2014, Vol. 31
商场和超市的货架都会摆放展示商品信息(商品名称、价格、规格等)的货架标签(俗称价格牌).一个典型的商场或超市具有数百个到上万个标签不等.由于标签数目多，更新过程涉及大量人工操作，无法快速更新商品价格等信息.为了提高货架标签的更新效率，避免人工操作错误，可采用基于物联网技术[1-4]的电子货架标签(Electronic Shelf Label，简称ESL)，通过系统服务器集中控制ESL的运行与显示更新.电子货架标签系统实现的功能和要求包括：可长时间显示相对固定的信息；可自动更新显示新的内容，如商品价格变动、促销信息等；可不需或极少进行充电操作情况下，长期低功耗连续使用；通过无线网络进行数据通信，方便使用者灵活摆放；可进行相关传感器数据的采集工作，如温度、湿度等.
可见，电子货架标签系统设计的难点是如何降低ESL的运行功耗，延长使用时间，以及如何有效控制ESL按时按需切换运行状态.可通过低功耗显示技术[5-6]、低功耗通信技术[7-10]、低功耗硬件系统设计、低运算量运行逻辑、低功耗系统运行策略等方法，降低ESL的运行次数及功耗，以延长可持续使用时间；可设计多种系统运行策略有效控制ESL按时唤醒、通信和更新.
本文讨论如何采用相对时间[11]的无线电子货架标签休眠方法，降低系统通信数据量、系统设计复杂度、ESL运算量、ESL运行次数，同时加强系统稳定性、通信出现异常时系统的鲁棒性并有效地控制ESL运行.
1 无线电子货架标签的时钟控制问题 1.1 系统结构与系统特征按照物联网的划分原则，本系统感知层由无线ESL构成；网络层由无线接入点(简称AP)与TCP/IP网络及通信服务器构成；应用层由管理服务器、管理系统与数据库系统构成.图 1所示为无线电子货架标签系统的系统架构图.
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图 1 无线电子货架标签系统架构图 Figure 1 Framework of wireless electronic shelf label system |
无线电子货架标签系统具有节电与有效控制的特定需要，具有以下的运行特征：
(1) 双模态.无线ESL是整个系统的最前端，具有双模态的特性，其运行状态分为工作与休眠两种.当处于休眠状态时，ESL中除了维持微控制器模块工作外，切断其余模块的供电，处于低耗能状态.ESL只能在在唤醒后才能建立与服务器的连接，接收设置信息与更新数据.
(2) 异步时钟控制.各ESL内部都有独立的时钟，用于控制ESL的状态转换及各模块的正常运作.因此，整个无线电子货架标签系统中的各部分都是异步工作的.
(3) 节电要求高.由于正常工作时ESL仅使用内置电池供电.为了降低耗电量, 特别是无线通信的耗电量，延长ESL工作时间，省电是关键设计目标之一.
(4) 通信不可靠.ESL通常使用ZigBee[12-15]、Bluetooth[16]等无线网络协议通过无线接入点(简称AP)与上位机通信.ESL工作在全球通用的2.4 GHz频段，因此存在干扰、通信距离、通信稳定性等问题.在网络不稳定情况下，ESL不断进行通信重试操作，较为耗电.
(5) 时分队列.由于ESL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甚至上万个ESL，而只有一个或数个AP.ESL醒来时会请求连接AP，并与上位机通信，而每个AP一般同时只能为一个ESL提供连接服务，因此其余醒来并请求连接的ESL都只能等待系统中出现空闲的AP.长期处于等待网络连接或不断进行连接重试的ESL会维持较高的耗电量.无论众多ESL的冲突问题多么严重，对于服务器来说，与ESL的通信(单个通信通道)是一个时分队列操作.
因此，电子货架标签系统的时钟控制和运行模式控制是关键因素，需要解决以下重要问题：如何管理众多异步ESL的时钟？如何相对准确且简单地控制众多ESL的运行状态，指挥ESL何时休眠、何时唤醒并与上位机通信？如何设计高效的ESL休眠策略，提高ESL醒来时请求连接时系统中AP的空闲几率，减少ESL等待AP服务的时间，从而降低ESL耗电量？
ESL内部微控制器的时钟可以采用两种计时方式：第一种是现实世界的绝对时间，即“时:分:秒.毫秒”，如18:23:38.825；另一种是以进入休眠状态时为开始计算的相对时间，可以简单地用毫秒计算，既可正计时，也可以倒计时.需要指出的是，前者在硬件级别也是采用毫秒进行正计时或倒计时计算的，这与后者是一致的.但是，由于各个ESL的时钟是异步的，如何在存在时钟误差及与服务器通信异常的情况下控制ESL在恰当的时间唤醒，是必须详细分析和处理的问题.
1.2 绝对时间控制方法在绝对时间[17]控制方法中，每个ESL都具备本地时钟，并且尽量保持时钟与服务器一致，根据服务器下发的指令进行工作状态的切换.服务器下发指令也可分为两种：一种是服务器下发指定时间的指定工作指令，如“在某时刻从休眠状态切换至工作状态”，ESL根据本地时间执行相应操作；另一种是服务器下发工作策略，如每天哪些时刻进入何种工作状态，ESL根据策略和本地时间，自行处理工作状态的转换.
