專利名稱：基于ZigBee技術的無線電子顯示標簽系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于無線通信技術領域，具體涉及采用電腦、嵌入式控制器和基于 ZigBee (紫蜂)技術的無線通信電子顯示標簽系統。
背景技術：
目前我國幾乎所有的超市及賣場的物價標簽都采用傳統的紙制卡片式標簽，上面 印有各種相應商品的價格等相關信息，每當某一些商品的相關價格或商品信息需要變更時 就得需要人工重新制作新的卡片標簽，換下原來舊的卡片標簽，被更換的卡片將廢棄不用， 一個大型超市擁有上萬種商品，按每種商品平均每年需要四到五張卡片標簽，一個大型超 市平均每年需要消耗五萬張左右卡片標簽，而一棵生長20年的樹木可以造出3000張A4 紙，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樹木，全國數以萬計的超市 每年將消耗好幾片森林。同樣需要頻繁更換卡片信息的還有一些比較正式的會場及倉儲管 理等，目前的會場座位安排通常同樣采用紙質卡片式標簽上印有各位來賓和單位名稱來確 保參會人員的有序準確的入座。目前這種紙質信息卡片標簽存在更改不便和人力、資源的 浪費，新的信息標簽系統有待開發。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通 信技術或無線網絡技術，主要適合于承載數據流量較小的業務，可嵌入各種設備中，同時支 持地理定位功能。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和成本的技術， 也是目前嵌入式應用的一大熱點。ZigBee技術具有以下特點①低功耗由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為lmW，而且采用了休眠模式， 功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長 達6個月到2年左右的使用時間，其功耗遠遠小于其它無線設備。②成本低=ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1. 15-2. 15 美元，并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。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15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于 對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。④網絡容量大一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納65535個從設備和一個 主設備，而且網絡組成靈活。⑤可靠采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙， 避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包 都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。⑥覆蓋范圍廣覆蓋范圍在10m_75m，在增加RF發射功率后可增大數據傳輸距離。⑦安全=ZigBee提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持 鑒權和認證，采用了 AES — 128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee的這些特點非常適合于用來組建通信速率不高的短距離無線網絡。ZigBee技術2501ApS的通信速率完全能夠滿足超市賣場的物價電子顯示和會場的座位安排顯示 標簽通信的需求，因此選擇ZigBee技術構建超市賣場物價電子顯示和會場座位安排顯示 標簽系統將成為現代化超市賣場和會議會場的又一亮點，必將給現代化超市賣場和會議會 場帶來一場新的變革。
