一种基于ZigBee的电子标价牌系统

胡 跃，王廷廷，曾连荪

(1. 上海海事大学 信息工程学院，上海 201306； 2. 南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京 210044)

一种基于ZigBee的电子标价牌系统

胡 跃1，王廷廷2，曾连荪1

(1. 上海海事大学 信息工程学院，上海 201306； 2. 南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京 210044)

针对目前超市大量使用纸质的商品标价牌存在纸张浪费、工作量大、人力成本较高以及商品管理系统智能化程度较低等问题，提出一种基于ZigBee协议的电子标价牌系统。电子标价牌系统采用CC2530为主控芯片，它集成了微控制器和射频功能，通过最新的电子纸屏幕展示商品信息，配合商品后台管理系统，及时更新商品信息，并对缺货商品进行及时补充，从而实现对商品的智能化管理。实验表明，该电子标价牌系统具有功耗低、节能环保、维护方便等特点。

ZigBee；电子纸；管理系统

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

如今人们购买力水平不断提高，不断追逐更高的物质需求，大型超市里的商品琳琅满目，各种商品充斥着人们的眼球。但目前国内绝大多数超市仍使用落后的纸质标签标价，标价依赖人工，工作效率较低，还造成纸张的浪费。为了解决以上问题，本文设计了一种基于ZigBee的电子标价牌系统，电子标价牌终端取代纸质标价牌，通过无线网络，每个标价牌终端与后台管理系统连接，从而能够及时地更新商品的价格和折扣等信息。

与其他频段的无线技术相比，ZigBee技术不仅具有功耗低、距离长、成本低等特点，而且还具有高容量和易组网的特点，满足终端设备的大规模部署的需要。本文提出了电子标价牌系统设计方案，给出了系统总体框架和软硬件设计，实验表明该系统满足超市商品标价管理的需要。

1 系统总体设计

系统包括服务器、管理系统、协调器、路由器和电子标价牌终端。商品管理系统主要实现管理、修改、查询商品的详细信息以及软件的设置和数据的存储功能。协调器和路由器负责组建ZigBee无线网络，从而实现对节点的控制和数据的传输。电子标价牌终端主要显示商品的价格、折扣和条形码等信息。工作人员在管理系统上对商品的信息进行修改后，数据将保存到服务器的数据库，同时系统将修改后的信息发送给协调器，协调器收到信息后，将信息传递给电子标价牌终端或者路由器，终端收到修改信息后对电子纸屏幕进行刷新。

ZigBee网络的拓扑结构主要可以分为三种形式，分别为网形网络、树形网络以及星形网络[1]。本系统中的ZigBee无线传感网络采用树形网络拓扑结构，树形网络具有总长度短、节点容易扩充和成本比较低的优点。系统原理如图1所示。

图1 系统原理图

2 系统硬件设计

电子标价牌系统的硬件设计部分主要涉及协调器、路由器和电子标价牌终端，并且协调器、路由器以及电子标价牌终端都是以CC2530为核心，在电子标价牌终端CC2530配合电子纸和升压转接电路实现商品信息的显示。

图3 升压转接电路原理图

CC2253是一个用于ZigBee的片上系统解决方案[2]，各种ZigBee的无线网络节点均可适用，芯片包含微控制MCU、内存和ZigBee射频收发器，同时集成电源检测电路和定时器等资源，还具有32 MHz系统时钟和32.768 kHz实时时钟，仅通过设计简单的外围电路，芯片就能够实现ZigBee协议传输功能。CC2530 还具有不同的运行模式，从而满足系统对超低功耗的需求，同时设计中CC2530的供电采用3.3 V 600 mAh磷酸铁锂电池，电池稳定安全且寿命较长。电子标价牌终端原理框图如图2所示。

图2 终端原理图

电子纸是一种超轻薄的显示屏[3]，电子纸屏幕在更新信息的时候会少量耗电，关闭电源后，显示屏上的画面仍可保留，所以不需要刷新屏幕时几乎不耗电，显示功耗较低。本设计选用2.1英寸电子纸显示屏，分辨率为250×122，采用黑白两级灰度、4路SPI和24引脚的FPC接口，刷新功耗26.4 mW，使用寿命(无故障刷新次数)100万次以上，内置驱动器IC，无需另配驱动器，仅需少量外围器件，即可通过MCU控制显示，节省资源。但是由于系统电源为3.3 V，电子纸刷新需要±15 V驱动，需要升压电路来驱动电子纸刷新，设计中将升压电路和转接电路集成在一起构成升压转接电路，最终通过升压转接板来连接电子纸和MCU。升压转接板电路如图3所示。

3 系统软件设计

系统的软件设计包括通信控制软件设计、终端软件设计和后台管理软件设计。通信控制软件设计主要包括Z-Stack协议栈的使用、协调器软件设计、路由器软件设计[4]。后台管理系统可以对商品的信息进行查询修改，同时后台管理系统将修改的信息发给协调器后，协调器再根据目标地址发送消息到终端节点。下文将重点介绍系统部分软件模块的设计。

3.1 Z-Stack协议栈

为了使节点设计更加规范和通用，系统设计中采用TI公司的Z-Stack协议栈来实现ZigBee网络的创建和数据的传输。Z-Stack协议栈是一个半开源的协议栈，其具有较强的兼容性，并能支持多种平台。对于复杂的网络，Z-Stack协议栈能够轻松实现连接，并且在协调器中，可以通过NV实现对绑定表和路由表的记忆性存储，如果协调器断电重启，之前的网络还能够得以保存，从而解决了各终端手动重启而带来的麻烦。Z-Stack采用的是事件轮询机制，其流程如图4所示。

