ZigBee的电子标签系统设计

引言在绿色环保理念的推动下，在发达国家的超市里开始出现用电子标签来取代传统纸质标签的趋势，到目前为止全球约有2500万个超市电子标签投入实际使用，而中国庞大的零售超市仍未开始大量采用，巨大的市场潜力摆在我们面前。

    电子标签在国外应用已经非常成熟，家乐福、乐购、麦德龙、华堂等企业都在其海外的门店大量使用电子标签。至于国内电子货架标签系统在国内的零售业界的应用正处于起步阶段。

    随着中国零售市场的日益国际化和电子货架标签系统本身的发展将逐渐被打破。

电子价格标签的将商品彻底数字化以及其时效性会引导新型商业模式的出现，基于此理念，设计出互动电子价格交互系统，希望能在下一代电商浪潮中得以应用。

本系统结合MSP430单片机、ZigBee协议以及电子纸和射频识别技术设计了电子价格交互系统的硬件体系和软件实现方法。主要解决如何在TI的ZigBee协议上无线自组织网络的实现，并与终端准确地进行数据传输，以及在实用性方面低功耗的控制。

1 系统概述

电子标签交互系统由商品采集及录入系统、POS系统、电子纸显示系统、RFID会员识别系统以及ZigBee无线网络构成。

其中，前两部分属于商场已有部分，该系统主要需要完成网络、显示以及识别的功能。如图1所示。

图1 交互系统组成

当商场决定大规模的调整商品价格，做一个短时促销的时候，只需要将更改的数据输入POS系统，ZigBee网络能快速地将变更的数据发送到每个货架以及每个商品的显示标签上，当消费者打算购买商品时，可以用会员卡锁定促销商品，此时详细的会员数据会通过ZigBee网络将数据回传给POS系统，当消费者结账离开的时候仍可以以促销的价格购买该商品。

    电子价格交互系统还支持远程控制，POS系统可以通过网络对其连锁分部的商品统一标价管理。内部都存储有对应商品的多条信息，营业员可以借助智能手持终端设备方便地查询核对。显示价格数字，微处理器控制从标签到基站双向无线通讯，通过双向通信可以确认价格更改成功与否以及得知标签状态。鉴于近期来关于商品质量安全问题，毒牛奶、过期食品等，通过该系统能及时对商品进行监控并且能及时促销，在社会问题,方面能起到极大的促进作用。

    每个商品的信息均录入在数据库中，商品数字化带来的好处不仅能对商品的数量以及保存状态实时监控，更可以在目前主流的B2O模式中应用，对一些线上的商家如何构建与实体店之间的关系起到了纽带的作用。

2 ZigBee 协议及其优势

2.1 ZigBee 协议概述

Zigbee数传是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案，相比于蓝牙和无线局域网等无线通信技术，ZigBee数传技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的特点。

    应用范围非常广泛，包括智能建筑、医疗设备、智能家居以及各种监控系统，主要适合于自动控制、数据采集和远程控制等领域中，可以嵌入各种设备中，同事支持地理定位功能。采用ZigBee数传模块的网络可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

ZigBee协议栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF 射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。如图2所示。

图2 ZigBee 协议栈结构

2.2 ZigBee 技术的优势

ZigBee数传技术具有如下的优势：

（1）功耗低由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW，而且采用了休眠模式，因此设备非常省电。ZigBee无线模块设备仅靠2节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其功耗远远低于其他无线设备。

（2）成本低与GPS相比，定位引擎在单芯片 ZigBee RF收发器中与MCU集成在一起，成本不及GPS硬件的1/10，功耗也只是GPS硬件的一小部分，并且ZigBee协议是免专利费的。

    （3）时延短通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。

    （4）网络容量大，一个星型结构的ZigBee无线模块网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，组网方式灵活。随着ZigBee数传技术的成熟，未来ZigBee数传设备不断增多，可以利用具有ZigBee RF的设备或基础设施，容易组建ZigBee网络，降低了ZigBee无线模块节点设计和组网成本，且利用更多的ZigBee设备可以达到更高的定位精度。

3 电子标签交互系统的设计

ZigBee 数据采集节点大多由能量十分有限的电池供电，且长期在无人值守的状态下工作。由于传感器网络中节点个数多、分布区域广、所处环境复杂，所以必须采用有效的节能策略降低节点的能耗，延长网络的生存期。

