CN201854441U - 基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统 - Google Patents

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本实用新型涉及一种基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统，是由ZigBee电子显示标签节点，连接ZigBee无线网络的网关以及管理中心构成；管理中心与ZigBee无线网络网关通过有线连接，ZigBee无线网关与ZigBee电子显示标签节点通过ZigBee无线技术自组网通信连接。本实用新型采用无线通信技术，具有传输距离远、不需正对的优点，可以对超市卖场或会议会场中任意位置的标签通过从机节点进行无线控制更改标签显示信息。使工作人员的工作量减少，提高工作效率，各从机标签节点采用太阳能设计，利用太阳能供电，节省电源，使普通的电池可以有更长的使用寿命。

Description

基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统 
技术领域
本实用新型属于无线通信技术领域，具体涉及采用电脑、嵌入式控制器和基于ZigBee(紫蜂)技术的无线通信电子显示标签系统。 
技术背景
目前我国几乎所有的超市及卖场的物价标签都采用传统的纸制卡片式标签，上面印有各种相应商品的价格等相关信息，每当某一些商品的相关价格或商品信息需要变更时就得需要人工重新制作新的卡片标签，换下原来旧的卡片标签，被更换的卡片将废弃不用，一个大型超市拥有上万种商品，按每种商品平均每年需要四到五张卡片标签，一个大型超市平均每年需要消耗五万张左右卡片标签，而一棵生长20年的树木可以造出3000张A4纸，粗略估算也就是一家大型超市每年至少需要消耗五棵成年树木，全国数以万计的超市每年将消耗好几片森林。同样需要频繁更换卡片信息的还有一些比较正式的会场及仓储管理等，目前的会场座位安排通常同样采用纸质卡片式标签上印有各位来宾和单位名称来确保参会人员的有序准确的入座。目前这种纸质信息卡片标签存在更改不便和人力、资源的浪费，新的信息标签系统有待开发。 
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术，也是目前嵌入式应用的一大热点。ZigBee技术具有以下特点： 
①低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，zigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其功耗远远小于其它无线设备。 
②成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.15-2.15美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于zigBee也是一个关键的因素。 
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15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 
④网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳65535个从设备和一个主设 备，而且网络组成灵活。 
⑤可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 
⑥覆盖范围广：覆盖范围在10m-75m，在增加RF发射功率后可增大数据传输距离。 
⑦安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES一128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。 
ZigBee的这些特点非常适合于用来组建通信速率不高的短距离无线网络。ZigBee技术250kbps的通信速率完全能够满足超市卖场的物价电子显示和会场的座位安排显示标签通信的需求，因此选择ZigBee技术构建超市卖场物价电子显示和会场座位安排显示标签系统将成为现代化超市卖场和会议会场的又一亮点，必将给现代化超市卖场和会议会场带来一场新的变革。 
发明内容
本实用新型的目的是在于解决目前超市卖场及会议会场等纸制卡片式标签存在的不足，提供更环保、经济、方便快捷和工作效率更高的基于ZigBee技术的信息可频繁刷新无线电子显示标签系统。 
本实用新型提出了一种基于ZigBee技术的信息可频繁刷新无线电子显示标签系统，这种信息可频繁刷新无线电子显示标签系统只需一次性投入，就可以反复利用，商品价格信息的变更或会场的不同时段不同会议的来宾座位安排和变更，不再需要人工制作和更换新的信息标签，只需在主控制室通过计算机更改相关商品价格信息或会场指定座位上的标签显示，通过嵌入式控制器将相关需要更改的信息利用ZigBee无线信号传送给各个安装在超市货架上或会场各个座位上的ZigBee接收终端，接收终端将接收的信息通过LCD液晶显示屏显示，用显示屏显示商品信息和座位安排来代替传统纸制标签，通过在计算机上更改商品或座位信息用无线发送方式代替人工制作更改和张贴标签。 
本实用新型所采用的技术方案是： 
