2014, Vol. 31
商场和超市的货架都会摆放展示商品信息的货架标签(俗称价格牌)，向顾客展示商品的名称、价格、规格、质检等信息.通常这些信息是从POS系统中导出，打印成纸质标签，并由专人替换掉货架上的旧标签.典型的商场或超市通常具有数百个到上万个纸质标签，更新过程必须通过手工操作，效率很低，既不能随时更新商品信息，也不能重复使用.更严重的是，人工操作极易造成商品信息有误、摆放位置不对等差错，需另由专人检查与更正.
为了提高货架标签的更新效率，避免手工操作引入的差错，可采用基于物联网技术[1-2]的电子货架标签，并通过系统服务器集中控制与管理.这种电子货架标签系统需要具备以下基本特性：
(1) 可自动更新显示内容，包括文字与图案，如商品名称、价格、规格说明、条码或二维码.
(2) 功耗低，能长时间显示相对固定的内容，依靠内部电池能连续工作数月甚至数年而无需充电.
(3) 体积与普通纸质标签相若，便于摆放和阅读.
(4) 正常运行状态下无须连接电源线和数据线，可通过无线网络与服务器交换数据.
(5) 可增加温度、亮度等传感器.
电子标签需要典型的无线传感器网络[3-7].由于降低电子货架标签的功耗并延长使用时间是其设计的难点，应当采用低功耗的显示[8-9]和通信技术[10-13]，也必须根据需求特点恰当地安排标签的工作模式，尽量降低能耗.近年来，出现了多种新型的低功耗显示技术，其中电泳式电子纸技术[8-9]具有多种优点，如无需背光、多级灰度、观看效果与普通纸类似等特性.由于电子纸只在显示内容变更时才需要耗电，平均功耗比普通点阵式LCD低得多.另外，蓝牙4.0[14-15]工作在2.4GHz ISM频段，采用快跳频和短包技术，抗干扰能力较强，且采用时分双工传输方案实现全双工传输，能搭建低功耗的无线星型网，是无线电子货架标签连接上位服务器的较佳通信技术.特别地，电子货架标签除了短时间与上位服务器通信及更新显示内容外(约数秒)，相对长时间处于维持固定显示内容且无需通信的状态(一般数分钟至数天)，有必要针对这种特点设计不同的工作模式，以达到省电目的.
本文提出一种采用电子纸与蓝牙技术的双模态电子货架标签系统，将标签的运行状态分为工作与休眠两种状态，使标签可以按照服务器指令按时切换运行状态，以较低功耗实现标签状态汇报、内容更新等功能，满足实际应用的需求.
1 双模态电子货架标签电子货架标签是整个系统的最前端，负责显示与收集信息，间歇性地通过无线网络与上位服务器通信，上传自身状态和感知环境数据，并下载设置命令和显示内容数据，其余时间处于维持显示内容的状态.可见电子货架标签必须具有显示、通信、传感等主要功能.在建立与服务器通信时，通信与传感器两个模块都必须工作，显示模块视工作需要决定是否需要工作, 维持显示阶段则可关闭通信、显示、传感模块的供电.
1.1 标签的主要模块本文提出的电子货架标签采用蓝牙4.0和电泳式电子纸分别作为通信与显示的主要技术，一方面由于蓝牙4.0可在通信双方之间建立可靠的数据连接，且耗电较低；另一方面由于电泳式电子纸维持显示内容时无需供电，可在维持显示阶段节省大量电量.这种标签需包含模块如图 1所示，包括驱动电子纸刷新与显示的显示模块、能通过蓝牙4.0建立与无线接入点(简称AP)的通信并获取服务器数据的通信模块、用于保存各种数据和配置的存储模块、用于采集周围环境参数(如温度)的传感器模块、用户手动激活与重设状态用的按键输入模块、管理供电和充电的电源模块以及控制这些模块协同工作的微控制器模块.其中按键输入模块只有一个复位按钮，在实际部署或出现异常情况时需要手工触发，使标签连接网络并进行初始化工作.
