基于ZigBee的電子標簽系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李堯，徐文濤，楊璐，孫秀文，劉邦超，孫凡

（1.南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京　210016；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京　210016）

基于ZigBee的電子標簽系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李堯1，徐文濤1，楊璐1，孫秀文1，劉邦超2，孫凡1

（1.南京航空航天大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南京210016；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京210016）

針對目前超市中對紙質(zhì)標簽管理無序、混亂、效率低下、信息更新時間長、人力成本高等缺點，本文設(shè)計了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的電子標簽系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee傳輸技術(shù)構(gòu)建了一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，用以對電子標簽的標簽ID、商品ID、商品價格等數(shù)據(jù)的傳輸；基于Windows操作系統(tǒng)采用C#計算機語言開發(fā)了電子標簽管理軟件，該軟件通過建立數(shù)據(jù)庫對商品各屬性和價格信息進行存儲，可實時顯示商品信息并實現(xiàn)對標簽內(nèi)容遠程修改，相關(guān)管理人員可以通過使用該軟件對電子標簽實時監(jiān)測和遠程管理，并對商品信息進行實時處理。本系統(tǒng)降低了電子標簽信息更新的時間和人力成本，使得管理方便、有序并且高效，系統(tǒng)運行時僅需使用較少的通信流量、較低的工作頻率和電壓，有效地降低了系統(tǒng)的功耗，節(jié)約了管理成本。

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)計算；電子標簽管理；低功耗

隨著國家的經(jīng)濟發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，超市中商品的種類和數(shù)量也出現(xiàn)爆炸性增長，這極大的考驗著超市在經(jīng)營中的各個環(huán)節(jié)的管理能力，一個超市的規(guī)范化管理手段就顯得尤為重要，這其中就包含如何方便快捷的對商品進行標價。很多發(fā)達國家的超市里面，開始出現(xiàn)用電子標簽來取代傳統(tǒng)紙質(zhì)標簽的趨勢［1］，電子標簽的使用，大大節(jié)約了人力資源，提高了效率，并且減少了紙質(zhì)的使用，為構(gòu)建資源節(jié)約型社會起到了積極的作用。與發(fā)達國家相比，我國的價格標簽管理還處于原始的紙質(zhì)標簽時代，這種方式隨著商品種類的增多逐漸暴露出許多問題，表現(xiàn)為：通過人工的排查的方式進行紙質(zhì)標簽的修改和更換，勞動繁瑣，容易出錯；商品的拿取只能人工計數(shù)，不能進行電子化管理，不方便日后統(tǒng)計。以上缺點不但消耗了大量的人力、物力和財力，而且商品價格修改實時性差，錯誤出現(xiàn)率高，因此將紙質(zhì)標簽更換成電子標簽成為發(fā)展的趨勢。

ZigBee技術(shù)是一門新型的通信技術(shù)，其作為一種短距離無線通信方式，已在社會各個行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用［2-5］，以其低成本、低功耗、高可靠性等特點可以很好的滿足無線電子標價牌系統(tǒng)的技術(shù)需求［6］，在本電子標簽系統(tǒng)中，使用ZigBee節(jié)點將上位機管理軟件、路由器和電子標簽組成一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過軟件人機交互界面可以方便的對電子標簽顯示內(nèi)容進行修改和控制，同時商品的屬性和價格信息將會存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和電子標簽顯示內(nèi)容上的統(tǒng)一。

