基于ZigBee的電子標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京　210016）

基于ZigBee的電子標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210016）

針對(duì)目前超市中對(duì)紙質(zhì)標(biāo)簽管理無(wú)序、混亂、效率低下、信息更新時(shí)間長(zhǎng)、人力成本高等缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的電子標(biāo)簽系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee傳輸技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，用以對(duì)電子標(biāo)簽的標(biāo)簽ID、商品ID、商品價(jià)格等數(shù)據(jù)的傳輸；基于Windows操作系統(tǒng)采用C#計(jì)算機(jī)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了電子標(biāo)簽管理軟件，該軟件通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)商品各屬性和價(jià)格信息進(jìn)行存儲(chǔ)，可實(shí)時(shí)顯示商品信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽內(nèi)容遠(yuǎn)程修改，相關(guān)管理人員可以通過(guò)使用該軟件對(duì)電子標(biāo)簽實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程管理，并對(duì)商品信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。本系統(tǒng)降低了電子標(biāo)簽信息更新的時(shí)間和人力成本，使得管理方便、有序并且高效，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算；電子標(biāo)簽管理；低功耗

隨著國(guó)家的經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)，這極大的考驗(yàn)著超市在經(jīng)營(yíng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)的管理能力，一個(gè)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(duì)商品進(jìn)行標(biāo)價(jià)。很多發(fā)達(dá)國(guó)家的超市里面，開(kāi)始出現(xiàn)用電子標(biāo)簽來(lái)取代傳統(tǒng)紙質(zhì)標(biāo)簽的趨勢(shì)［1］，電子標(biāo)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(huì)起到了積極的作用。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的價(jià)格標(biāo)簽管理還處于原始的紙質(zhì)標(biāo)簽時(shí)代，這種方式隨著商品種類的增多逐漸暴露出許多問(wèn)題，表現(xiàn)為：通過(guò)人工的排查的方式進(jìn)行紙質(zhì)標(biāo)簽的修改和更換，勞動(dòng)繁瑣，容易出錯(cuò)；商品的拿取只能人工計(jì)數(shù)，不能進(jìn)行電子化管理，不方便日后統(tǒng)計(jì)。以上缺點(diǎn)不但消耗了大量的人力、物力和財(cái)力，而且商品價(jià)格修改實(shí)時(shí)性差，錯(cuò)誤出現(xiàn)率高，因此將紙質(zhì)標(biāo)簽更換成電子標(biāo)簽成為發(fā)展的趨勢(shì)。

ZigBee技術(shù)是一門新型的通信技術(shù)，其作為一種短距離無(wú)線通信方式，已在社會(huì)各個(gè)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(diǎn)可以很好的滿足無(wú)線電子標(biāo)價(jià)牌系統(tǒng)的技術(shù)需求［6］，在本電子標(biāo)簽系統(tǒng)中，使用ZigBee節(jié)點(diǎn)將上位機(jī)管理軟件、路由器和電子標(biāo)簽組成一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)軟件人機(jī)交互界面可以方便的對(duì)電子標(biāo)簽顯示內(nèi)容進(jìn)行修改和控制，同時(shí)商品的屬性和價(jià)格信息將會(huì)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和電子標(biāo)簽顯示內(nèi)容上的統(tǒng)一。

1　系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于ZigBee和上位機(jī)軟件的智能電子標(biāo)簽修改系統(tǒng)。該系統(tǒng)的3個(gè)主要組成部分及其作用如下：1）商品價(jià)格設(shè)置軟件：為用戶提供友好的人機(jī)界面，方便用戶對(duì)商品價(jià)格設(shè)置，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)程序；2）ZigBee無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)：主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，集成了無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)、對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和控制的功能。3）基于液晶屏的價(jià)格顯示器：顯示商品價(jià)格、貨號(hào)及其他信息。該系統(tǒng)工作過(guò)程如下：通過(guò)上位機(jī)的客戶端將命令（如修改價(jià)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(guò)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(gè)終端，終端對(duì)信息進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后會(huì)進(jìn)行電子標(biāo)簽的修改任務(wù)；同時(shí)，進(jìn)行修改過(guò)后的信息會(huì)經(jīng)過(guò)終端返回到協(xié)調(diào)器，在經(jīng)過(guò)串口返回到上位機(jī)，上位機(jī)將信息與之間的命令信息進(jìn)行比對(duì)后，若兩者一直，則將存入數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣在通過(guò)軟件修改標(biāo)簽顯示信息的同時(shí)，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(biāo)簽修改過(guò)程中，對(duì)監(jiān)測(cè)、出錯(cuò)管理、遠(yuǎn)程控制3個(gè)方面進(jìn)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(jì)