|
图 1 双模态电子货架标签的主要模块 Figure 1 Main modules of the bimodal electronic shelf label |
一个AP可以通过蓝牙连接多个标签，并与若干个标签组成一个星形网.AP根据标签蓝牙模块的MAC地址标识该标签.标签建立与AP的通信要经过广播和连接两个阶段.在广播阶段，标签广播握手信号, 若握手信号获得AP回复，则进入连接阶段，开始交换数据.经通信模块下行的显示内容数据是按照电子纸像素的行列顺序发送和接收的.这些数据必须经过微控制器模块保存在显示模块的显存中，用于电子纸刷新.电子纸刷新后即可断开显示模块供电，其显示内容可以一直保持不变.
1.2 双模态工作典型的商店或超市一天只需更新数次价格信息，而其余时间都无须变更.若将通信和显示更新等高耗能事务放在一起完成，无线电子货架标签在其余时间内仅需维持显示内容和必要的控制，可以极大地降低电源能耗.于是可设定不同的工作模态，即将标签的运行状态划分为工作与休眠两种状态，如图 2所示.标签处于工作状态时，主要完成与服务器交换数据与显示内容更新；处于休眠状态时，主要进行休眠时长计时与维持电子纸的显示内容(显示模块此时无须耗电).
|
图 2 标签的双模态工作流程 Figure 2 Bimodal workflow of the electronic shelf label |
经测试，工作状态的时长主要受到通信时长和电子纸显示内容更新时长的影响，通信模块与上位服务器交换若干kB未经压缩的数据能在10 s内完成.期间标签接收服务器的休眠时长设定命令.进入休眠状态后，标签将在设定的时间苏醒.于是，标签的工作周期可以定义为
| $ T = {T_{\rm{w}}} + {T_{\rm{s}}}, $ | (1) |
其中Tw和Ts分别是工作时长和休眠时长，单位是s.进一步可以定义苏醒率Rw为
| $ {R_{\rm{w}}} = {T_{\rm{w}}}/T. $ | (2) |
可见为了降低能耗，应当尽量降低苏醒率.
这种双模态工作方式的优点是在休眠状态下，只有微控制器模块需要供电，进行休眠时长的计时操作，而通信模块、显示模块和传感器模块则停止工作.采用双模态工作可使得标签在休眠状态下的能耗降到只有工作状态下能耗的数百分之一，极大地延长了电池的工作时间，测试结果如表 1所示.另外，服务器可以计划好各个标签的工作时间，降低标签之间的无线通信干扰，增加标签连接AP的可靠性.
|
表 1 不同苏醒率下标签的预计工作时长(设Tw=8 s) Table 1 Estimated work time of the ESL with different wakeup ratios (Given Tw=8 s) |
采用双模态工作后，由于通信模块只能在标签处于工作状态时发起，而处于休眠状态的标签是不能建立与服务器通信的，因此也无法通过服务器主动推送更新，以降低通信能耗.若标签休眠时间较长，而期间服务器又需要更新标签的显示内容，则必须等待标签苏醒并建立起连接为止.因此，本设计可通过手工按复位按钮激活标签，使得休眠中的标签立刻进入工作状态，建立与服务器的连接.
2 系统架构与工作流程作为整个系统的最前端，电子货架标签上行的数据主要包括自身状态与采集的环境数据，下行的数据主要包括状态设置命令(包括休眠时长)和显示内容更新命令.这些数据都必须通过建立与AP的连接，再访问上位服务器进行.
2.1 动态拓扑的星形局域网若干个电子价格标签与AP构成临时的星形局域网，并进一步通过互联网连接上位服务器.由于标签的数目较多，而AP的数目相对较少.通常一个系统具有成百上千个标签，而只有数个AP.为了增强标签连接AP的可靠性，增加通过广播建立连接的成功率，在实际应用场合中会布置多个AP.因此，这种星形局域网的拓扑是动态的.