由于各个ESL的时钟都是异步工作的，且与上位机的通信是不连续的，若在ESL中使用实际日期与时间控制其工作与休眠状态的转换，则必然要同步各ESL的时钟.在多层结构、网络连接不稳定、终端数目众多的分布式传感网络中，要实现众多ESL的异步时钟精确同步，大大增加了通信成本和系统设计难度.如图 1所示，时间信息从服务器下发过程中，需要经过通信服务器、AP等多个环节的转发，在不稳定的、传播延迟较大的无线网络中，不能完全避免各时钟存在误差.而且，在使用通信缓存机制的体系结构下，必然存在更大误差.
图 2所示为一个基于绝对时间控制方法的ESL的工作流程图，该设计为笔者已实现的另一款电子货架标签.
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图 2 基于绝对时间控制方法的ESL工作流程图 Figure 2 Workflow of absolute-time based electronic shelf labels |
基于绝对时间控制的电子货架标签系统中，每个ESL具有独立的时间及运行策略，在网络故障情况下，仍然能按照既定策略进行工作.但是，基于绝对时间控制的系统具有较多缺点：
(1) 必须进行全网范围的时钟同步，增大了整个系统的设计复杂度和通信数据量.
(2) 必须进行系统运行参数和运行策略的同步，而由于ESL只能在与服务器连接时才能更新运行策略，因此很难用统一的规则进行处理.
(3) ESL需要通过系统时间、系统运行参数与系统运行策略，自行计算休眠时长，大大增加了ESL的运算工作量和工作时长，如果运行策略复杂，势必给ESL增大运行压力，甚至导致原有的硬件设计不足以支持新的运行策略要求.其“胖”设计会导致存储要求高、运行时间长、耗电高.
(4) 需要同步数据类型多，通信数据量大.在不稳定网络情况下，会较多出现多个ESL、多种类型数据不同步的问题.
(5) 当系统策略改变，系统中部分ESL已经更新，而部分还没更新或无法更新时，会造成系统策略不一致、不可控的问题.
(6) 系统运行策略保存于ESL存储模块中，更新运行策略时通过下发运行参数和运行策略以满足不同实际环境的应用需要.一旦原来的设计不足以应对新的要求，或系统策略发生根本性改变，系统就会面临无法适应的局面.
1.3 相对时间控制方法相比绝对时间控制方法，基于相对时间的ESL具有更低的算法复杂度和更简单的程序逻辑，其工作负担和工作时长大大减少.本文主要讨论基于相对时间控制的ESL，其工作流程如图 3所示.
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图 3 基于相对时间控制方法的ESL工作流程图 Figure 3 Workflow of relative-time based electronic shelf labels |
基于相对时间的电子货架标签系统具有多种优点：
(1) 不需进行时钟、系统运行参数和运行策略的同步，降低了系统设计复杂度、通信数据量、ESL通信次数和时间.
(2) 运行策略由应用层服务器统一部署与计算，可扩展性好、容错性高，可根据不同ESL数量规模和实际需要，动态调整系统运行策略.
(3) ESL的硬件要求低，不需耗费大量运行时间和硬件资源用于同步系统时间与系统运行策略，计算休眠时长，符合系统节电、“瘦”客户端设计的要求.
(4) 双模态设计的ESL，无论处于工作还是休眠状态，其运算量及工作时长都大大缩短，可以有效节电，延长ESL的可持续工作时间.
可见，无线电子货架标签采用相对时钟可以极大地简化系统设计的复杂度，减少ESL的工作量及耗电量，增加通信出现异常时系统的鲁棒性.
2 采用相对时间的无线电子货架标签休眠方法无线电子货架标签系统使用相对时间是鲁棒性更好的方案，这种采用相对时间的异步时钟管理方法不需要同步各ESL的时钟，即服务器端计算总的运行时长(精确到秒或毫秒)，可方便地设定下次状态变化的相对时长，ESL按服务器指令切换运行状态，并允许各ESL的计时存在一定误差.例如，ESL与上位机通信时若收到“60s后醒来”的指令，则ESL进入休眠状态，在60s后自动唤醒并重新进入工作状态.
2.1 ESL的结构及工作模式如图 4所示，本ESL设计包括多个模块：驱动电泳式电子纸刷新与显示的显示模块；能与采用蓝牙4.0的AP进行通信的无线通信模块；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的传感器模块；用户手动激活、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.
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图 4 ESL主要模块 Figure 4 Major modules of the electronic shelf label |
在休眠时间内，通信、显示、传感器模块与电源模块断开，电源模块单独给微控制器进行供电.由于不需要进行复杂的工作策略运算，只需要简单的按照服务器给出的休眠时长进行休眠，则硬件部分只是以一个简单的计数器模块运行，耗电非常低.