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(jì)算機(jī)等部分。計(jì)算機(jī)主要用來(lái)進(jìn)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(jià)格、商品種類等信息；計(jì)算機(jī)和ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)UART接口進(jìn)行連接；ZigBee模塊可以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，建立無(wú)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(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)商品名稱、商品ID、商品價(jià)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(biāo)簽系統(tǒng)需要低能耗的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)簽牌節(jié)點(diǎn)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。并且CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)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(biāo)價(jià)牌LCD上要顯示的內(nèi)容包括文字、數(shù)字和簡(jiǎn)單圖形，以適應(yīng)不同貨品的標(biāo)價(jià)需要。同時(shí)要考慮到低功耗和低成本的MCU要求和LCD控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，故選擇單色的點(diǎn)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(gè)中文漢字（16*16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8*16點(diǎn)陣）及64*256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。該模塊具有靈活的接口方式和簡(jiǎn)單方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)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(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。

ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)出于節(jié)省資源和可擴(kuò)展性的考慮，選擇樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程主要分為以下兩個(gè)步驟：1）首先進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化，包括檢測(cè)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(diǎn)加入到已經(jīng)生成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。2）節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)，即子節(jié)點(diǎn)發(fā)起信道掃描、發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(guò)程。本系統(tǒng)采用的樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

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

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為用于價(jià)格更新的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)商品價(jià)格系統(tǒng)的管理。

鑒于需要更加友好、更加美觀的人機(jī)界面，選擇Visual Studio 2010中集成的WPF界面開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)，使用SOL Server 2008實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

系統(tǒng)界面由價(jià)格管理界面類、系統(tǒng)管理界面類和主界面類組成。價(jià)格管理界面類主要負(fù)責(zé)價(jià)格信息輸入的后臺(tái)操作。系統(tǒng)管理界面類主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)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(fù)責(zé)操作界面功能。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，上位機(jī)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(duì)串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：串口號(hào)、設(shè)置波特率、校驗(yàn)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(kāi)始工作時(shí)，先通過(guò)用戶登錄，進(jìn)入軟件系統(tǒng)，并完成數(shù)據(jù)庫(kù)的加載，當(dāng)用戶需要查詢修改商品時(shí)，輸入商品ID、商品名稱中的一項(xiàng)，都可以進(jìn)行查詢修改，而且可以進(jìn)行命令差錯(cuò)檢驗(yàn)，若命令符合規(guī)則，則可以通過(guò)UART接口傳送到協(xié)調(diào)器，經(jīng)由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的修改；當(dāng)用戶要進(jìn)行添加商品時(shí)，可輸入商品ID、商品名稱、商品價(jià)格、商品種類、和商品庫(kù)存等信息，也可以進(jìn)行越界檢查，如果重復(fù)，則報(bào)錯(cuò)，如果通過(guò)，則進(jìn)行更新數(shù)據(jù)庫(kù)的操作，進(jìn)而對(duì)商品所在位置的電子標(biāo)簽進(jìn)行重新定義。通過(guò)以上工作方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的實(shí)時(shí)管理。程序開(kāi)發(fā)流程圖如圖4所示。

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

4　系統(tǒng)測(cè)試

4.1測(cè)試方法

系統(tǒng)調(diào)試主要分為硬件測(cè)試和軟件測(cè)試兩部分。硬件測(cè)試主要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件是否正常工作，即ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件測(cè)試，屏幕是否顯示。軟件部分檢測(cè)能否發(fā)出命令，能否寫會(huì)數(shù)據(jù)庫(kù)，能否從數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入數(shù)據(jù)。測(cè)試方法：多次輸入添加商品，刪除商品信息，來(lái)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，從而達(dá)到測(cè)試目的。

4.2效果圖

測(cè)試界面效果圖如圖5所示。

圖5　測(cè)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(duì)電子標(biāo)簽修改的管理中，采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)搭建平臺(tái)，計(jì)算機(jī)WPF編程技術(shù)構(gòu)建了超市電子價(jià)格標(biāo)簽修改系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，并能實(shí)時(shí)更新后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(xiàn)，為電子標(biāo)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(jī)和射頻技術(shù)的電子價(jià)格標(biāo)簽［J］.電子器件，2012，35（4）：477-480.

［2］鄒世鵬，郭盼盼，秦樂(lè)，等.基于ZigBee技術(shù)的大棚溫濕度無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2015（4）：92-95.

［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(jì)工程，2015（2）：134-137.

［4］朱玲媛，徐文濤，劉邦超，等.基于ZigBee的城市路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2015（1）：146-147.

［5］明軒，徐玉炎，張 瑞，等.基于ZigBee的穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014（21）：81-83.

［6］朱璘.基于ZigBee的無(wú)線電子標(biāo)價(jià)牌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［7］王小強(qiáng).ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)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稿件編號(hào)：201504129

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

李 堯（1992—），男，河北滄州人。研究方向：軟件工程與理論。