一種電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)(ESLS)的設(shè)計

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院 系統(tǒng)集成研究所，杭州 310018)

1 引 言

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

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

2 ESL系統(tǒng)總體設(shè)計

一個完整的ESL系統(tǒng)包括主計算機(jī)(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(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)庫信息，運(yùn)行各種與價格相關(guān)的服務(wù)軟件，負(fù)責(zé)對ESL系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程配置、管理等工作；AP負(fù)責(zé)主計算機(jī)與終端設(shè)備電子貨架標(biāo)簽的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；ESL是終端的信息顯示設(shè)備，顯示內(nèi)容包括商品名稱、規(guī)格、單價、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期等商品的重要信息；PR負(fù)責(zé)現(xiàn)場讀取電子貨價標(biāo)簽ESL顯示的商品信息。

2.1 完整的ESL系統(tǒng)工作原理

首先數(shù)據(jù)庫里的商品信息由MPC通過ESL系統(tǒng)軟件進(jìn)行一定的信息處理，然后將這些攜帶有商品價格等內(nèi)容的商品信息通過以太網(wǎng)(或其它通信接口)發(fā)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(nèi)容的信息發(fā)送到布設(shè)在超市或大賣場貨架上的ESL上。其中，每一個AP負(fù)責(zé)一定范圍的ESL信息發(fā)送； ESL則是一個個帶有身份識別碼(Identification Code,IDC)的無線數(shù)據(jù)接收器與顯示器,它們能夠?qū)⒔邮盏降腞F信號還原成有效的數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的商品信息并顯示出來。

每個ESL內(nèi)部都存儲有對應(yīng)商品的多條信息。ESL一般被放置在特制的PVC導(dǎo)軌內(nèi)(導(dǎo)軌固定在貨架上)，具有防盜取結(jié)構(gòu)設(shè)計。營業(yè)員可以借助手持讀寫器方便檢查核對這些信息。ESL支持遠(yuǎn)程控制，管理中心可以通過網(wǎng)絡(luò)對其連鎖店內(nèi)的商品描述信息統(tǒng)一管理。ESL靠內(nèi)部的紐扣電池供電，一般可以工作5年以上。

2.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該系統(tǒng)主要包括MPC、POS、接入點設(shè)備間的無線通信、與一個或多個銷售點的MPC/POS系統(tǒng)相連的顯示標(biāo)簽[3]。ESL系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架如圖1所示。設(shè)計考慮的主要因素包括覆蓋范圍、大小、易用性、顯示標(biāo)簽?zāi)K的電池壽命、無線傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

每個標(biāo)簽都具有一個用于顯示產(chǎn)品價格和UPC(Universal Product Code)碼的LCD(Liquid Crystal Display)/E-Ink顯示屏、射頻收發(fā)器和微處理器，可使用包含內(nèi)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(fā)器來實施該節(jié)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(fā)器可實現(xiàn)全雙工通信，從而擴(kuò)展系統(tǒng)范圍以便將各種功能包括在內(nèi)，例如通過使用產(chǎn)品上的射頻ID標(biāo)簽來維護(hù)庫存。該節(jié)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架示意圖Fig.1 Net frame of ESL system

接入點設(shè)備是一種具有簡單微處理器的射頻收發(fā)器，可實施所需的射頻協(xié)議[4]。AP解決方案包括 CC2500射頻收發(fā)器、CC2590/2591射頻前端和MSP430微處理器。AP設(shè)備必須能與其分段中的每個節(jié)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(biāo)簽通信網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)接收器靈敏度，從而改善多標(biāo)簽通信網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)相連：RS-232、WLAN(Wireless Local Area Network)或以太網(wǎng)接口(Power over Ethernet)。

整個系統(tǒng)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(nèi)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(jīng)常遇到的干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

ESL軟件系統(tǒng)主要分為應(yīng)用系統(tǒng)、POS通信模塊、前端設(shè)備通信模塊3部分。應(yīng)用系統(tǒng)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(shè)備通信模塊完成應(yīng)用系統(tǒng)和AP、Tag、手持設(shè)備等之間的通信。模塊設(shè)計如圖2所示。