标签激活时会请求连接AP，而每个AP一般同时只能为一个标签提供连接服务，因此其余激活并请求连接的标签都只能等待局域网中出现空闲的AP.长期处于等待网络连接的标签会维持较高的耗电量.因此，若设每个标签的工作时长Tw是相同的，则理想状态下将系统所有标签更新一遍的最短时长Φ为
| $ \mathit{\Phi } = n{T_{\rm{w}}}/m. $ | (3) |
其中n是标签数目，m是AP的数目.可见，增加AP数目可有效缩短Φ.
2.2 系统主要模块与通信流程标签连接AP后，AP通过TCP/IP网络连接服务器，并根据标签的MAC地址管理上下行数据的路由.按照物联网的划分原则，本系统感知层由无线电子货架标签构成；网络层由AP、TCP/IP网络和通信服务器构成；应用层由管理服务器、电子价格标签管理系统、POS系统、数据库系统构成如图 3所示.于是，通过TCP/IP网络或互联网连接不同地点的标签系统局域网，可以统一监控与控制标签的运行.
|
图 3 系统分层与模块 Figure 3 System layers and modules |
标签与AP、服务器之间的通信主要流程如图 4所示.标签进入工作状态后，建立与AP的数据连接，向AP汇报自身状态(如剩余电量等)和环境感知信息，并发送更新请求报文.AP可将一定时期内收到的这些标签数据打包，向上层服务器转发.服务器记录相关标签状态，查询更新和状态设置命令(如休眠时长)后回复AP. AP进一步将回复数据转发给相应的标签.标签收到下行数据后，更新显示内容，并设置状态，然后将更新结果反馈给AP和服务器.
|
图 4 电子货架标签更新流程顺序图 Figure 4 Sequential diagram of the ESL update workflow |
标签与上位服务器之间的数据路由经过了AP和若干TCP主机.虽然蓝牙协议保证了标签与AP之间传输层的可靠数据通信，TCP也保证了TCP通信主机之间传输层的可靠数据通信，但是蓝牙或TCP并不能提供标签与上位服务器之间的可靠通信.由于网络连接等影响因素，数据在跨传输层传输过程可能出错，如无法连接下一通信主机，数据可能丢失.因此这种跨传输层的可靠通信必须由应用层的通信方法提供.本系统在通信的两端(标签与上位服务器)之间的每次单向数据传输后，通过反馈确认报文保证这种跨传输层的可靠通信.对标签端而言，若在上述过程中出错，则断开连接，重做上述步骤.
3 系统测试与分析图 5是根据本文设计的无线电子货架标签.参与上述测试的电子货架标签共100个.为减小标签体积，其内部PCB采用了贴片工艺制造，电子纸与电源模块分别通过插槽与PCB连接.该标签采用电泳式电子纸以点阵形式显示不同的文字与图案，分辨率为172×72像素；采用蓝牙4.0通信模块，有效通信距离约为10~20 m；电池容量为500 mAh；外观尺寸为39 mm×30 mm×5 mm.
|
图 5 无线电子货架标签 Figure 5 The electronic shelf label |
经测试，标签睡眠时的电流约为12.1 μA；通信模块处于广播状态时的电流约为450 μA，通信模块处于连接状态时的电流约4~9 mA；苏醒状态的平均电流小于6 mA.当局域网中配备2台AP、100个标签时，平均上传数据量少于1 kB、下传数据量少于10 kB时，平均苏醒时长Tw约为8 s.按照设定的工作周期T，标签可获得不同的电池预期工作时长，如表 1所示.标签只在初次部署时或出现异常时才需要手工按复位按钮激活.系统运行超过1个月，只有极少数时候需要人工激活，而且大多由于无线信号不稳定造成的.因此人工激活操作基本不影响标签的使用寿命.