一种基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统，是由ZigBee电子显示标签节点，连接ZigBee无线网络的网关以及管理中心构成；管理中心与ZigBee无线网络网关通过有线连接，ZigBee无线网关与ZigBee电子显示标签节点通过ZigBee无线技术自组网通信连接。 
所述的ZigBee电子显示标签节点为一嵌入式系统，集成了ZigBee RF收发器、微控制器 (MCU)以及LCD显示屏，他们彼此互联，可实现运行应用程序、数据处理、数据存储以及无线通信。 
所述的连接ZigBee无线网络的网关为一嵌入式系统，集成了ARM处理器和ZigBee RF收发器，他们彼此互联，可实现运行应用程序、数据处理、数据存储以及和ZigBee电子显示标签节点的自组网功能。 
所述的管理中心包括计算机、网络交换机和服务器；用于保存各对应ZigBee电子显示标签节点历史数据信息和当前显示信息以及各显示节点当前工作状态，计算机提供丰富便捷的人机交换界面，管理人员通过计算机随时可更改各对应电子显示节点所需要显示信息亦可调用查看历史显示数据信息和各对应显示节点当前工作状态，作为远程管理控制中心。 
更具体地，ZigBee无线网络的网关电路结构如图1所示：高速接口包括USB接口和网卡接口，通过连接线与控制逻辑电路相接，控制逻辑电路的数据地址线通过连接线分别与ARM处理器中的数据地址总线相接及数据程序扩展寄存器相接，晶振通过连接线与ARM处理器中的参考时钟输入相接，为ARM提供外部时钟。ARM处理器中的主复位输入通过连接线与看门狗电路相连接，ZigBee协议栈中的IEEE 802.15.4MAC与ZigBee RF收发器中的SPI控制器通过连接线相连接。 
ZigBee电子显示标签节点电路结构如图2所示：ZigBee RF收发器中的SPI控制器与微处理器中ZigBee协议栈中的中间协议层的IEEE 802.15.4MAC相连接，LCD显示屏通过连接线与微处理器中的LCD驱动器相连接。 
其具体工作原理是：ZigBee无线网络的网关接收从PC机控制接口输入控制命令信后，经过ARM处理器进行数据分析，然后将数据发送到ZigBee RF收发器SPI控制器，RF收发控制器通过模拟发射器和天线将信号发送出去，ZigBee电子显示标签节点RF收发器通过天线和模拟接收器接收主机发送的无线信号，通过SPI控制器传送给从机微处理器中ZigBee中间协议层IEEE 802.15.4MAC，然后再通过显示应用电路驱动LCD显示。PC机通过ZigBee无线网络的网关发送的超市卖场商品价格和促销等相关信息或会议会场各个座位安排和布置，电子显示节点模块RF收发器可通过模拟发射器和天线将电子显示的信息反馈给主机控制器，实现各从机收发器节点信息的实时监控，以确保发送的信息到指定节点的准确显示。 
本实用新型采用无线通信技术，具有传输距离远、不需正对的优点，可以对超市卖场或会议会场中任意位置的标签通过从机节点进行无线控制更改标签显示信息。 
本实用新型使得超市卖场价格管理轻松，价格更加准确，标价签能被实时监控，当需要更改批量的标签信息只需在几秒内完成，使工作人员的工作量减少，提高工作效率，各从机标签节点采用太阳能设计，利用太阳能供电，节省电源，使普通的电池可以有更长的使用寿命。 
无线通信技术符合IEEE802.15.4协议，每个控制模块唯一地址编码，避免了相互冲突，确保通信可靠。该系统还可以与其他符合标准的产品互联，具有良好的通用性和可扩展性。 
附图说明
图1：ZigBee无线网络的网关控制器原理结构图 
图2：ZigBee电子显示标签节点原理结构图 
图3：ZigBee无线网络的网关控制器程序流程图 
图4：ZigBee电子显示标签节点收发器模块程序流程图 
图5：CC2430中断处理过程的流程图 
图6：MCU初始化过程的流程图 
图中标号：1PC端控制指令输入，2高速接口，3控制逻辑电路，4PC控制接口，5数据地址总线，6数据和程序扩展寄存器，7参考时钟输入，8晶振，9主复位输入，10ZigBeeNWK，11IEEE 802.15.4MAC，12电源管理，13复位/看门狗电路，14接收基带，15SPI控制器，16发射基带，17模拟接收器，18频率发生器，19模拟发射器，20电源管理，21ARM处理器，22ZigBee RF收发器，23天线，24ZigBee RF收发器，25微处理器，26天线，27模拟接收器，28频率发生器，29模拟发射器，30电源管理，31接收基带，32SPI控制器，33发射基带，34显示应用电路，35ZigBee NWK，36IEEE 802.15.4MAC，37LCD驱动器，38LCD显示屏。 
具体实施方式
一、系统硬件电路设计 
整个系统主要由三部分组成，即管理中心、ZigBee无线网络的网关和ZigBee电子显示标签节点。 
ZigBee无线网络的网关采用三星公司的ARM9微处理器S3C2410X为主CPU，它是Samsung公司推出的基于ARM9TDMI核，精简指令系统的16/32位高速微处理器。以S3C2410X为核心，外围扩展一系列功能模块。嵌入式ARM处理器通过SPI总线和一些离散控制信号与ZigBee RF收发器相连，处理器实现了IEEE 802.15.4MAC子层和ZigBee协议层，还包含了特定应用的 逻辑，并且使用SPI总线与RF收发器交互。ARM处理器主要用于射频信号控制和协调各部分器件的工作，具体来说就是负责比特流调制和解调后的所有比特级处理，控制RF收发器等。 
