一种电子货架标签系统(ESLS)的设计

(杭州电子科技大学 电子信息学院 系统集成研究所，杭州 310018)

1 引 言

电子货架标签系统(Electronic Shelf Label System，ESLS)属于物联网在商业领域的一个极其典型的应用。电子货架标签(ESL)是一种放置在货架上、可替代传统纸质价格标签的电子显示装置[1]。ESLS一揽子解决方案可以帮助企业面对频繁和低效率的促销活动，同时还为其它供应商提供更多管理和优化商品信息的性能。目前，ESLS刚刚兴起，美国已经有多家知名大超市开始使用该系统，而在我国至今仍未发现成功的应用案例。

本文设计了一种电子货架标签系统。首先简述了该系统总体设计，然后分别进行了POS(Point of Sale)、前端设备通信模块，以及完善的应用系统等子模块设计，同时介绍了Tag与商品信息绑定以及Tag更新流程。在系统设计过程中选用超低功耗RF IC芯片组实现超低功耗。该系统可以广泛应用于社区零售店、便利店、大中型超市、大卖场、购物中心等商业场所，市场应用前景非常广阔[2]。

2 ESL系统总体设计

一个完整的ESL系统包括主计算机(MPC)、读写器(Access Processor,AP)、ESL和手持式阅读器(Portable Reader,PR) 4部分,其中，MPC负责读取数据库信息，运行各种与价格相关的服务软件，负责对ESL系统中的设备进行远程配置、管理等工作；AP负责主计算机与终端设备电子货架标签的数据转发；ESL是终端的信息显示设备，显示内容包括商品名称、规格、单价、生产日期、保质期等商品的重要信息；PR负责现场读取电子货价标签ESL显示的商品信息。

2.1 完整的ESL系统工作原理

首先数据库里的商品信息由MPC通过ESL系统软件进行一定的信息处理，然后将这些携带有商品价格等内容的商品信息通过以太网(或其它通信接口)发送到前端的AP中；接着，AP通过无线方式将载有价格等重要内容的信息发送到布设在超市或大卖场货架上的ESL上。其中，每一个AP负责一定范围的ESL信息发送； ESL则是一个个带有身份识别码(Identification Code,IDC)的无线数据接收器与显示器,它们能够将接收到的RF信号还原成有效的数字信号，转换成相应的商品信息并显示出来。

每个ESL内部都存储有对应商品的多条信息。ESL一般被放置在特制的PVC导轨内(导轨固定在货架上)，具有防盗取结构设计。营业员可以借助手持读写器方便检查核对这些信息。ESL支持远程控制，管理中心可以通过网络对其连锁店内的商品描述信息统一管理。ESL靠内部的纽扣电池供电，一般可以工作5年以上。

2.2 系统整体架构

该系统主要包括MPC、POS、接入点设备间的无线通信、与一个或多个销售点的MPC/POS系统相连的显示标签[3]。ESL系统网络框架如图1所示。设计考虑的主要因素包括覆盖范围、大小、易用性、显示标签模块的电池寿命、无线传输的可靠性和安全性。

每个标签都具有一个用于显示产品价格和UPC(Universal Product Code)码的LCD(Liquid Crystal Display)/E-Ink显示屏、射频收发器和微处理器，可使用包含内置处理器的TI(Texas Instruments)独立式射频SOC-CC2510或使用与MSP430 微处理器配合使用的TI射频CC2500收发器来实施该节点。这些超低功耗射频IC在2.4 GHz频带时可提供高性能无线通信。使用射频收发器可实现全双工通信，从而扩展系统范围以便将各种功能包括在内，例如通过使用产品上的射频ID标签来维护库存。该节点由电池供电，因此，CC2500/CC2510和MSP430的低功耗、高性能特性可有效地延长电池使用寿命。

