引言在綠色環保理念的推動下，在發達國家的超市里開始出現用電子標簽來取代傳統紙質標簽的趨勢，到目前為止全球約有2500萬個超市電子標簽投入實際使用，而中國龐大的零售超市仍未開始大量采用，巨大的市場潛力擺在我們面前。
電子標簽在國外應用已經非常成熟，家樂福、樂購、麥德龍、華堂等企業都在其海外的門店大量使用電子標簽。至于國內電子貨架標簽系統在國內的零售業界的應用正處于起步階段。
隨著中國零售市場的日益國際化和電子貨架標簽系統本身的發展將逐漸被打破。
電子價格標簽的將商品徹底數字化以及其時效性會引導新型商業模式的出現，基于此理念，設計出互動電子價格交互系統，希望能在下一代電商浪潮中得以應用。
本系統結合MSP430單片機、ZigBee協議以及電子紙和射頻識別技術設計了電子價格交互系統的硬件體系和軟件實現方法。主要解決如何在TI的ZigBee協議上無線自組織網絡的實現，并與終端準確地進行數據傳輸，以及在實用性方面低功耗的控制。
1 系統概述
電子標簽交互系統由商品采集及錄入系統、POS系統、電子紙顯示系統、RFID會員識別系統以及ZigBee無線網絡構成。
其中，前兩部分屬于商場已有部分，該系統主要需要完成網絡、顯示以及識別的功能。如圖1所示。
圖1 交互系統組成
當商場決定大規模的調整商品價格，做一個短時促銷的時候，只需要將更改的數據輸入POS系統，ZigBee網絡能快速地將變更的數據發送到每個貨架以及每個商品的顯示標簽上，當消費者打算購買商品時，可以用會員卡鎖定促銷商品，此時詳細的會員數據會通過ZigBee網絡將數據回傳給POS系統，當消費者結賬離開的時候仍可以以促銷的價格購買該商品。
電子價格交互系統還支持遠程控制，POS系統可以通過網絡對其連鎖分部的商品統一標價管理。內部都存儲有對應商品的多條信息，營業員可以借助智能手持終端設備方便地查詢核對。顯示價格數字，微處理器控制從標簽到基站雙向無線通訊，通過雙向通信可以確認價格更改成功與否以及得知標簽狀態。鑒于近期來關于商品質量安全問題，毒牛奶、過期食品等，通過該系統能及時對商品進行監控并且能及時促銷，在社會問題,方面能起到極大的促進作用。
每個商品的信息均錄入在數據庫中，商品數字化帶來的好處不僅能對商品的數量以及保存狀態實時監控，更可以在目前主流的B2O模式中應用，對一些線上的商家如何構建與實體店之間的關系起到了紐帶的作用。
2 ZigBee 協議及其優勢
2.1 ZigBee 協議概述
Zigbee數傳是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案，相比于藍牙和無線局域網等無線通信技術，ZigBee數傳技術具有近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率和低成本的特點。
ZigBee數傳模塊應用范圍非常廣泛，包括智能建筑、醫療設備、智能家居以及各種監控系統，主要適合于自動控制、數據采集和遠程控制等領域中，可以嵌入各種設備中，同事支持地理定位功能。采用ZigBee數傳模塊的網絡可在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。
ZigBee協議棧是在IEEE 802.15.4標準基礎上建立的，定義了協議的MAC和PHY層。ZigBee設備應該包括IEEE802.15.4(該標準定義了RF 射頻以及與相鄰設備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee網絡層(NWK)、應用層和安全服務提供層。如圖2所示。
圖2 ZigBee 協議棧結構
2.2 ZigBee 技術的優勢
ZigBee數傳技術具有如下的優勢：
（1）功耗低由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee無線模塊設備非常省電。ZigBee無線模塊設備僅靠2節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠低于其他無線設備。
（2）成本低與GPS相比，定位引擎在單芯片 ZigBee RF收發器中與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協議是免專利費的。
（3）時延短通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此ZigBee技術適用于對實時定位要求較高的應用。
