于查詢系統內商品信息的修改歷史。

3.2.2AP管理

AP管理模塊主要包括通信測試、搜索、狀態監控3個子模塊。通信測試子模塊用于對單個AP進行在線測試，查看當前AP是否可通信；AP搜索子模塊在系統初始化時搜索系統內的AP設備，得到各AP設備的IDC、IP地址等信息，完成AP設備初始化，也可在AP設備發生變化時使用本功能更新AP設備信息；應用系統通過AP狀態監控子模塊監控所有AP設備的狀態，允許用戶可實時查看各AP設備信息及狀態，并在出現異常時提醒用戶。

3.2.3Tag管理

Tag管理主要包括Tag與商品的綁定、Tag的狀態監測、Tag挪動管理、Tag顯示設置4個功能。

電子標簽的綁定指的是將某一商品條碼和電子標簽IDC建立關系。商品條碼和電子標簽可以是一對一關系，也可以是一對多關系，如圖3所示。手持機發送Tag IDC和商品條碼到應用系統完成兩者綁定。應用系統可查詢Tag與商品綁定結果，同時也可由用戶手動完成綁定操作。應用系統監控所有Tag的狀態，用戶可實時查看各Tag設備信息及狀態，并在出現異常時提醒用戶。

圖3 商品條碼和電子標簽的對應關系示意圖Fig.3 Relationship between bar code and electron tag

電子標簽可能產生挪動，例如從一個貨架上挪到另外一個貨架上，因此可能會發生標簽的AP通信宿主變更，如圖4所示。此時，應用系統必須能夠自動獲取和更新標簽Tag的歸屬宿主。

圖4 電子標簽的挪動導致AP通信宿主變更示意圖Fig.4 Changes of AP communication host due to movement of electron tag

3.2.4權限管理

應用系統內用戶分為系統管理員和普通用戶兩類，管理員可增加、修改、刪除普通用戶，普通用戶可使用商品管理、AP管理、Tag管理的完整功能。

3.2.5POS通信管理

POS通信管理與POS通信模塊相關聯，從POS機獲取數據。交互方式為應用系統調用POS通信接口，包括獲取全部商品和商品信息更新兩項功能。通過直接訪問POS通信接口獲取全部商品，獲得全部商品數據并保存到數據庫。商品信息更新采用輪詢方式，定時訪問POS通信接口，查看有無商品信息變化，并把獲取到的變化信息保存到數據庫；同時觸發商品信息修改流程，更改對應Tag的顯示內容。

3.2.6設備通信管理

設備通信管理與前端設備通信模塊相關聯，與前端設備發生交互。交互方式包括應用系統調用設備通信接口和應用系統提供接口供設備通信模塊調用兩種。

4 系統硬件設備

4.1 AP讀寫器

AP設備包含有以太網地址和2字節的AP ID號，兩者在全網內都是唯一的。AP廣播地址為0xFFFF，AP設備如圖5所示。0x0000暫時保留不作AP地址。

圖5 AP設備俯視圖Fig.5 Vertical view of AP device

4.2 Tag標簽

Tag標簽實物如圖6所示，地址為4字節，格式如表1所示。

圖6 Tag標簽實物圖Fig.6 Photo of electron tag

Byte 3Byte 2Byte 1Byte 0Tag標簽類型Tag標簽地址

另外，Tag的地址0xFFFFFFFF和0x00000000暫時保留，不作單獨的Tag ID用。

4.3 手持Reader

手持讀寫器的地址是在綁定條形碼與Tag ID過程中，通過讀取Tag標簽的條碼時臨時分配的，就是將這個商品的條碼作為地址分配給手持機設備。這樣做的好處在于手持機設備不需要進行地址初始化設定，所有手持機都是一樣的。這也便于區分手持機與Tag標簽。手持機實物如圖7所示。

圖7 手持機實物圖Fig.7 Photo of portable reader

條形碼分標準版和縮短版，標準版為一個13位十進制的數，縮短版則為8位的十進制數。當選用13位十進制數，并采用8421碼，至少需要7字節才能包含所有條形碼值，可采用首尾添0x/A的方式補全。

5 Tag信息更新的過程

5.1 TAG與商品信息成功綁定的過程

TAG與商品信息成功綁定的過程如圖8所示。

圖8 TAG與商品信息成功綁定的過程Fig.8 Process of successfully binding goods information to Tag

整個過程描述如下：

步驟1：用戶先按下手持機上的商品信息查詢按鈕，手持機讀取條形碼【紅外】；

步驟2：手持機向AP發送條形碼信息【2.4 GHz】；

步驟3：AP向后臺系統轉發條形碼信息【UDP】；

步驟4：后臺系統收到條形碼信息后查詢數據庫，并向AP發送對應商品信息【UDP】；

步驟5：AP向手持機轉發商品信息【2.4 GHz】；

步驟6：用戶查看手持機上顯示的信息是否正確后，再次按下綁定按鈕，手持機通過內置激勵線圈向Tag發送激活信號【13.56 MHz】；

步驟7：Tag向手持機發送Tag ID【2.4 GHz】；

步驟8：手持機向AP發送(條碼，Tag ID)綁定信息【2.4 GHz】；

步驟9：AP收到綁定信息后，向后臺系統轉發綁定信息，系統收到信息后將啟動Tag信息更新流程【UDP】；

步驟10：后臺系統收到綁定信息后還將向AP發送綁定反饋信息【UDP】；

步驟11：AP收到綁定反饋信息后向手持機轉發這個綁定反饋信息【2.4 GHz】。

本過程涉及到的報文名稱及說明如表2所示。

表2 信息更新中相對應的報文說明Table 2 Explanation of messages corresponding to information updating

5.2 Tag信息更新成功流程

Tag的信息更新流程如圖9所示。整個過程描述如下：

步驟1：系統軟件開始發起Tag 20標簽的信息更新，并且系統軟件知道Tag 20歸屬于AP A的IP地址為192.168.15.5，此時系統軟件向AP A發送一個Tag 20的更新信息幀，并且設定一個超時時間，如果在超時時間內無法獲得步驟4的更新反饋，系統將認為Tag 20不可達，接下來會發起輪詢式或廣播式Tag 20的搜索過程(至于選哪種搜索流程，則取決于系統配置)；

步驟2：AP A接收到來自系統軟件的Tag 20更新信息幀，提取信息后向Tag 20轉發這個Tag信息更新幀；

步驟3：Tag 20在接收到信息更新幀后，更新完信息，同時向AP A應答一個成功更新反饋幀；

步驟4：AP A接收到這個來自Tag 20的更新反饋幀后，向系統軟件轉發這個更新反饋信息，系統軟件獲知更新成功。

圖9 Tag信息更新成功流程圖Fig.9 Flowchart of successful update of tag information

本過程涉及到的系統軟件與AP之間的報文說明如表3所示。

表3 系統軟件與AP之間的報文說明Table 3 Explanation of messages between system software and AP

6 結束語

隨著中國商業和貿易的日益國際化，在引進先進的技術和管理的同時，同樣也促發了大規模的商業競爭，所以設計一種帶有促銷信息和動態定價功能的電子貨架標簽系統已顯得十分迫切。本設計采用有源遠距離RFID技術和完善的計算機管理技術相結合，能在寬廣范圍內實現對商品信息的有效管理，有效提高了商品信息管理效率。實驗結果證明該系統信號覆蓋范圍廣、無線收發穩定、功耗低、壽命長，以及應用系統的商品、系統、Tag管理完善，性能良好，具有良好的產業化和應用前景。

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