圖2 ESL軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計Fig.2 Module design of ESL software system

3.1 POS通信模塊和前端通信模塊設(shè)計

3.1.1POS機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

銀行POS即銀聯(lián)POS，是無線收款終端，需要去銀聯(lián)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(lián)總部，POS的刷卡消費(fèi)信息通過POS傳輸?shù)姐y聯(lián)，進(jìn)行消費(fèi)金額扣除，常與超市或商場中的POS系統(tǒng)結(jié)合使用，構(gòu)成超市或商場POS收銀系統(tǒng)[5]。

3.1.2POS通信模塊

POS通信模塊用于從POS系統(tǒng)獲取商品信息。針對不同的POS系統(tǒng)，獲取商品信息可能有不同的方式，目前只考慮通過數(shù)據(jù)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(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，讀取商品信息，保存到通信模塊數(shù)據(jù)庫。保存的商品信息有一個是否更新的標(biāo)識，在POS系統(tǒng)商品信息發(fā)生變化時置為有更新，在應(yīng)用系統(tǒng)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(shè)備通信模塊設(shè)計

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

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計包括商品管理、Read/Write管理、Tag管理、權(quán)限管理、POS通信管理、設(shè)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(dǎo)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(dǎo)入功能主要用于從POS系統(tǒng)讀取所有商品信息到應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)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(tài)監(jiān)控3個子模塊。通信測試子模塊用于對單個AP進(jìn)行在線測試，查看當(dāng)前AP是否可通信；AP搜索子模塊在系統(tǒng)初始化時搜索系統(tǒng)內(nèi)的AP設(shè)備，得到各AP設(shè)備的IDC、IP地址等信息，完成AP設(shè)備初始化，也可在AP設(shè)備發(fā)生變化時使用本功能更新AP設(shè)備信息；應(yīng)用系統(tǒng)通過AP狀態(tài)監(jiān)控子模塊監(jiān)控所有AP設(shè)備的狀態(tài)，允許用戶可實時查看各AP設(shè)備信息及狀態(tài)，并在出現(xiàn)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(tài)監(jiān)測、Tag挪動管理、Tag顯示設(shè)置4個功能。

電子標(biāo)簽的綁定指的是將某一商品條碼和電子標(biāo)簽IDC建立關(guān)系。商品條碼和電子標(biāo)簽可以是一對一關(guān)系，也可以是一對多關(guān)系，如圖3所示。手持機(jī)發(fā)送Tag IDC和商品條碼到應(yīng)用系統(tǒng)完成兩者綁定。應(yīng)用系統(tǒng)可查詢Tag與商品綁定結(jié)果，同時也可由用戶手動完成綁定操作。應(yīng)用系統(tǒng)監(jiān)控所有Tag的狀態(tài)，用戶可實時查看各Tag設(shè)備信息及狀態(tài)，并在出現(xiàn)異常時提醒用戶。

圖3 商品條碼和電子標(biāo)簽的對應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between bar code and electron tag

電子標(biāo)簽可能產(chǎn)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(fā)生標(biāo)簽的AP通信宿主變更，如圖4所示。此時，應(yīng)用系統(tǒng)必須能夠自動獲取和更新標(biāo)簽Tag的歸屬宿主。

圖4 電子標(biāo)簽的挪動導(dǎo)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(quán)限管理

應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)用戶分為系統(tǒng)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(guān)聯(lián)，從POS機(jī)獲取數(shù)據(jù)。交互方式為應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)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(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫；同時觸發(fā)商品信息修改流程，更改對應(yīng)Tag的顯示內(nèi)容。

3.2.6設(shè)備通信管理

設(shè)備通信管理與前端設(shè)備通信模塊相關(guān)聯(lián)，與前端設(shè)備發(fā)生交互。交互方式包括應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)用設(shè)備通信接口和應(yīng)用系統(tǒng)提供接口供設(shè)備通信模塊調(diào)用兩種。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)備