（4）網絡容量大，一個星型結構的ZigBee無線模塊網絡最多可以容納254個從設備和1個主設備，組網方式靈活。隨著ZigBee數傳技術的成熟，未來ZigBee數傳設備不斷增多，可以利用具有ZigBee RF的設備或基礎設施，容易組建ZigBee網絡，降低了ZigBee無線模塊節點設計和組網成本，且利用更多的ZigBee設備可以達到更高的定位精度。
3 電子標簽交互系統的設計
ZigBee 數據采集節點大多由能量十分有限的電池供電，且長期在無人值守的狀態下工作。由于傳感器網絡中節點個數多、分布區域廣、所處環境復雜，所以必須采用有效的節能策略降低節點的能耗，延長網絡的生存期。
3.1 處理器模塊低功耗設計
處理器模塊中微處理器是ZigBee 無線傳感器網絡節點的核心。它進行ZigBee 數據采集并處理傳感器數據，判決何時何地發送這些數據，并從其他傳感器節點接收數據以及判定執行器的動作。
微處理器必須運行各種程序，包括信號處理、通信協議以及應用程序。由于微處理器要處理的數據非常大，所以它是網絡節點中主要能耗的元器件之一。微處理器功耗主要由工作電壓、運行時鐘、內部邏輯復雜度以及制作工藝決定。工作電壓越高、運行速度越快，其功耗越大。為了增加節點的生命周期，在微處理器選取時，首先考慮超低功耗的微處理器，同時它必須支持多種工作模式，包括“運行”、“空閑”和“休眠”等。通過監測無線傳感器節點的正常工作，可以發現節點在大部分時間內處于“空閑”狀態，最好使其處于“休眠”狀態。通過外部中斷或定時中斷，把需要工作的節點喚醒，進入“運行”狀態。采用這種多工作狀態技術來降低功耗是提高無線傳感器網絡節點能量效率的核心技術。此外，處理器的運行速度要盡量快，這樣系統能夠在最短的時間內完成必須完成的工作，從而快速進入睡眠狀態，節省系統能源。
MSP430F449作為控制芯片，因其優秀的低功耗性能作為首選方案。該芯片能夠在1.8V～3.6V的電壓下工作；具有工作模式（AM）和五種低功耗模式（LPM）。在3V、1MHz時鐘驅動下，各個工作模式下的供電電流典型值如表1所示:
表1 MSP430F449 工作模式與耗電電流
3.2 顯示模塊低功耗設計
由于TI公司的cc2530芯片自身就有低功耗的性能，故顯示模塊重點解決如何降低顯示的功耗。
電子紙的載體是一張特殊的薄膠片，通過在膠片上“涂”上的一層帶電的物質（電子墨），根據內容的不同進行后臺控制，通過相應的顯示組合以達到內容顯示的目的。電子紙的內核就是一個廣義上的IC，整個閱讀器則可看作是一個薄薄的內嵌式遙控顯示板。電子墨水就是將帶正、負電的諸多黑白粒子，密封于微膠囊內，因施加電場的不同，在監視器表面產生不同的聚集，呈現出黑或白的效果。
E-Ink的電子紙由電子墨水及兩片基板所組成：第一部分是電子墨水，有時被稱為“前基板（front plane）”；二是使電子墨水生成文本和圖像所需要的電子設備組合，包括控制部分和顯示部分，被稱為“背基板（backplane）”。背基板上面涂有由無數微小的透明顆粒組成的電子墨水，顆粒直徑只有人的頭發絲的一半大小。其特點是在反差、明亮度視覺等方面較理想，耗電低，重量輕而容易使其薄型化，形狀自由等，當只有需要數據改變時才需要耗電，在日常正常顯示時不需要耗電。與現有的led設備相比，在功耗的瓶頸下，無疑解決了最大的功耗問題。
圖3 電泳電子墨水工作原理
電子紙技術已經成熟，尺寸和種類均有了多種選擇，電子紙詳細參數見表2。
表2 方案中電子紙參考設計
3.3 工作原理以及擴展部
當有新增商品是，首先需要將需要顯示的商品信息輸入到數據庫中，同時給定匹配商品以及標簽識別碼，電子標簽交互系統（ESL）讀取服務器中的數據，服務器通過ZigBee數傳網絡發送商品信息，網絡協議對數據進行加密、發送、接受、解密等流程，發送到控制芯片MSP430，如果數據校驗結果正確，則進行顯示刷新，錯誤則重新發送，工作原理圖如圖4所示在顯示部分，通過實地調查了解到目前的應用情況是顯示部分以及控制部分集成一體，每個商品都需要集成這兩部分，大大增加了成本，而將一排貨架的商品作為一個節點，每個商品賦予不同的地址，通過MSP430的SPI總線的方式控制電子紙顯示屏，將控制部分與顯示部分脫離，實現了一對多的工作方式。
圖4 系統工作原理
4 結語
筆者設計了基于TI低功耗芯片MSP430以及CC2530的ZigBee無線模塊綜合方案，以及電子紙的應用，介紹了各個功能模塊的原理。給出了一種具體應用的方案，對下一步該系統應用的一種設想以及商業模式。一般情況下，對于中型規模的超市而言，需要上萬個節點才能做到全部覆蓋，如何用一個節點覆蓋盡量多的商品以及如何擴大網絡容量，并且不影響到系統工作的高效性和可靠性將是項目下一步研究的問題。