基于物聯(lián)網技術的超市智慧電子價格標簽系統(tǒng)設計

浦靈敏， 姜子祥

(蘇州健雄職業(yè)技術學院 電氣工程學院， 江蘇 太倉 215411)

0 引 言

傳統(tǒng)超市大多使用紙質標簽來顯示商品的信息，人們在超市的各個貨架上都能看到這些小標簽的存在，它一方面為顧客提供了基礎信息，也為超市管理帶來了一定的便捷。然而每當商品價格產生變化，商品信息標簽也需要被更換掉，由于傳統(tǒng)標簽通常為紙質標簽，大量使用會產生很多的浪費，同時維護管理標簽需要大量的人力，容易出錯和丟失，不適合頻繁修改，這給超市管理部門和顧客的購物體驗帶來了不良影響[1]。

針對存在的問題，本文提出一種基于物聯(lián)網技術的智慧超市電子標簽系統(tǒng)，通過ZigBee技術和手機APP實現(xiàn)電子標簽顯示信息的無線修改，僅需要一臺協(xié)調器網關就可以控制同一個ZigBee網絡中的所有標簽節(jié)點，完成信息的更新，通過OLED低功耗屏幕顯示價格等信息，方便了超市管理人員進行價格等信息的實時維護。理論上，ZigBee最大連接數(shù)量為65 000個，這個數(shù)量基本滿足超市貨品種類需求。

1 系統(tǒng)總體設計

如圖1所示，超市智慧電子標簽系統(tǒng)分為協(xié)調器網關、節(jié)點和手機端管理軟件。協(xié)調器網關通過建立的ZigBee網絡將數(shù)據(jù)廣播給各個ZigBee標簽節(jié)點，各個節(jié)點收到數(shù)據(jù)后與自己ID號進行對比，核對成功的標簽自動更改商品信息[2]。

圖1 超市智慧電子標簽系統(tǒng)設計框圖

其中，協(xié)調器網關是由ZigBee協(xié)調器和藍牙串口透傳模塊所構成，管理員通過手機APP將更新信息由藍牙串口透傳模塊轉發(fā)進行控制，如圖2所示；電子標簽主要由ZigBee終端節(jié)點、33 mm(1.3吋)OLED屏幕、24C02存儲器和鋰電池所構成，如圖3所示。

圖2 協(xié)調器網關組成框圖圖3 標簽節(jié)點組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

超市智慧電子價格標簽系統(tǒng)的硬件設計主要為ZigBee無線標簽節(jié)點的設計[3]，相關的硬件核心包括鋰電池接口電路、復位電路、ZigBee核心模塊、下載電路、穩(wěn)壓電路、OLED屏驅動電路和電壓采集電路等[4]，如圖4所示。電池接口為3.7 V鋰電池接口；復位電路可在ZigBee網絡出現(xiàn)問題時進行復位；ZigBee核心模塊為CC2530最小系統(tǒng)電路，通過JTAG口下載標簽節(jié)點程序，每個節(jié)點下載前都需要在程序中進行ID配置，以免出現(xiàn)標簽重名；穩(wěn)壓采用662 K穩(wěn)壓電路；OLED屏驅動電路采用I2C接口。

圖4 超市智慧電子標簽節(jié)點硬件框圖

2.1 ZigBee核心模塊

本系統(tǒng)中ZigBee標簽節(jié)點采用E18-MS1 ZigBee最小系統(tǒng)模塊[5-6]，其最大優(yōu)點是小巧、貼片封裝，模塊引腳如圖5 所示，核心芯片采用德州儀器(TI)CC2530無線單片機，它是用于2.4-GHzIEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節(jié)點。