整个系统的硬件设备(如服务器等)成本平均到每个无线电子货架标签后，约为50元/个，其中电子纸模块约占一半.但若大规模生产，预计标签的硬件成本可以降至10~15元/个.相比之下，每个纸质标签的制作成本仅为0.1元/个.需要更改标签内容时，电子货架标签系统自动从POS读取货品价格信息并更新显示内容，而纸质标签则必须重新制作并手工更换.因此对于一些需要经常更新标签内容的货品，如生鲜、促销类商品，电子货架标签的优势就越发明显.另外，电子货架标签系统基本上只需要初期一次投入，其年营运成本Ce可以看作
| $ {C_{\rm{e}}} = {\overline {nC} _{\rm{e}}}/r, $ | (4) |
其中n是标签数目；Ce是单个电子货架标签的成本；r是使用时长(单位：年).可见r越长，Ce越低.相比纸质标签需要人工管理——通常一个中型超市需要雇佣3至5名员工专职管理纸质标签的打印、更换、核对等工作——还需计入人力成本.因此，纸质标签制作与营运费用的年营运成本Cp为
| $ {C_{\rm{p}}} = 365n{\overline C _{\rm{p}}}/t + {\overline {sC} _{\rm{s}}}. $ | (5) |
其中Cp是纸质标签平均制作成本；t是标签平均更新天数；s是员工数目；Cs是员工的平均年薪.可见，无线电子货架标签系统使用得越久，营运成本越低；纸质标签使用得越久，占营运成本主要部分的人力成本成倍上涨.若一个中型商场或超市通常需要1 000个标签并雇佣4名专职员工，每人的年薪为5万元，则可以得到图 6所示的成本比较结果.可见，电子货架标签具有较大的成本优势，特别是标签的更新频率较高时尤其明显.
|
图 6 不同更新频率下电子货架标签系统与纸质标签的年运营成本比较 Figure 6 Annual cost comparisons between ESL system and paper labels under different update frequencies |
本文提出的系统分层十分灵活，无线局域网可以采用其他技术实现，如WIFI和ZigBee[14, 16-20].WIFI与蓝牙类似，也只能实现单跳网络，无自组网功能，但耗能较高；ZigBee则具有自组网功能，也是低功耗的无线网络技术，但通信量相对比蓝牙大，且路由不固定，造成不同标签的电量消耗不等，难以预计标签的电池预期工作时长.
另外，本文提出的电子货架标签使用蓝牙4.0构造星形无线局域网.虽然采用蓝牙建立的这种星形网是单跳的，但是由于存在多个AP，路由是动态的，造成标签两次与服务器通信所连接的AP可能不同.若每次都需要建立起标签与服务器之间的连接才能通信，会造成服务器负担较重、通信缓慢等问题.另外，标签发出更新申请报文后，需要等待AP获得服务器的回复才能开始更新.若网络不佳，有可能发生标签与AP的连接中断.标签必须重新发出更新请求.这是由于通信需要经过AP、服务器两步递交报文造成的.为增加数据吞吐量，降低标签等待时间，在局域网端增加上下行数据的缓存是加大数据吞吐量的改进方案.
综上所述，本文提出一种低功耗的双模态电子货架标签系统，采用电泳式电子纸与蓝牙模块分别作为显示与通信模块，并策略性地将标签的运行状态分为工作与休眠两种基本状态，使其按照服务器指令按时切换运行状态，以较低功耗实现标签状态汇报、内容更新等功能.从实验数据可知，该系统能满足应用场合的功能需求，达到了较长的电池预期工作时长.
| [1] |
Giusto D, Lera A, Morabito G, et al. The internet of Things[M]. USA New York: Springer, 2010, 15-16.
|
| [2] |
戴明, 雷旭. 物联网技术在交通运输领域应用战略的思考[J].
交通信息与安全, 2012, 30(4): 142-144.
Dai M, Lei X. Strategy of applying internet of things technology in transportation industry[J]. Transport Information and Safety, 2012, 30(4): 142-144. |
| [3] |
张新程, 付航, 李天璞, 等.
物联网关键技术[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2011.
|
| [4] |
刘胜荣, 于军琪. 基于超宽带技术的无线传感器网络[J].
信号与系统, 2006(5): 32-33.