發明內容本實用新型的目的是在于解決目前超市賣場及會議會場等紙制卡片式標簽存在 的不足，提供更環保、經濟、方便快捷和工作效率更高的基于ZigBee技術的信息可頻繁刷 新無線電子顯示標簽系統。本實用新型提出了一種基于ZigBee技術的信息可頻繁刷新無線電子顯示標簽系 統，這種信息可頻繁刷新無線電子顯示標簽系統只需一次性投入，就可以反復利用，商品價 格信息的變更或會場的不同時段不同會議的來賓座位安排和變更，不再需要人工制作和更 換新的信息標簽，只需在主控制室通過計算機更改相關商品價格信息或會場指定座位上的 標簽顯示，通過嵌入式控制器將相關需要更改的信息利用ZigBee無線信號傳送給各個安 裝在超市貨架上或會場各個座位上的ZigBee接收終端，接收終端將接收的信息通過LCD液 晶顯示屏顯示，用顯示屏顯示商品信息和座位安排來代替傳統紙制標簽，通過在計算機上 更改商品或座位信息用無線發送方式代替人工制作更改和張貼標簽。本實用新型所采用的技術方案是一種基于ZigBee技術的無線電子顯示標簽系統，是由ZigBee電子顯示標簽節點， 連接ZigBee無線網絡的網關以及管理中心構成；管理中心與ZigBee無線網絡網關通過有 線連接，ZigBee無線網關與ZigBee電子顯示標簽節點通過ZigBee無線技術自組網通信連 接。所述的ZigBee電子顯示標簽節點為一嵌入式系統，集成了 ZigBee RF收發器、微 控制器(MCU)以及IXD顯示屏，他們彼此互聯，可實現運行應用程序、數據處理、數據存儲 以及無線通信。所述的連接ZigBee無線網絡的網關為一嵌入式系統，集成了 ARM處理器和ZigBee RF收發器，他們彼此互聯，可實現運行應用程序、數據處理、數據存儲以及和ZigBee電子顯 示標簽節點的自組網功能。所述的管理中心包括計算機、網絡交換機和服務器；用于保存各對應ZigBee電子 顯示標簽節點歷史數據信息和當前顯示信息以及各顯示節點當前工作狀態，計算機提供豐 富便捷的人機交換界面，管理人員通過計算機隨時可更改各對應電子顯示節點所需要顯示 信息亦可調用查看歷史顯示數據信息和各對應顯示節點當前工作狀態，作為遠程管理控制 中心。更具體地，ZigBee無線網絡的網關電路結構如圖1所示高速接口包括USB接 口和網卡接口，通過連接線與控制邏輯電路相接，控制邏輯電路的數據地址線通過連接線 分別與ARM處理器中的數據地址總線相接及數據程序擴展寄存器相接，晶振通過連接線與 ARM處理器中的參考時鐘輸入相接，為ARM提供外部時鐘。ARM處理器中的主復位輸入通過 連接線與看門狗電路相連接，ZigBee協議棧中的IEEE 802. 15. 4MAC與ZigBee RF收發器 中的SPI控制器通過連接線相連接。[0020]ZigBee電子顯示標簽節點電路結構如圖2所示=ZigBee RF收發器中的SPI控制 器與微處理器中ZigBee協議棧中的中間協議層的IEEE 802. 15. 4MAC相連接，IXD顯示屏 通過連接線與微處理器中的IXD驅動器相連接。其具體工作原理是ZigBee無線網絡的網關接收從PC機控制接口輸入控制命令 信后，經過ARM處理器進行數據分析，然后將數據發送到ZigBee RF收發器SPI控制器，RF 收發控制器通過模擬發射器和天線將信號發送出去，ZigBee電子顯示標簽節點RF收發器 通過天線和模擬接收器接收主機發送的無線信號，通過SPI控制器傳送給從機微處理器中 ZigBee中間協議層IEEE 802. 15. 4MAC，然后再通過顯示應用電路驅動IXD顯示。PC機通 過ZigBee無線網絡的網關發送的超市賣場商品價格和促銷等相關信息或會議會場各個座 位安排和布置，電子顯示節點模塊RF收發器可通過模擬發射器和天線將電子顯示的信息 反饋給主機控制器，實現各從機收發器節點信息的實時監控，以確保發送的信息到指定節 點的準確顯示。本實用新型采用無線通信技術，具有傳輸距離遠、不需正對的優點，可以對超市賣 場或會議會場中任意位置的標簽通過從機節點進行無線控制更改標簽顯示信息。本實用新型使得超市賣場價格管理輕松，價格更加準確，標價簽能被實時監控，當 需要更改批量的標簽信息只需在幾秒內完成，使工作人員的工作量減少，提高工作效率，各 從機標簽節點采用太陽能設計，利用太陽能供電，節省電源，使普通的電池可以有更長的使 用壽命。無線通信技術符合IEEE802. 15. 4協議，每個控制模塊唯一地址編碼，避免了相互 沖突，確保通信可靠。該系統還可以與其他符合標準的產品互聯，具有良好的通用性和可擴 展性。