圖5 ZigBee核心模塊外接引腳

2.2 電源電路

電源電路包括了穩(wěn)壓電路和電壓采集電路兩部分。由于ZigBee的工作電壓為3.3 V，而普通鋰電池一般具有3.7～4.2 V電壓，本設計中通過低壓差芯片662 K穩(wěn)壓成3.3 V供ZigBee使用[14-15]。圖6所示為無線標簽節(jié)點穩(wěn)壓電路，它具有高紋波抑制率、低功耗、低壓差，具有過流和短路保護的CMOS降壓穩(wěn)壓功能。它能在輸入、輸出電壓差極小的情況下提供250 mA的輸出電流，并且仍能保持良好的調整率。在壓差0.2 V時可輸出90 mA的電流，在壓差0.4 V時可輸出200 mA左右的電流。由于ZigBee終端節(jié)點與OLED屏功耗較低且考慮到體積大小問題，故該輸出電流滿足設計要求。鋰電池選型為常用200 mA·h鋰電池，容量適中，體積較小。通過電壓采集電路和CC2530 的P0_0口進行AD轉換，實時監(jiān)測電池容量，如圖7所示。

圖6 無線標簽節(jié)點穩(wěn)壓電路圖7 電壓采集電路

2.3 OLED電子標簽顯示模塊

本系統(tǒng)中選用OLED屏幕作為商品標簽信息的顯示，顯示模塊如圖8所示。OLED是一種不需要背光源的顯示屏幕，它由有機電激發(fā)光二極管所構成，具有對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優(yōu)異的特性。OLED顯示屏有2種工作模式，即IIC通信和SPI通信，考慮節(jié)省標簽節(jié)點I/O口資源，在本系統(tǒng)中采用IIC通信協(xié)議，OLED電子標簽顯示接口驅動電路如圖9所示。

圖8 電子標簽OLED顯示模塊

圖9 OLED電子標簽顯示接口驅動電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件部分的設計包括了ZigBee協(xié)議棧程序和手機端APP程序的設計，手機端通過藍牙與ZigBee協(xié)調器網關建立連接后，進行相關的數(shù)據(jù)通信，協(xié)調器協(xié)議棧將數(shù)據(jù)進行廣播發(fā)送給網絡中的所有標簽節(jié)點[7-10]。

3.1 ZigBee軟件設計

超市智慧無線標簽ZigBee軟件分為協(xié)調器協(xié)議棧程序和終端節(jié)點協(xié)議棧程序。協(xié)調器配合藍牙透傳模塊工作，管理員手機連接上藍牙網關并且經過密碼認證后，在手機APP上發(fā)送相關修改信息，協(xié)調器通過藍牙串口透傳接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給相對應的節(jié)點。ZigBee標簽節(jié)點在初始化后驅動OLED屏幕，并將上一次存入的商品信息讀出并顯示，若管理員沒有進行修改，則顯示內容不變，否則，ZigBee節(jié)點會將收到最新數(shù)據(jù)存入24C02存儲器中，然后刷新OLED 標簽顯示信息。

超市智慧無線標簽節(jié)點的程序流程如圖10所示，節(jié)點上電后對ZigBee系統(tǒng)初始化，在初始化中會自動搜尋ZigBee網絡并連接上，系統(tǒng)初始化后，進行OLED顯示和存儲器的初始化；ZigBee標簽節(jié)點在存儲器中讀取商品的價格并顯示在OLED屏幕上，當收到ZigBee網絡中協(xié)調器發(fā)送的信息后主動進行核對，如果信息中的ID號與節(jié)點的ID號一致，會將該信息重新覆蓋寫入到存儲器中，并實現(xiàn)OLED顯示信息的更新。

圖10 標簽節(jié)點程序流程圖

超市智慧無線標簽協(xié)調器的程序流程如圖11所示，協(xié)調器上電后會對ZigBee系統(tǒng)初始化，建立一個ZigBee網絡，隨后初始化藍牙模塊。藍牙模塊收到匹配好的手機端數(shù)據(jù)，將判斷信息格式是否是正確的協(xié)議格式，若是則廣播給各個超市智慧無線標簽節(jié)點，否則就繼續(xù)等待正確消息。

圖11 標簽協(xié)調器程序流程圖

智慧超市無線標簽節(jié)點接收到協(xié)調器數(shù)據(jù)后與自身ID號對比，匹配成功后將接收到的數(shù)據(jù)存入存儲數(shù)組中，顯示在OLED屏幕上，通過ZigBee模塊的TTL串口也可以看到接收到的數(shù)據(jù)。標簽節(jié)點協(xié)議棧接收函數(shù)中主要的處理程序如下：

voidSampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t *pkt)