ZigBee电子显示标签节点采用chipcon公司的CC2430芯片，CC2430使用了一个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含了模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(timer)、AES-128协同处理器、看门狗定时器(watchdog-timer)、32KHz晶振的休眠模式定时器，上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚，同时该芯片集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线收发器，通过MCU的LCD驱动器与LCD显示器相连，用来显示RF收发器接收来至主机控制器发来的信息。 
二、系统软件设计及实现 
系统软件分为3层：系统平台层、协议层和应用层。系统平台层通过应用程序接口(Application Programming Interface，API)来给协议层提供服务。协议层实现物理层、链路层以及基于ZigBee的网络层协议。应用层通过API来调用协议层提供的服务，实现网络的管理和数据传输等任务。软件所要实现的功能包括系统初始化(包括MCU的初始化和CC2430的初始化)、通信协议栈、系统应用程序等。 
1.系统主程序设计 
ZigBee无线网络的网关和ZigBee电子显示标签节点的程序流程图分别如图3和图4所示。 
2.中断和初始化程序设计 
CC2430中断处理过程和MCU初始化过程的流程分别如图5和图6所示。 
三、通信帧协议 
采用基于IEEE802.15.4协议的通信控制方式，网络采用星型拓扑结构。 
IEEE802.15.4数据帧格式如表1所示。 
表1数据通信帧格式 
Figure BSA00000230151900051
PHY层 
物理层帧第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码器件，会根据前导码的序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符(start-of-frame delimiter，SFD)字段长度为一个字节，其值固定为0XA7，标识一个物理帧的开始。帧长度(frame length)由一 个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度。物理帧的负载长度可变(＜＝127)，称之为物理服务数据单元(PHY service data unit，PSDU) 
MAC层 
IEEE 802.15.4/ZigBee帧结构的设计原则是保证网络在有噪声的信道上足够健壮传输的同时将网络的复杂性降到最低。每一后继的协议层都是在其前一层添加或者剥除了帧头和帧尾而形成，帧结构如表1所示。 
每个MAC子层的帧都是由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型确定，帧尾市帧头和负载数据的16位CRC校验序列。 
每个通信模块有唯一的64(8字节)位IEEE地址，在组网时自动分配16位(2字节)网络地址包括一个主机控制器节点和若干个(＜65536)从机收发器节点。这样，可组成最大65536个节点的局域网。 
四、指令/数据表 
指令/数据信息装载在负载(不超过127个字节)中传递，负载数据的第一个字节为控制模块支路编号，每个模块可控制最大256路支路。 
初始化时生成控制网络信息表，每个从机收发器节点预存有本节点种类、支路和控制指令信息。在初始化时，从机收发器节点将本节点信息传递给主机控制器，并将模块标识信息和控制指令存入指令表，以建立控制网络信息表。 
正常工作时从机收发器节点接收主机控制器的指令，做出相应操作后发挥确认信息或数据信息。主机控制器发送下行指令，采用表2所示的格式，指令采用64个字节，另有32个字节作为指令说明。 
表2指令/数据格式 
  1字节   64字节   32字节
  控制支路编号   控制指令/数据   指令/数据说明
从机收发器节点的返回信息为上行数据，同样采用表2所示格式，数据采用64个字节，另有32个字节作为数据说明。 

Claims (4)

1.一种基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统，其特征在于：ZigBee电子显示标签节点(40)，连接ZigBee无线网络的网关(39)以及管理中心(1)；管理中心(1)与ZigBee无线网络网关(39)通过有线连接，ZigBee无线网关(39)与ZigBee电子显示标签节点(40)通过ZigBee无线技术自组网通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统，其特征在于：所述的ZigBee电子显示标签节点(40)为一嵌入式系统，集成了ZigBee RF收发器(24)、微控制器(MCU)(25)以及LCD显示屏(38)，他们彼此互联，实现运行应用程序、数据处理、数据存储以及无线通信。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统，其特征在于：所述的连接ZigBee无线网络的网关(39)为一嵌入式系统，集成了ARM处理器(21)和ZigBeeRF收发器(22)，他们彼此互联，实现运行应用程序、数据处理、数据存储以及和ZigBee电子显示节点(40)的自组网功能。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的无线电子显示标签系统，其特征在于：所述的管理中心(1)包括计算机、网络交换机和服务器。 
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