Liu S R, Yu J Q. Wireless sensor network based on UWB technology[J]. Signals and System, 2006(5): 32-33. |
| [5] |
IEEE. IEEE 802. 15. 4 Overview, IEEE P802. 15 Working Group for Wireless Personal Area Network[EB/OL]. (2014-12-18). http//ieeexplore.ieee.org.
|
| [6] |
余永权. 智能家居网络的结构、功能及发展[J].
电子世界, 2002(5): 4-5.
Yu Y Q. Intelligent home network structure, function and development[J]. Electronic World, 2002(5): 4-5. |
| [7] |
盛超华, 陈章龙. 无线传感器网络及其应用[J].
微电脑应用, 2005(6): 10-11.
Sheng C H, Chen Z L. Wireless sensor networks and applications[J]. Microcomputer Applications, 2005(6): 10-11. |
| [8] |
Hayes R A., Feenstra B J. Video-speed electronic paper based on electrowetting[J].
Nature, 2003, 425: 383-385.
DOI: 10.1038/nature01988. |
| [9] |
Zang H M, Liang R C. Microcup electronic paper by roll-to-roll manufacturing processes[J].
The Spectrum, 2003, 16(2): 16-21.
|
| [10] |
吴光斌. 无线传感器网络能量有效性研究[J].
传感器技术, 2004, 23(7): 74-80.
Wu G B. Research of energy-efficiency for wireless sensor networks[J]. Journal of Transducer Technology, 2004, 23(7): 74-80. |
| [11] |
Laneman J N, Tse D N C, Ornell G W W. Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior[J].
IEEE Transactions on Information Theory, 2004, 50(12): 3062-3080.
DOI: 10.1109/TIT.2004.838089. |
| [12] |
Shih E, Calhoun H, Cho S, et al. Energy-efficient link layer for wireless microsensor networks[C]//IEEE Computer Society Workshop on VLSI. Orlando, FL: IEEE, 2001: 16-21.
|
| [13] |
Schurgers C, Srivastava M B. Energy efficient wireless scheduling: adaptive loading in time[C]. Wireless Communications and Networking Conference. [s. l. ]: IEEE, 2002: 706-711.
|
| [14] |
Proakis J. Digital communications[M]. 4th ed. New York: McGraw-Hill Book Co, 2001, 21-22.
|
| [15] |
Haartsen J C. The Bluetooth radio system[R]. IEEE Personal Communications, 2000, 7(1): 28-36.
|
| [16] |
施承. 基于ZigBee协议的无线传感器网络节点的研制[J].
广东通信技术, 2006(1): 9-11.
Shi C. Based on the development of ZigBee protocol for wireless sensor network nodes[J]. Communication Technology, 2006(1): 9-11. |
| [17] |
李秀萍, 赵军辉. ZigBee技术及其应用[J].
广东通信技术, 2006(4): 10-12.
Li X P, Zhao J H. ZigBee technology and its Application[J]. Communication Technology, 2006(4): 10-12. |
| [18] |
奉泽昊, 徐杜. 基于ZigBee和传感器的可穿戴性网络在智能家居网络中的应用[J].
广东工业大学学报, 2007, 24(4): 60-62.
Feng Z H, Xu D. Wearable sensor network applications in smart home network based on ZigBee and sensors[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2007, 24(4): 60-62. |
| [19] |
冯平鸽. ZigBee技术在家庭网络中应用的一种网络模型[J].
河南科技大学学报, 2005(6): 43-45.
Feng P G. A network model ZigBee technology in home network applications[J]. Henan University of Science and Technology, 2005(6): 43-45. |
| [20] |
彭越, 吴多龙, GuillaumeAndrieux, 等. 基于最小能量法的无线传感器网络节点能量有效性研究[J].
广东工业大学学报, 2014, 31(1): 86-90.
Peng Y, Wu D L, Andrieux G, et al. Research on energy-efficiency in wireless sensor networks based on minimum energy coding[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2014, 31(1): 86-90. |