图1 ESL系统网络框架示意图Fig.1 Net frame of ESL system

接入点设备是一种具有简单微处理器的射频收发器，可实施所需的射频协议[4]。AP解决方案包括 CC2500射频收发器、CC2590/2591射频前端和MSP430微处理器。AP设备必须能与其分段中的每个节点通信。为了改善2.4 GHz频带的传播特性，专门采用CC2590/CC2591来提高AP多标签通信网络的覆盖范围。CC2590/CC2591采用功率放大器提高输出功率，采用低噪声放大器(Low Noise Amplifier，LNA) 增强接收器灵敏度，从而改善多标签通信网络的覆盖范围。AP通过以下3个接口选项中的一个选项与MPC/POS系统相连：RS-232、WLAN(Wireless Local Area Network)或以太网接口(Power over Ethernet)。

整个系统也可使用CC1101+MSP430组合或CC430解决方案在低于1 GHz的工作范围内实施。低于1 GHz的频带有助于提高覆盖范围，并可避免2.4 GHz频带经常遇到的干扰。

3 系统软件设计

ESL软件系统主要分为应用系统、POS通信模块、前端设备通信模块3部分。应用系统提供软件功能界面，POS模块获取商品信息和商品更新，前端设备通信模块完成应用系统和AP、Tag、手持设备等之间的通信。模块设计如图2所示。

图2 ESL软件系统模块设计Fig.2 Module design of ESL software system

3.1 POS通信模块和前端通信模块设计

3.1.1POS机系统的应用

银行POS即银联POS，是无线收款终端，需要去银联公司或指定银行购买。POS的工作原理：使用POS通过指定线路(一般为电话线)连接银联总部，POS的刷卡消费信息通过POS传输到银联，进行消费金额扣除，常与超市或商场中的POS系统结合使用，构成超市或商场POS收银系统[5]。

3.1.2POS通信模块

POS通信模块用于从POS系统获取商品信息。针对不同的POS系统，获取商品信息可能有不同的方式，目前只考虑通过数据库字段映射的方式获取商品信息。POS通信模块定时轮询POS系统的数据库，读取商品信息，保存到通信模块数据库。保存的商品信息有一个是否更新的标识，在POS系统商品信息发生变化时置为有更新，在应用系统读取过更新后置为无更新，以完成商品信息更新功能。

3.1.3前端设备通信模块设计

前端设备通信模块完成应用系统和前端设备之间的交互，其主要功能是把从应用系统发出的信息转换为符合设备通信协议的帧格式并发送到AP，再把AP发送来的帧转换为合适的接口调用或返回值，传递给应用系统。通信模块与硬件设备的接口其实就是通信模块与Reader设备之间的接口，它们之间采用以太网接口，传输方式采用UDP(User Datagram Protocol)方式[6]。

3.2 应用系统设计

应用系统设计包括商品管理、Read/Write管理、Tag管理、权限管理、POS通信管理、设备通信管理六大模块。

3.2.1商品管理

商品管理模块主要分为商品信息导入、商品信息查看、商品信息修改、商品信息修改历史查询四大功能块。商品信息导入功能主要用于从POS系统读取所有商品信息到应用系统数据库，完成所有商品信息的初始化；商品信息查看功能用于查看和搜索系统内所有的商品信息，包括条码、商品名、价格等；商品信息修改功能是为了演示和完善功能的需要而增加的；商品信息修改历史查询功能用于查询系统内商品信息的修改历史。

3.2.2AP管理

AP管理模块主要包括通信测试、搜索、状态监控3个子模块。通信测试子模块用于对单个AP进行在线测试，查看当前AP是否可通信；AP搜索子模块在系统初始化时搜索系统内的AP设备，得到各AP设备的IDC、IP地址等信息，完成AP设备初始化，也可在AP设备发生变化时使用本功能更新AP设备信息；应用系统通过AP状态监控子模块监控所有AP设备的状态，允许用户可实时查看各AP设备信息及状态，并在出现异常时提醒用户。