圖1 =ZigBee無線網絡的網關控制器原理結構圖圖2 =ZigBee電子顯示標簽節點原理結構圖圖3 =ZigBee無線網絡的網關控制器程序流程圖圖4 =ZigBee電子顯示標簽節點收發器模塊程序流程圖圖5 :CC2430中斷處理過程的流程圖圖6 :MCU初始化過程的流程圖圖中標號1PC端控制指令輸入，2高速接口，3控制邏輯電路，4PC控制接口， 5數據地址總線，6數據和程序擴展寄存器，7參考時鐘輸入，8晶振，9主復位輸入， IOZigBeeNWK, IlIEEE 802. 15. 4MAC, 12電源管理，13復位/看門狗電路，14接收基帶，15SPI 控制器，16發射基帶，17模擬接收器，18頻率發生器，19模擬發射器，20電源管理，2IARM處 理器，22ZigBee RF收發器，23天線，24ZigBee RF收發器，25微處理器，洸天線，27模擬接收 器，28頻率發生器，29模擬發射器，30電源管理，31接收基帶，32SPI控制器，33發射基帶， 34 顯示應用電路，35ZigBee NWK,36IEEE 802. 15. 4MAC，37LCD 驅動器，38LCD 顯示屏。
具體實施方式
一、系統硬件電路設計[0033]整個系統主要由三部分組成，即管理中心、ZigBee無線網絡的網關和ZigBee電子 顯示標簽節點。ZigBee無線網絡的網關采用三星公司的ARM9微處理器S3C2410X為主CPU，它 是Samsung公司推出的基于ARM9TDMI核，精簡指令系統的16/32位高速微處理器。以 S3C2410X為核心，外圍擴展一系列功能模塊。嵌入式ARM處理器通過SPI總線和一些離散 控制信號與ZigBee RF收發器相連，處理器實現了 IEEE 802. 15. 4MAC子層和ZigBee協議 層，還包含了特定應用的邏輯，并且使用SPI總線與RF收發器交互。ARM處理器主要用于 射頻信號控制和協調各部分器件的工作，具體來說就是負責比特流調制和解調后的所有比 特級處理，控制RF收發器等。ZigBee電子顯示標簽節點采用chipcon公司的CCM30芯片，CC2430使用了一個 8位MCU(8051)，具有U8KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含了模擬數字轉換器(ADC)、幾 個定時器(timer)、AES_U8協同處理器、看門狗定時器(watchdog-timer)、32KHz晶振的休 眠模式定時器，上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳，同時該芯片集成符 合IEEE802. 15. 4標準的2. 4GHz的RF無線收發器，通過MCU的IXD驅動器與IXD顯示器相 連，用來顯示RF收發器接收來至主機控制器發來的信息。二、系統軟件設計及實現系統軟件分為3層系統平臺層、協議層和應用層。系統平臺層通過應用程序接口 (Application Programming Interface, API)來給協議層提供服務。協議層實現物理層、 鏈路層以及基于ZigBee的網絡層協議。應用層通過API來調用協議層提供的服務，實現網 絡的管理和數據傳輸等任務。軟件所要實現的功能包括系統初始化(包括MCU的初始化和 CC2430的初始化)、通信協議棧、系統應用程序等。1.系統主程序設計ZigBee無線網絡的網關和ZigBee電子顯示標簽節點的程序流程圖分別如圖3和 圖4所示。2.中斷和初始化程序設計 CC2430中斷處理過程和MCU初始化過程的流程分別如圖5和圖6所示。三、通信幀協議采用基于IEEE802. 15. 4協議的通信控制方式，網絡采用星型拓撲結構。IEEE802. 15. 4數據幀格式如表1所示。表1數據通信幀格式