其中初始化是在系统上电后，执行ZMain文件夹中Zmain.c的main()函数实现。具体代码如下。

Void main (void)

{

osal_int_disable(INTS_ALL);

//关总中断

Zmain_ram_init();

//初始化堆栈空间

InitBoard(OB_COLD);

//初始化I/O口

HalDriverInit();

//初始化HAL层

osal_nv_init(NULL);

//初始化NV非易失存储器

ZMacInit();

//初始化MAC层

Zmain_ext_addr();

//分配64位地址

osal_init_system();

//初始化操作系统

osal_init_enable(INTS_ALL);

//开总中断

osal_start_system();

//进入操作系统

}

图4 Z-Stack协议栈流程图

3.2协调器程序设计

ZigBee系统只有一个协调器，协调器主要负责网络的维护和管理信息的传递。协调器的初始化一般包括系统时钟初始化、硬件初始化、协议栈初始化等[5]。协调器开始工作后，建立起一个无线网络，然后检测节点是否有缩减，若有改变重新建立网络。同时当商品价格需要更新时，协调器会下发数据给各个节点。协调器节点控制流程如图5所示。

图5 协调器节点控制流程图

3.3终端程序设计

图6 电子标价牌终端流程图

电子标价牌终端上电后，先对终端硬件进行初始化操作，然后搜索ZigBee网络，如果存在则加入无线网络。同时根据电子标价牌终端保持低功率的需要，设定设备大部分时间处在睡眠状态，不需要进行数据处理，只需要定时唤醒设备[6]，设备进入活跃状态后快速处理商品信息，然后设备再次进入睡眠状态。电子标价牌终端的控制流程图如图6所示。

3.4商品管理系统设计

Visual Studio是Windows平台目前最流行的应用程序开发环境，综合管理上位机软件是基于Visual Studio 2015软件开发设计，使用C#语言开发的应用程序，数据库采用SQL Server v2012。

管理系统上位机部分功能界面如图7所示， 商品管理模块主要分为货品信息导入、信息搜索、信息查看 、信息更改 、信息删除和库存报警等功能[7]。商品信息查看包括商品名称、商品编号、ZigBee节点编号、商品价格、库存、折扣、商品产地和商品类型等信息。搜索功能属于全局模糊搜索，输入商品任意信息都能找到相关商品。通过新建货品把新入库的商品信息录入系统数据库，商品信息修改功能是为了更新商品信息，新建和变更的信息会通过RS230接口发送给协调器同步到电子标价牌节点。同时当商品库存数量低于20时系统会出现库存报警。

图7 管理系统图

4 测试

4.1电子纸显示结果测试

在电子纸显示测试环节中，通过后台管理系统对电子标价牌终端发送数据，查看电子标价牌终端能否正确显示接收到的数据。试验中通过管理系统发送一款洗发水的价格和折扣等信息，发现电子标价牌正确无误地显示相关信息。

4.2通信距离测试

ZigBee属于短距离通信，穿透能力一般，超市环境相较复杂，在离协调器每3 m放置一个电子标价牌终端，共放置10个终端，然后通过管理系统发送数据，观察电子纸显示情况，发现24 m之内基本显示正常，符合设计要求，如果要延长通信的距离，可以增加路由器来实现大规模远距离部署。

4.3功耗测试

低功耗是系统设计之初就着重考虑的方面，芯片、屏幕和组网协议的选择都按照低功率的要求，以便能长时间使用。在功耗测试试验中，主要测试电子纸刷新时的工作电流和时间，还有终端收发状态时的工作电流，测试结果如表1所示。

表1 电流消耗情况

设计中每10 s唤醒一次电子标价牌终端，唤醒时间为10 ms，电子纸刷新一次6 s，接收数据时长2 s，假设电子纸每天刷新一次，600 mAh的磷酸铁锂电池至少能用4年，完全符合最初的设计的需求。

5 结论

本文通过电子纸显示技术和ZigBee技术实现了超市商品标价的智能化，同时配合后台管理系统，实现了对超市的信息化改造。测试表明，系统使用方便高效、安全可靠、节能环保，大幅降低了人力成本。同时本系统还可以在集成度和功能扩展方面做进一步的改进与提升。

[1] 蒲泓全，贾军营，张小娇，等.ZigBee网络技术研究综述[J]. 计算机系统应用，2013,22(9): 6-11.

[2] 陈克涛，张海辉，张永猛，等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版)，2014,42(5):183-188.

[3] 程捷，何晨.电子纸显示技术及应用[J]. 仪表技术，2016(3):38-40.

[4] 李勇，张以帅，唐广耀，等.基于MSP430的温室环境数据采集和控制系统设计[J].微型机与应用，2016,35(7):94-96.

[5] 朱恒军,张玉龙,靳展,等.基于ZigBee的室内空气环境监控系统设计[J]. 电子技术应用, 2015,41(2):86-88.

[6] 李建勇,刘雪梅,李洋.基于SimpliciTI的大棚温湿度无线监测系统设计[J]. 电子设计工程, 2015,23(18):173-175.

[7] 鲍卫兵,陈伟杰,朱向军.基于ZigBee的无线抄表系统的设计与实现[J].工业仪表与自动化装置, 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

胡跃，王廷廷，曾连荪.一种基于ZigBee的电子标价牌系统[J].微型机与应用，2017,36(18)：96-98,102.

2017-02-28)

胡跃(1994-)，男，硕士，主要研究方向：定位导航系统、无线接入。

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

曾连荪(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：定位导航系统、无线测控系统、汽车电子系统、LNG船舶电子系统。