基于ZigBee的电子标签系统的设计与实现

李尧，徐文涛，杨璐，孙秀文，刘邦超，孙凡

（1.南京航空航天大学 理学院，江苏 南京　210016；2.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京　210016）

基于ZigBee的电子标签系统的设计与实现

李尧1，徐文涛1，杨璐1，孙秀文1，刘邦超2，孙凡1

（1.南京航空航天大学 理学院，江苏 南京210016；2.南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京210016）

针对目前超市中对纸质标签管理无序、混乱、效率低下、信息更新时间长、人力成本高等缺点，本文设计了一种基于ZigBee无线网络的电子标签系统。系统采用ZigBee传输技术构建了一个无线传感网络，用以对电子标签的标签ID、商品ID、商品价格等数据的传输；基于Windows操作系统采用C#计算机语言开发了电子标签管理软件，该软件通过建立数据库对商品各属性和价格信息进行存储，可实时显示商品信息并实现对标签内容远程修改，相关管理人员可以通过使用该软件对电子标签实时监测和远程管理，并对商品信息进行实时处理。本系统降低了电子标签信息更新的时间和人力成本，使得管理方便、有序并且高效，系统运行时仅需使用较少的通信流量、较低的工作频率和电压，有效地降低了系统的功耗，节约了管理成本。

ZigBee无线传感网络；物联网计算；电子标签管理；低功耗

随着国家的经济发展，人民的生活水平不断提高，超市中商品的种类和数量也出现爆炸性增长，这极大的考验着超市在经营中的各个环节的管理能力，一个超市的规范化管理手段就显得尤为重要，这其中就包含如何方便快捷的对商品进行标价。很多发达国家的超市里面，开始出现用电子标签来取代传统纸质标签的趋势［1］，电子标签的使用，大大节约了人力资源，提高了效率，并且减少了纸质的使用，为构建资源节约型社会起到了积极的作用。与发达国家相比，我国的价格标签管理还处于原始的纸质标签时代，这种方式随着商品种类的增多逐渐暴露出许多问题，表现为：通过人工的排查的方式进行纸质标签的修改和更换，劳动繁琐，容易出错；商品的拿取只能人工计数，不能进行电子化管理，不方便日后统计。以上缺点不但消耗了大量的人力、物力和财力，而且商品价格修改实时性差，错误出现率高，因此将纸质标签更换成电子标签成为发展的趋势。

ZigBee技术是一门新型的通信技术，其作为一种短距离无线通信方式，已在社会各个行业得到广泛的应用［2-5］，以其低成本、低功耗、高可靠性等特点可以很好的满足无线电子标价牌系统的技术需求［6］，在本电子标签系统中，使用ZigBee节点将上位机管理软件、路由器和电子标签组成一个无线传感网络，通过软件人机交互界面可以方便的对电子标签显示内容进行修改和控制，同时商品的属性和价格信息将会存储在数据库中，实现数据库和电子标签显示内容上的统一。

1　系统整体方案设计

本系统设计了基于ZigBee和上位机软件的智能电子标签修改系统。该系统的3个主要组成部分及其作用如下：1）商品价格设置软件：为用户提供友好的人机界面，方便用户对商品价格设置，并将数据存入数据库程序；2）ZigBee无线传输网络：主要由ZigBee网络节点组成，集成了无线传输数据、对节点进行管理和控制的功能。3）基于液晶屏的价格显示器：显示商品价格、货号及其他信息。该系统工作过程如下：通过上位机的客户端将命令（如修改价格，修改商品名称等）发送给协调器，协调器接收到命令后，经过判断发现是合法命令后，以广播的方式将命令传给各个终端，终端对信息进行验证，验证通过后会进行电子标签的修改任务；同时，进行修改过后的信息会经过终端返回到协调器，在经过串口返回到上位机，上位机将信息与之间的命令信息进行比对后，若两者一直，则将存入数据库，这样在通过软件修改标签显示信息的同时，还可以保障修改内容的正确性，提高了系统的可靠性。综上，本系统在电子标签修改过程中，对监测、出错管理、远程控制3个方面进行了高效、有序、智能化的管理。系统结构如图1所示。

图1　系统总体结构图Fig.1　Structure diagram of the power control unit test system

2　系统硬件设计

本系统硬件部分主要包括ZigBee网络模块、LCD显示模块、UART接口、计算机等部分。计算机主要用来进行命令的发送和数据的接收，数据包括终端ID、商品名称、商品价格、商品种类等信息；计算机和ZigBee协调器通过UART接口进行连接；ZigBee模块可以实现自组网，建立无线传感网络；LCD显示模块和ZigBee芯片的I/O接口连接，并接受ZigBee芯片的驱动，从而实现商品名称、商品ID、商品价格的显示。本系统的硬件结构如图2所示。

考虑到电子标签系统需要低能耗的ZigBee网络，标签牌节点数据处理不复杂，我们选择了 CC2530ZigBee芯片。CC2530芯片是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee应用的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。并且CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