3.2.3Tag管理

Tag管理主要包括Tag与商品的绑定、Tag的状态监测、Tag挪动管理、Tag显示设置4个功能。

电子标签的绑定指的是将某一商品条码和电子标签IDC建立关系。商品条码和电子标签可以是一对一关系，也可以是一对多关系，如图3所示。手持机发送Tag IDC和商品条码到应用系统完成两者绑定。应用系统可查询Tag与商品绑定结果，同时也可由用户手动完成绑定操作。应用系统监控所有Tag的状态，用户可实时查看各Tag设备信息及状态，并在出现异常时提醒用户。

图3 商品条码和电子标签的对应关系示意图Fig.3 Relationship between bar code and electron tag

电子标签可能产生挪动，例如从一个货架上挪到另外一个货架上，因此可能会发生标签的AP通信宿主变更，如图4所示。此时，应用系统必须能够自动获取和更新标签Tag的归属宿主。

图4 电子标签的挪动导致AP通信宿主变更示意图Fig.4 Changes of AP communication host due to movement of electron tag

3.2.4权限管理

应用系统内用户分为系统管理员和普通用户两类，管理员可增加、修改、删除普通用户，普通用户可使用商品管理、AP管理、Tag管理的完整功能。

3.2.5POS通信管理

POS通信管理与POS通信模块相关联，从POS机获取数据。交互方式为应用系统调用POS通信接口，包括获取全部商品和商品信息更新两项功能。通过直接访问POS通信接口获取全部商品，获得全部商品数据并保存到数据库。商品信息更新采用轮询方式，定时访问POS通信接口，查看有无商品信息变化，并把获取到的变化信息保存到数据库；同时触发商品信息修改流程，更改对应Tag的显示内容。

3.2.6设备通信管理

设备通信管理与前端设备通信模块相关联，与前端设备发生交互。交互方式包括应用系统调用设备通信接口和应用系统提供接口供设备通信模块调用两种。

4 系统硬件设备

4.1 AP读写器

AP设备包含有以太网地址和2字节的AP ID号，两者在全网内都是唯一的。AP广播地址为0xFFFF，AP设备如图5所示。0x0000暂时保留不作AP地址。

图5 AP设备俯视图Fig.5 Vertical view of AP device

4.2 Tag标签

Tag标签实物如图6所示，地址为4字节，格式如表1所示。

图6 Tag标签实物图Fig.6 Photo of electron tag

Byte 3Byte 2Byte 1Byte 0Tag标签类型Tag标签地址

另外，Tag的地址0xFFFFFFFF和0x00000000暂时保留，不作单独的Tag ID用。

4.3 手持Reader

手持读写器的地址是在绑定条形码与Tag ID过程中，通过读取Tag标签的条码时临时分配的，就是将这个商品的条码作为地址分配给手持机设备。这样做的好处在于手持机设备不需要进行地址初始化设定，所有手持机都是一样的。这也便于区分手持机与Tag标签。手持机实物如图7所示。

图7 手持机实物图Fig.7 Photo of portable reader

条形码分标准版和缩短版，标准版为一个13位十进制的数，缩短版则为8位的十进制数。当选用13位十进制数，并采用8421码，至少需要7字节才能包含所有条形码值，可采用首尾添0x/A的方式补全。

5 Tag信息更新的过程

5.1 TAG与商品信息成功绑定的过程

TAG与商品信息成功绑定的过程如图8所示。

图8 TAG与商品信息成功绑定的过程Fig.8 Process of successfully binding goods information to Tag

整个过程描述如下：

步骤1：用户先按下手持机上的商品信息查询按钮，手持机读取条形码【红外】；

步骤2：手持机向AP发送条形码信息【2.4 GHz】；

步骤3：AP向后台系统转发条形码信息【UDP】；

步骤4：后台系统收到条形码信息后查询数据库，并向AP发送对应商品信息【UDP】；

步骤5：AP向手持机转发商品信息【2.4 GHz】；

步骤6：用户查看手持机上显示的信息是否正确后，再次按下绑定按钮，手持机通过内置激励线圈向Tag发送激活信号【13.56 MHz】；

步骤7：Tag向手持机发送Tag ID【2.4 GHz】；

步骤8：手持机向AP发送(条码，Tag ID)绑定信息【2.4 GHz】；

步骤9：AP收到绑定信息后，向后台系统转发绑定信息，系统收到信息后将启动Tag信息更新流程【UDP】；

步骤10：后台系统收到绑定信息后还将向AP发送绑定反馈信息【UDP】；

步骤11：AP收到绑定反馈信息后向手持机转发这个绑定反馈信息【2.4 GHz】。

本过程涉及到的报文名称及说明如表2所示。

表2 信息更新中相对应的报文说明Table 2 Explanation of messages corresponding to information updating