3.1 处理器模块低功耗设计

处理器模块中微处理器是ZigBee 无线传感器网络节点的核心。它进行并处理传感器数据，判决何时何地发送这些数据，并从其他传感器节点接收数据以及判定执行器的动作。

    微处理器必须运行各种程序，包括信号处理、通信协议以及应用程序。由于微处理器要处理的数据非常大，所以它是网络节点中主要能耗的元器件之一。微处理器功耗主要由工作电压、运行时钟、内部逻辑复杂度以及制作工艺决定。工作电压越高、运行速度越快，其功耗越大。为了增加节点的生命周期，在微处理器选取时，首先考虑超低功耗的微处理器，同时它必须支持多种工作模式，包括“运行”、“空闲”和“休眠”等。通过监测无线传感器节点的正常工作，可以发现节点在大部分时间内处于“空闲”状态，最好使其处于“休眠”状态。通过外部中断或定时中断，把需要工作的节点唤醒，进入“运行”状态。采用这种多工作状态技术来降低功耗是提高无线传感器网络节点能量效率的核心技术。此外，处理器的运行速度要尽量快，这样系统能够在最短的时间内完成必须完成的工作，从而快速进入睡眠状态，节省系统能源。

MSP430F449作为控制芯片，因其优秀的低功耗性能作为首选方案。该芯片能够在1.8V～3.6V的电压下工作；具有工作模式（AM）和五种低功耗模式（LPM）。在3V、1MHz时钟驱动下，各个工作模式下的供电电流典型值如表1所示:

表1 MSP430F449 工作模式与耗电电流

3.2 显示模块低功耗设计

由于TI公司的cc2530芯片自身就有低功耗的性能，故显示模块重点解决如何降低显示的功耗。

    电子纸的载体是一张特殊的薄胶片，通过在胶片上“涂”上的一层带电的物质（电子墨），根据内容的不同进行后台控制，通过相应的显示组合以达到内容显示的目的。电子纸的内核就是一个广义上的IC，整个阅读器则可看作是一个薄薄的内嵌式遥控显示板。电子墨水就是将带正、负电的诸多黑白粒子，密封于微胶囊内，因施加电场的不同，在监视器表面产生不同的聚集，呈现出黑或白的效果。

E-Ink的电子纸由电子墨水及两片基板所组成：第一部分是电子墨水，有时被称为“前基板（front plane）”；二是使电子墨水生成文本和图像所需要的电子设备组合，包括控制部分和显示部分，被称为“背基板（backplane）”。背基板上面涂有由无数微小的透明颗粒组成的电子墨水，颗粒直径只有人的头发丝的一半大小。其特点是在反差、明亮度视觉等方面较理想，耗电低，重量轻而容易使其薄型化，形状自由等，当只有需要数据改变时才需要耗电，在日常正常显示时不需要耗电。与现有的led设备相比，在功耗的瓶颈下，无疑解决了最大的功耗问题。

图3 电泳电子墨水工作原理

电子纸技术已经成熟，尺寸和种类均有了多种选择，电子纸详细参数见表2。

表2 方案中电子纸参考设计

3.3 工作原理以及扩展部

 

当有新增商品是，首先需要将需要显示的商品信息输入到数据库中，同时给定匹配商品以及标签识别码，电子标签交互系统（ESL）读取服务器中的数据，服务器通过ZigBee数传网络发送商品信息，网络协议对数据进行加密、发送、接受、解密等流程，发送到控制芯片MSP430，如果数据校验结果正确，则进行显示刷新，错误则重新发送，工作原理图如图4所示在显示部分，通过实地调查了解到目前的应用情况是显示部分以及控制部分集成一体，每个商品都需要集成这两部分，大大增加了成本，而将一排货架的商品作为一个节点，每个商品赋予不同的地址，通过MSP430的SPI总线的方式控制电子纸显示屏，将控制部分与显示部分脱离，实现了一对多的工作方式。

图4 系统工作原理

4 结语

笔者设计了基于TI低功耗芯片MSP430以及CC2530的综合方案，以及电子纸的应用，介绍了各个功能模块的原理。给出了一种具体应用的方案，对下一步该系统应用的一种设想以及商业模式。一般情况下，对于中型规模的超市而言，需要上万个节点才能做到全部覆盖，如何用一个节点覆盖尽量多的商品以及如何扩大网络容量，并且不影响到系统工作的高效性和可靠性将是项目下一步研究的问题。