{

switch (pkt->clusterId)

case SAMPLEAPP_COM_CLUSTERID://判斷串口透傳CLUSTERID

len = pkt->cmd.Data[0];

Label_Read =pkt->cmd.Data[1]-'0';

if(Label_Read ==Label_ID)//如果不是主機，則接收到數(shù)據(jù)后打印出來。

{

for(i=0;i

HalUARTWrite(0,&pkt->cmd.Data[i+1],1);

HalUARTWrite(0," ",1);

for(i=0;i<7;i++)

price_money[i]=' ';

z=len-2;

for(i=6,j=len;z>0;i--,j--,z--)

{

price_money[i]=pkt->cmd.Data[j]-'0';

}

display(Label_ID);

}

if(pkt->cmd.Data[1]=='0'&&pkt->cmd.Data[2]=='0'〗&&pkt->cmd.Data[3]=='0'&&pkt->cmd.Data[4]=='0'〗&&pkt->cmd.Data[5]==',')OLED_Fill(0x00);

if(pkt->cmd.Data[1]=='1'&&pkt->cmd.Data[2]=='1'〗&&pkt->cmd.Data[3]=='1'&&pkt->cmd.Data[4]=='1'〗&&pkt->cmd.Data[5]==',') display(Label_ID);

break;

}

將相關程序下載到超市智慧無線電子標簽節(jié)點各模塊中，實現(xiàn)效果如圖12所示。

3.2 手機端標簽管理APP的設計

系統(tǒng)手機端管理軟件基于安卓平臺開發(fā)，其通過手機端藍牙與超市無線標簽中協(xié)調器的藍牙網關進行無線數(shù)據(jù)傳輸，管理員僅需在APP中填入對應標簽號與需要修改的信息，點擊修改按鈕即可完成任務。

超市商品價格修改手機端程序工作流程如圖13所示。手機打開藍牙并匹配到藍牙模塊后， APP初始化藍牙協(xié)議，若管理員輸入相關信息并點擊發(fā)送，數(shù)據(jù)會通過手機藍牙發(fā)送給協(xié)調器藍牙網關。若手機沒打開藍牙或匹配成功，APP則會打開不成功，以提示用戶開啟藍牙并匹配藍牙透傳模塊[11-13]。

圖13 手機端管理程序工作流程

手機端管理程序APP界面如圖14所示，Public void onResume()是APP程序中藍牙初始化的核心函數(shù)，在用戶打開藍牙功能并打開APP后，程序會通過device.createRfcommSocketToServiceRecord(MY_UUID)方法與超市無線標簽中協(xié)調器藍牙模塊的ID地址相匹配，在匹配成功后會提示用戶“藍牙已經連接”，否則就會自動關閉藍牙套接字功能，相關主要代碼如下：

圖14 手機端管理程序界面

@Override

public void onResume() {

super.onResume();

BluetoothDevice device = mBluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);

try {

btSocket = device.createRfcommSocketToServiceRecord(MY_UUID);

} catch (IOException e) {

}

mBluetoothAdapter.cancelDiscovery();

try {

btSocket.connect();

Toast.makeText(MainActivity.this, "藍牙已連接", Toast.LENGTH_SHORT).show();

} catch (IOException e) {

try {

btSocket.close();

} catch (IOException e2) {

}

}

}

4 結 語

本文針對目前超市在商品貨架標簽管理中存在的問題，提出了一種基于ZigBee和藍牙等物聯(lián)網技術的智慧電子價格標簽系統(tǒng)，通過手機端APP將信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調器網關，協(xié)調器利用ZigBee網絡將數(shù)據(jù)轉發(fā)給標簽節(jié)點從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的修改，這種設計既節(jié)省了資源，又節(jié)省了人力，在與超市后臺結算數(shù)據(jù)庫對接后，將極大的提高超市貨架商品價格標簽的管理效率。

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