5.2 Tag信息更新成功流程

Tag的信息更新流程如图9所示。整个过程描述如下：

步骤1：系统软件开始发起Tag 20标签的信息更新，并且系统软件知道Tag 20归属于AP A的IP地址为192.168.15.5，此时系统软件向AP A发送一个Tag 20的更新信息帧，并且设定一个超时时间，如果在超时时间内无法获得步骤4的更新反馈，系统将认为Tag 20不可达，接下来会发起轮询式或广播式Tag 20的搜索过程(至于选哪种搜索流程，则取决于系统配置)；

步骤2：AP A接收到来自系统软件的Tag 20更新信息帧，提取信息后向Tag 20转发这个Tag信息更新帧；

步骤3：Tag 20在接收到信息更新帧后，更新完信息，同时向AP A应答一个成功更新反馈帧；

步骤4：AP A接收到这个来自Tag 20的更新反馈帧后，向系统软件转发这个更新反馈信息，系统软件获知更新成功。

图9 Tag信息更新成功流程图Fig.9 Flowchart of successful update of tag information

本过程涉及到的系统软件与AP之间的报文说明如表3所示。

表3 系统软件与AP之间的报文说明Table 3 Explanation of messages between system software and AP

6 结束语

随着中国商业和贸易的日益国际化，在引进先进的技术和管理的同时，同样也促发了大规模的商业竞争，所以设计一种带有促销信息和动态定价功能的电子货架标签系统已显得十分迫切。本设计采用有源远距离RFID技术和完善的计算机管理技术相结合，能在宽广范围内实现对商品信息的有效管理，有效提高了商品信息管理效率。实验结果证明该系统信号覆盖范围广、无线收发稳定、功耗低、寿命长，以及应用系统的商品、系统、Tag管理完善，性能良好，具有良好的产业化和应用前景。

参考文献：

[1] 游战清,李苏剑,张益强,等.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

YOU Zhan-qing, LI Su-jian, ZHANG Yi-qiang,et al. Radio Frequency Identification (RFID) Theoretics and Applications [M]. Beijing: Publishing House of Electronic Industry, 2004.(in Chinese)

[2] Zhang L.An Improved Approach to Security and Privacy of RFID application System[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Wireless Communications Networking and Mobile Computing.Wuhan:IEEE, 2005:1195-1198.

[3] 周晓光,王晓华.射频识别(RnD)技术原理与应用[M].北京：北京人民邮电出版社,2006.

ZHOU Xiao-guang,WANG Xiao-hua.Techno-principle and application example of the Radio Frequency Identification[M].Beijing:People′s Posts and Telecom Press,2006.(in Chinese)

[4] 章晓卿,刘中元,彭雁.非接触式RFID读写器系统的研究[J].国外电子元器件,2006(2):15-17.

ZHANG Xiao-qing,LIU Zhong-yuan,PENG Yan.Study of contactless RFID reading/writing system[J]. International Electronic Elements,2006(2)：15-17.

[5] 杨文忠.射频卡读写器的工作原理与设计[J].电脑知识与技术(学术交流),2006(2):197-198.

YANG Wen-zhong.The Designation of a Parctical RF Card Reader[J].Computer Knowledge and Technology(Academic Exchange), 2006(2):197-198.(in Chinese)

[6] 陈志雄.射频识别技术RFID发展的前景及应用分析[J]. 金卡工程,2004,8(12):55-58.

CHEN Zhi-xiong.The prospects for the development and the application of radio frequency identification technology[J].Cards World,2004,8(12):55-58. (in Chinese)