一種基于ZigBee的電子標價牌系統

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

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智能化程度較低等問題，提出一種基于ZigBee協議的電子標價牌系統。電子標價牌系統采用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，及時更新商品信息，并對缺貨商品進行及時補充，從而實現對商品的智能化管理。實驗表明，該電子標價牌系統具有功耗低、節能環保、維護方便等特點。

ZigBee；電子紙；管理系統

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。但目前國內絕大多數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，電子標價牌終端取代紙質標價牌，通過無線網絡，每個標價牌終端與后臺管理系統連接，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的特點，滿足終端設備的大規模部署的需要。本文提出了電子標價牌系統設計方案，給出了系統總體框架和軟硬件設計，實驗表明該系統滿足超市商品標價管理的需要。

1 系統總體設計

系統包括服務器、管理系統、協調器、路由器和電子標價牌終端。商品管理系統主要實現管理、修改、查詢商品的詳細信息以及軟件的設置和數據的存儲功能。協調器和路由器負責組建ZigBee無線網絡，從而實現對節點的控制和數據的傳輸。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上對商品的信息進行修改后，數據將保存到服務器的數據庫，同時系統將修改后的信息發送給協調器，協調器收到信息后，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網絡的拓撲結構主要可以分為三種形式，分別為網形網絡、樹形網絡以及星形網絡[1]。本系統中的ZigBee無線傳感網絡采用樹形網絡拓撲結構，樹形網絡具有總長度短、節點容易擴充和成本比較低的優點。系統原理如圖1所示。

圖1 系統原理圖

2 系統硬件設計

電子標價牌系統的硬件設計部分主要涉及協調器、路由器和電子標價牌終端，并且協調器、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的片上系統解決方案[2]，各種ZigBee的無線網絡節點均可適用，芯片包含微控制MCU、內存和ZigBee射頻收發器，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ZigBee協議傳輸功能。CC2530 還具有不同的運行模式，從而滿足系統對超低功耗的需求，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)100萬次以上，內置驅動器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，節省資源。但是由于系統電源為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 系統軟件設計

系統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協議棧的使用、協調器軟件設計、路由器軟件設計[4]。后臺管理系統可以對商品的信息進行查詢修改，同時后臺管理系統將修改的信息發給協調器后，協調器再根據目標地址發送消息到終端節點。下文將重點介紹系統部分軟件模塊的設計。

3.1 Z-Stack協議棧

為了使節點設計更加規范和通用，系統設計中采用TI公司的Z-Stack協議棧來實現ZigBee網絡的創建和數據的傳輸。Z-Stack協議棧是一個半開源的協議棧，其具有較強的兼容性，并能支持多種平臺。對于復雜的網絡，Z-Stack協議棧能夠輕松實現連接，并且在協調器中，可以通過NV實現對綁定表和路由表的記憶性存儲，如果協調器斷電重啟，之前的網絡還能夠得以保存，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上電后，執行ZMain文件夾中Zmain.c的main()函數實現。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

osal_init_enable(INTS_ALL);

//開總中斷

osal_start_system();

//進入操作系統

}

圖4 Z-Stack協議棧流程圖

3.2協調器程序設計

ZigBee系統只有一個協調器，協調器主要負責網絡的維護和管理信息的傳遞。協調器的初始化一般包括系統時鐘初始化、硬件初始化、協議棧初始化等[5]。協調器開始工作后，建立起一個無線網絡，然后檢測節點是否有縮減，若有改變重新建立網絡。同時當商品價格需要更新時，協調器會下發數據給各個節點。協調器節點控制流程如圖5所示。

圖5 協調器節點控制流程圖

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網絡，如果存在則加入無線網絡。同時根據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，不需要進行數據處理，只需要定時喚醒設備[6]，設備進入活躍狀態后快速處理商品信息，然后設備再次進入睡眠狀態。電子標價牌終端的控制流程圖如圖6所示。

3.4商品管理系統設計

Visual Studio是Windows平臺目前最流行的應用程序開發環境，綜合管理上位機軟件是基于Visual Studio 2015軟件開發設計，使用C#語言開發的應用程序，數據庫采用SQL Server v2012。

管理系統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節點編號、商品價格、庫存、折扣、商品產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數據庫，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接口發送給協調器同步到電子標價牌節點。同時當商品庫存數量低于20時系統會出現庫存報警。

圖7 管理系統圖

4 測試

4.1電子紙顯示結果測試

在電子紙顯示測試環節中，通過后臺管理系統對電子標價牌終端發送數據，查看電子標價牌終端能否正確顯示接收到的數據。試驗中通過管理系統發送一款洗發水的價格和折扣等信息，發現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，超市環境相較復雜，在離協調器每3 m放置一個電子標價牌終端，共放置10個終端，然后通過管理系統發送數據，觀察電子紙顯示情況，發現24 m之內基本顯示正常，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大規模遠距離部署。

4.3功耗測試

低功耗是系統設計之初就著重考慮的方面，芯片、屏幕和組網協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，還有終端收發狀態時的工作電流，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，接收數據時長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技術實現了超市商品標價的智能化，同時配合后臺管理系統，實現了對超市的信息化改造。測試表明，系統使用方便高效、安全可靠、節能環保，大幅降低了人力成本。同時本系統還可以在集成度和功能擴展方面做進一步的改進與提升。

[1] 蒲泓全，賈軍營，張小嬌，等.ZigBee網絡技術研究綜述[J]. 計算機系統應用，2013,22(9): 6-11.

[2] 陳克濤，張海輝，張永猛，等.基于CC2530的無線傳感器網絡網關節點的設計[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版)，2014,42(5):183-188.

[3] 程捷，何晨.電子紙顯示技術及應用[J]. 儀表技術，2016(3):38-40.

[4] 李勇，張以帥，唐廣耀，等.基于MSP430的溫室環境數據采集和控制系統設計[J].微型機與應用，2016,35(7):94-96.

[5] 朱恒軍,張玉龍,靳展,等.基于ZigBee的室內空氣環境監控系統設計[J]. 電子技術應用, 2015,41(2):86-88.

[6] 李建勇,劉雪梅,李洋.基于SimpliciTI的大棚溫濕度無線監測系統設計[J]. 電子設計工程, 2015,23(18):173-175.

[7] 鮑衛兵,陳偉杰,朱向軍.基于ZigBee的無線抄表系統的設計與實現[J].工業儀表與自動化裝置, 2013(2):34-37.

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[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、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、無線測控系統、汽車電子系統、LNG船舶電子系統。