图2　系统硬件结构图Fig.2　Structure diagram of the hardware system

鉴于系统需要的电子标价牌LCD上要显示的内容包括文字、数字和简单图形，以适应不同货品的标价需要。同时要考虑到低功耗和低成本的MCU要求和LCD控制简单的特点，故选择单色的点阵式LCD用于显示。本系统选择骏显电子科技公司的JM12864LCD模块。JM12864内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。该模块具有灵活的接口方式和简单方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

ZigBee通信网络具有多种拓扑结构，本系统出于节省资源和可扩展性的考虑，选择树形拓扑结构。ZigBee网络建立过程主要分为以下两个步骤：1）首先进行ZigBee网络的初始化，包括检测网络协调器、信道扫描、配置网络参数；初始化成功后，就等待其它节点加入到已经生成的无线网络。2）节点通过协调器加入网络，即子节点发起信道扫描、发送关联请求；最后为等待协调器处理。供应商已经为CC2530的应用开发设计了完善的通信协议栈Z-STACK，我们只要利用协议栈中的函数即可完成上述网络构建过程。本系统采用的树状拓扑结构如图3所示。

图3　ZigBee无线传感网络Fig.3　ZigBee wireless transmission network

3　系统软件设计

本系统的软件设计为用于价格更新的上位机软件设计。上位机软件运行于Windows操作系统，可以实现对商品价格系统的管理。

鉴于需要更加友好、更加美观的人机界面，选择Visual Studio 2010中集成的WPF界面开发工具进行上位机软件的开发，使用SOL Server 2008实现数据库的设计和开发。

系统界面由价格管理界面类、系统管理界面类和主界面类组成。价格管理界面类主要负责价格信息输入的后台操作。系统管理界面类主要负责整个系统的维护和管理，包括管理员登陆、串口初始化、系统帮助等。主界面类主要负责操作界面功能。

在整个网络系统中，上位机与协调器之间的通信采用异步串口通信。在使用串口组件之前，需要对串口参数进行设置：串口号、设置波特率、校验位、数据位、停止位、数据握手方式、接收与发送缓存区大小等。

本软件开始工作时，先通过用户登录，进入软件系统，并完成数据库的加载，当用户需要查询修改商品时，输入商品ID、商品名称中的一项，都可以进行查询修改，而且可以进行命令差错检验，若命令符合规则，则可以通过UART接口传送到协调器，经由无线传感网络的转发实现对电子标签的修改；当用户要进行添加商品时，可输入商品ID、商品名称、商品价格、商品种类、和商品库存等信息，也可以进行越界检查，如果重复，则报错，如果通过，则进行更新数据库的操作，进而对商品所在位置的电子标签进行重新定义。通过以上工作方式，可以实现对电子标签的实时管理。程序开发流程图如图4所示。

图4　软件设计的流程图Fig.4　Flow chart the software design

4　系统测试

4.1测试方法

系统调试主要分为硬件测试和软件测试两部分。硬件测试主要监测系统的硬件是否正常工作，即ZigBee节点的硬件测试，屏幕是否显示。软件部分检测能否发出命令，能否写会数据库，能否从数据库调入数据。测试方法：多次输入添加商品，删除商品信息，来进行反复测试，从而达到测试目的。

4.2效果图

测试界面效果图如图5所示。

图5　测试界面图Fig.5　Interface chart of the test system

5　结　论

该系统将物联网技术应用到对电子标签修改的管理中，采用ZigBee无线网络搭建平台，计算机WPF编程技术构建了超市电子价格标签修改系统。经过测试，本系统可以实现对电子标签的远程监控和管理，并能实时更新后台数据库，节约了人力成本，提高了工作效率，为节能环保做出了贡献，为电子标签的创新提供了新的思路。

［1］曹军，赵宁，许浩博，等.基于嵌入式单片机和射频技术的电子价格标签［J］.电子器件，2012，35（4）：477-480.

［2］邹世鹏，郭盼盼，秦乐，等.基于ZigBee技术的大棚温湿度无线监控系统研究［J］.电子设计工程，2015（4）：92-95.

［3］向磊，马建设，刘鹏，等.基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统［J］.电子设计工程，2015（2）：134-137.

［4］朱玲媛，徐文涛，刘邦超，等.基于ZigBee的城市路灯智能监控系统的设计［J］.电子设计工程，2015（1）：146-147.

［5］明轩，徐玉炎，张 瑞，等.基于ZigBee的穿戴式医疗监护系统节点的设计与实现［J］.电子设计工程，2014（21）：81-83.

［6］朱璘.基于ZigBee的无线电子标价牌系统设计与实现［D］.上海：上海交通大学，2011.

［7］王小强.ZigBee无线传感器网络设计与实现［M］.北京：化学工业出版社，2012.

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稿件编号：201504129

江苏省大学生创新创业训练计划（201410287014Y）

李 尧（1992—），男，河北沧州人。研究方向：软件工程与理论。