1　系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了基于ZigBee和上位機軟件的智能電子標簽修改系統(tǒng)。該系統(tǒng)的3個主要組成部分及其作用如下：1）商品價格設(shè)置軟件：為用戶提供友好的人機界面，方便用戶對商品價格設(shè)置，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫程序；2）ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)：主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，集成了無線傳輸數(shù)據(jù)、對節(jié)點進行管理和控制的功能。3）基于液晶屏的價格顯示器：顯示商品價格、貨號及其他信息。該系統(tǒng)工作過程如下：通過上位機的客戶端將命令（如修改價格，修改商品名稱等）發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到命令后，經(jīng)過判斷發(fā)現(xiàn)是合法命令后，以廣播的方式將命令傳給各個終端，終端對信息進行驗證，驗證通過后會進行電子標簽的修改任務(wù)；同時，進行修改過后的信息會經(jīng)過終端返回到協(xié)調(diào)器，在經(jīng)過串口返回到上位機，上位機將信息與之間的命令信息進行比對后，若兩者一直，則將存入數(shù)據(jù)庫，這樣在通過軟件修改標簽顯示信息的同時，還可以保障修改內(nèi)容的正確性，提高了系統(tǒng)的可靠性。綜上，本系統(tǒng)在電子標簽修改過程中，對監(jiān)測、出錯管理、遠程控制3個方面進行了高效、有序、智能化的管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of the power control unit test system

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊、LCD顯示模塊、UART接口、計算機等部分。計算機主要用來進行命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)包括終端ID、商品名稱、商品價格、商品種類等信息；計算機和ZigBee協(xié)調(diào)器通過UART接口進行連接；ZigBee模塊可以實現(xiàn)自組網(wǎng)，建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)；LCD顯示模塊和ZigBee芯片的I/O接口連接，并接受ZigBee芯片的驅(qū)動，從而實現(xiàn)商品名稱、商品ID、商品價格的顯示。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

考慮到電子標簽系統(tǒng)需要低能耗的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，標簽牌節(jié)點數(shù)據(jù)處理不復(fù)雜，我們選擇了 CC2530ZigBee芯片。CC2530芯片是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。并且CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。

圖2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagram of the hardware system

鑒于系統(tǒng)需要的電子標價牌LCD上要顯示的內(nèi)容包括文字、數(shù)字和簡單圖形，以適應(yīng)不同貨品的標價需要。同時要考慮到低功耗和低成本的MCU要求和LCD控制簡單的特點，故選擇單色的點陣式LCD用于顯示。本系統(tǒng)選擇駿顯電子科技公司的JM12864LCD模塊。JM12864內(nèi)置8192個中文漢字（16*16點陣）、128個字符（8*16點陣）及64*256點陣顯示RAM（GDRAM）。該模塊具有靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。

ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)具有多種拓撲結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)出于節(jié)省資源和可擴展性的考慮，選擇樹形拓撲結(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立過程主要分為以下兩個步驟：1）首先進行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化，包括檢測網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、信道掃描、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；初始化成功后，就等待其它節(jié)點加入到已經(jīng)生成的無線網(wǎng)絡(luò)。2）節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，即子節(jié)點發(fā)起信道掃描、發(fā)送關(guān)聯(lián)請求；最后為等待協(xié)調(diào)器處理。供應(yīng)商已經(jīng)為CC2530的應(yīng)用開發(fā)設(shè)計了完善的通信協(xié)議棧Z-STACK，我們只要利用協(xié)議棧中的函數(shù)即可完成上述網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程。本系統(tǒng)采用的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)Fig.3　ZigBee wireless transmission network

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計為用于價格更新的上位機軟件設(shè)計。上位機軟件運行于Windows操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對商品價格系統(tǒng)的管理。

鑒于需要更加友好、更加美觀的人機界面，選擇Visual Studio 2010中集成的WPF界面開發(fā)工具進行上位機軟件的開發(fā)，使用SOL Server 2008實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和開發(fā)。

系統(tǒng)界面由價格管理界面類、系統(tǒng)管理界面類和主界面類組成。價格管理界面類主要負責(zé)價格信息輸入的后臺操作。系統(tǒng)管理界面類主要負責(zé)整個系統(tǒng)的維護和管理，包括管理員登陸、串口初始化、系統(tǒng)幫助等。主界面類主要負責(zé)操作界面功能。

在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，上位機與協(xié)調(diào)器之間的通信采用異步串口通信。在使用串口組件之前，需要對串口參數(shù)進行設(shè)置：串口號、設(shè)置波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位、數(shù)據(jù)握手方式、接收與發(fā)送緩存區(qū)大小等。