4.1 AP讀寫器

AP設(shè)備包含有以太網(wǎng)地址和2字節(jié)的AP ID號，兩者在全網(wǎng)內(nèi)都是唯一的。AP廣播地址為0xFFFF，AP設(shè)備如圖5所示。0x0000暫時保留不作AP地址。

圖5 AP設(shè)備俯視圖Fig.5 Vertical view of AP device

4.2 Tag標(biāo)簽

Tag標(biāo)簽實物如圖6所示，地址為4字節(jié)，格式如表1所示。

圖6 Tag標(biāo)簽實物圖Fig.6 Photo of electron tag

Byte 3Byte 2Byte 1Byte 0Tag標(biāo)簽類型Tag標(biāo)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(biāo)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(jī)設(shè)備。這樣做的好處在于手持機(jī)設(shè)備不需要進(jìn)行地址初始化設(shè)定，所有手持機(jī)都是一樣的。這也便于區(qū)分手持機(jī)與Tag標(biāo)簽。手持機(jī)實物如圖7所示。

圖7 手持機(jī)實物圖Fig.7 Photo of portable reader

條形碼分標(biāo)準(zhǔn)版和縮短版，標(biāo)準(zhǔn)版為一個13位十進(jìn)制的數(shù)，縮短版則為8位的十進(jìn)制數(shù)。當(dāng)選用13位十進(jìn)制數(shù)，并采用8421碼，至少需要7字節(jié)才能包含所有條形碼值，可采用首尾添0x/A的方式補(bǔ)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(jī)上的商品信息查詢按鈕，手持機(jī)讀取條形碼【紅外】；

步驟2：手持機(jī)向AP發(fā)送條形碼信息【2.4 GHz】；

步驟3：AP向后臺系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)條形碼信息【UDP】；

步驟4：后臺系統(tǒng)收到條形碼信息后查詢數(shù)據(jù)庫，并向AP發(fā)送對應(yīng)商品信息【UDP】；

步驟5：AP向手持機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)商品信息【2.4 GHz】；

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

步驟7：Tag向手持機(jī)發(fā)送Tag ID【2.4 GHz】；

步驟8：手持機(jī)向AP發(fā)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(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)綁定信息，系統(tǒng)收到信息后將啟動Tag信息更新流程【UDP】；

步驟10：后臺系統(tǒng)收到綁定信息后還將向AP發(fā)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(jī)轉(zhuǎn)發(fā)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(yīng)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(tǒng)軟件開始發(fā)起Tag 20標(biāo)簽的信息更新，并且系統(tǒng)軟件知道Tag 20歸屬于AP A的IP地址為192.168.15.5，此時系統(tǒng)軟件向AP A發(fā)送一個Tag 20的更新信息幀，并且設(shè)定一個超時時間，如果在超時時間內(nèi)無法獲得步驟4的更新反饋，系統(tǒng)將認(rèn)為Tag 20不可達(dá)，接下來會發(fā)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(tǒng)配置)；

步驟2：AP A接收到來自系統(tǒng)軟件的Tag 20更新信息幀，提取信息后向Tag 20轉(zhuǎn)發(fā)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(yīng)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(tǒng)軟件轉(zhuǎn)發(fā)這個更新反饋信息，系統(tǒng)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(tǒng)軟件與AP之間的報文說明如表3所示。

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

6 結(jié)束語

隨著中國商業(yè)和貿(mào)易的日益國際化，在引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和管理的同時，同樣也促發(fā)了大規(guī)模的商業(yè)競爭，所以設(shè)計一種帶有促銷信息和動態(tài)定價功能的電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)已顯得十分迫切。本設(shè)計采用有源遠(yuǎn)距離RFID技術(shù)和完善的計算機(jī)管理技術(shù)相結(jié)合，能在寬廣范圍內(nèi)實現(xiàn)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(jié)果證明該系統(tǒng)信號覆蓋范圍廣、無線收發(fā)穩(wěn)定、功耗低、壽命長，以及應(yīng)用系統(tǒng)的商品、系統(tǒng)、Tag管理完善，性能良好，具有良好的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用前景。

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