前導序 列幀開始分 隔符幀長度幀控制序列號地址幀負載檢驗 序列4BIBIB2BIB8BnB2BPHY 層物理層幀第一個字段是四個字節的前導碼，收發器在接收前導碼器件，會根據前 導碼的序列的特征完成片同步和符號同步。幀起始分隔符(start-of-frame delimiter,SFD)字段長度為一個字節，其值固定為0XA7，標識一個物理幀的開始。幀長度(frame length)由一個字節的低7位表示，其值就是物理幀負載的長度。物理幀的負載長度可變 (<=127)，稱之為物理服務數據單元(PHY service data unit, PSDU)MAC 層IEEE 802. 15. 4/ZigBee幀結構的設計原則是保證網絡在有噪聲的信道上足夠健 壯傳輸的同時將網絡的復雜性降到最低。每一后繼的協議層都是在其前一層添加或者剝除 了幀頭和幀尾而形成，幀結構如表1所示。 每個MAC子層的幀都是由幀頭、負載和幀尾三部分組成。幀頭由控制信息、幀序列 號和地址信息組成。MAC子層負載具有可變長度，具體內容由幀類型確定，幀尾市幀頭和負 載數據的16位CRC校驗序列。每個通信模塊有唯一的64 (8字節)位IEEE地址，在組網時自動分配16位Q字 節)網絡地址包括一個主機控制器節點和若干個(< 65536)從機收發器節點。這樣，可組 成最大65536個節點的局域網。四、指令/數據表指令/數據信息裝載在負載(不超過127個字節)中傳遞，負載數據的第一個字 節為控制模塊支路編號，每個模塊可控制最大256路支路。初始化時生成控制網絡信息表，每個從機收發器節點預存有本節點種類、支路和 控制指令信息。在初始化時，從機收發器節點將本節點信息傳遞給主機控制器，并將模塊標 識信息和控制指令存入指令表，以建立控制網絡信息表。正常工作時從機收發器節點接收主機控制器的指令，做出相應操作后發揮確認信 息或數據信息。主機控制器發送下行指令，采用表2所示的格式，指令采用64個字節，另有 32個字節作為指令說明。表2指令/數據格式
權利要求1.一種基于ZigBee技術的無線電子顯示標簽系統，其特征在于=ZigBee電子顯示標簽 節點(40)，連接ZigBee無線網絡的網關(39)以及管理中心(1)；管理中心(1)與ZigBee無 線網絡網關(39)通過有線連接，ZigBee無線網關(39)與ZigBee電子顯示標簽節點00) 通過ZigBee無線技術自組網通信連接。
2.根據權利要求1所述的基于ZigBee技術的無線電子顯示標簽系統，其特征在于所 述的ZigBee電子顯示標簽節點00)為一嵌入式系統，集成了 ZigBee RF收發器(M)、微控 制器(MCU) (25)以及LCD顯示屏(38)，他們彼此互聯，實現運行應用程序、數據處理、數據存 儲以及無線通信。
3.根據權利要求1所述的基于ZigBee技術的無線電子顯示標簽系統，其特征在 于所述的連接ZigBee無線網絡的網關(39)為一嵌入式系統，集成了 ARM處理器Ql) 和ZigBeeRF收發器0 ，他們彼此互聯，實現運行應用程序、數據處理、數據存儲以及和 ZigBee電子顯示節點00)的自組網功能。
4.根據權利要求1所述的基于ZigBee技術的無線電子顯示標簽系統，其特征在于所 述的管理中心(1)包括計算機、網絡交換機和服務器。
專利摘要本實用新型涉及一種基于ZigBee技術的無線電子顯示標簽系統，是由ZigBee電子顯示標簽節點，連接ZigBee無線網絡的網關以及管理中心構成；管理中心與ZigBee無線網絡網關通過有線連接，ZigBee無線網關與ZigBee電子顯示標簽節點通過ZigBee無線技術自組網通信連接。本實用新型采用無線通信技術，具有傳輸距離遠、不需正對的優點，可以對超市賣場或會議會場中任意位置的標簽通過從機節點進行無線控制更改標簽顯示信息。使工作人員的工作量減少，提高工作效率，各從機標簽節點采用太陽能設計，利用太陽能供電，節省電源，使普通的電池可以有更長的使用壽命。
文檔編號H04W84/18GK201854441SQ201020292688
公開日2011年6月1日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者沙國榮, 趙不賄 申請人:江蘇大學