本軟件開始工作時，先通過用戶登錄，進入軟件系統(tǒng)，并完成數(shù)據(jù)庫的加載，當(dāng)用戶需要查詢修改商品時，輸入商品ID、商品名稱中的一項，都可以進行查詢修改，而且可以進行命令差錯檢驗，若命令符合規(guī)則，則可以通過UART接口傳送到協(xié)調(diào)器，經(jīng)由無線傳感網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)對電子標簽的修改；當(dāng)用戶要進行添加商品時，可輸入商品ID、商品名稱、商品價格、商品種類、和商品庫存等信息，也可以進行越界檢查，如果重復(fù)，則報錯，如果通過，則進行更新數(shù)據(jù)庫的操作，進而對商品所在位置的電子標簽進行重新定義。通過以上工作方式，可以實現(xiàn)對電子標簽的實時管理。程序開發(fā)流程圖如圖4所示。

圖4　軟件設(shè)計的流程圖Fig.4　Flow chart the software design

4　系統(tǒng)測試

4.1測試方法

系統(tǒng)調(diào)試主要分為硬件測試和軟件測試兩部分。硬件測試主要監(jiān)測系統(tǒng)的硬件是否正常工作，即ZigBee節(jié)點的硬件測試，屏幕是否顯示。軟件部分檢測能否發(fā)出命令，能否寫會數(shù)據(jù)庫，能否從數(shù)據(jù)庫調(diào)入數(shù)據(jù)。測試方法：多次輸入添加商品，刪除商品信息，來進行反復(fù)測試，從而達到測試目的。

4.2效果圖

測試界面效果圖如圖5所示。

圖5　測試界面圖Fig.5　Interface chart of the test system

5　結(jié)　論

該系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到對電子標簽修改的管理中，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)搭建平臺，計算機WPF編程技術(shù)構(gòu)建了超市電子價格標簽修改系統(tǒng)。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電子標簽的遠程監(jiān)控和管理，并能實時更新后臺數(shù)據(jù)庫，節(jié)約了人力成本，提高了工作效率，為節(jié)能環(huán)保做出了貢獻，為電子標簽的創(chuàng)新提供了新的思路。

［1］曹軍，趙寧，許浩博，等.基于嵌入式單片機和射頻技術(shù)的電子價格標簽［J］.電子器件，2012，35（4）：477-480.

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［3］向磊，馬建設(shè)，劉鵬，等.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電子設(shè)計工程，2015（2）：134-137.

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The design and implementation of electronic tag system based on Zigbee

LI Yao1，XU Wen-tao1，YANG Lu1，SUN Xiu-wen1，LIU Bang-chao2，SUN Fan1（1.College of Science，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，NanJing 210016，China；2.College of Automation，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，NanJing 210016，China）

In supermarket management currently，the using of paper label is in disorder，muddled and inefficient，the update time of information is too long，aiming at these disadvantages，we devise the electronic label system based on ZigBee wireless network.This system uses the technology of ZigBee wireless transmission technology to construct a wireless sensor network，transferring label ID，commodities ID，commodity prices and other data of electronic tags；Adopt the Windows operating system to build an electronic tag modifying system and the establish a database based on C#language，for storing the changing date，showing the real-time commodity information and realizing the remote control，managers can use PC software for real-time monitoring and remote management of electronic tag，analyzing and dealing with the real-time commodity information.The system is applied in the management and maintenance of the electronic tag，reducing the time of updating information in and keeping the manpower cost down，therefore make it convenient to manage，orderly and efficient；Effectively reduce the power consumption of the system，save the management cost because of the less communication flows，low working frequency，and low working voltage when managing.

ZigBee wireless sensor network；networking computing；electronic label management；low power consumption

TN-9

A

1674－6236（2016）03-0023-03

2015-04-13稿件編號：201504129

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201410287014Y）

李 堯（1992—），男，河北滄州人。研究方向：軟件工程與理論。