2.2 系统工作流程系统完成一次通信过程的工作流程如图 5所示.ESL采用双模态方式工作，其通信只能由处于工作状态的ESL发起，而处于休眠状态中的ESL是不能建立与服务器通信的，因此无法通过服务器主动推送更新.
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图 5 系统工作流程 Figure 5 Workflow of the electronic shelf labels system |
ESL除了按照服务器指定的休眠时长唤醒，还有不定期的人为唤醒操作，因此ESL每次从数据服务器获取的下一次休眠时长参数，需要由数据服务根据当前服务器时间及设定的工作策略即时进行计算.ESL在得到服务器端发送的休眠时长后，还需要对该休眠时长作偏移计算(如图 5所示)再进入休眠状态.
2.3 时分队列算法当ESL进入工作状态，并成功建立与服务器的通信后，服务器需要根据系统的具体情况设定该ESL的(即将)休眠时长.由于系统中AP设备的数目相对ESL数目较少，而且每个AP设备同时只能为某一ESL提供通信连接，所以ESL的休眠时长必须设置合理，使得系统中各个ESL唤醒后无需长时间广播即可得到AP的服务.另外，由于ESL的休眠时长是在上一次唤醒时从服务器获得的，因此服务器必须综合考虑多种因素，预见性地设置某一ESL的休眠时长.
影响休眠时长的主要因素包括：系统中ESL的平均工作时长tw、系统所含ESL数目n及AP设备数目m.所有ESL更新一次所需最短时间，即更新周期Tu的最小值
| $ {{\tilde T}_{\rm{u}}} = n{{\bar t}_{\rm{w}}}/m. $ |
但是在实际应用环境中，通信可能会出现异常，ESL需要重新建立与服务器的连接；若仍然连接不上，则需要继续尝试.因此，还应当预留给单个ESL通信比tw大的时间窗口，以增加通信的成功率，并解决冲突.假设ESL每次尝试与服务器连接出现异常或连接不上的概率恒定为μ，则更新周期Tu可以表示为
| $ {T_u} = \beta ({{\tilde T}_{\rm{u}}} + \mu {{\tilde T}_{\rm{u}}} + {\mu ^2}{{\tilde T}_{\rm{u}}} + \ldots ) = \beta {{\tilde T}_{\rm{u}}}/\left( {1 - \mu } \right), $ |
其中β是调整参数.因此，每个ESL的休眠时间ts取值应当满足
| $ {t_{\rm{s}}} \ge {T_{\rm{u}}}, $ |
这样才可以在尽量短的时间内完成所有ESL的更新.
根据时间队列策略计算后，会得到如图 6所示的时间队列(取β=3)，每个ESL安排好既定的工作时间窗口.
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图 6 时间队列 Figure 6 Time-sharing queues |
通过时分队列策略计算，每个ESL已分配好工作时间窗口以避免通信冲突的频繁发生，但服务器端生成的休眠时长从数据服务器发出到ESL接收经过了较多通信环节(如图 5所示)，必然产生通信延迟.在无线网络较不稳定情况下，该延迟还会增大.因此，服务端应考虑通信延迟，对休眠时长数值进行预处理后再发送给ESL.于是定义通信窗口Δtcw，可以通过服务器端统计发出更新数据与收到反馈之间的时间差计算得到
| $ \Delta {t_{{\rm{cw}}}} = {t_{{\rm{feadback}}}} - {t_{{\rm{updats}}}}, $ |
其中tupdate是服务器发出更新数据(或运行参数)的时刻；tfeadback是服务器收到ESL反馈的时刻.或者Δtcw也可以等效地通过统计相关流程步骤的时长得到
| $ \Delta {t_{{\rm{cw}}}} = \Delta {t_{{\rm{update}}}} + \Delta {t_{{\rm{esl}}}} + \Delta {t_{{\rm{feedback}}}}, $ |
其中，Δtcw=Δtupdate是服务器发出更新数据抵达ESL的通信时长. Δtesl是ESL更新显示内容与采集运行数据的时长. Δtfeedback是反馈报文从ESL发出到抵达服务器的时长.因此，可以得到
| $ \Delta {t_{{\rm{update}}}} = \Delta {t_{{\rm{cw}}}} - \Delta {t_{{\rm{esl}}}} - \Delta {t_{{\rm{feedback}}}}. $ |
因tfeedback、tupdate和Δtesl都可以比较方便准确地测量，于是可进一步得到
| $ \Delta {t_{{\rm{update}}}} = {t_{{\rm{feedback}}}} - {t_{{\rm{update}}}} - \Delta {t_{{\rm{esl}}}} - \Delta {t_{{\rm{feedback}}}}. $ |
统计所有ESL的服务器发出更新数据抵达ESL的通信时长，即可得到平均服务器发出更新数据时长
| $ {\overline {\Delta t} _{{\rm{update}}}} = \frac{1}{n}\sum \Delta t_{{\rm{feedback}}}^i, $ |
其中Δtupdatei是第i个ESL的服务器发出更新数据抵达ESL的通信时长.
服务器计算并下发ESL的休眠时长
| $ \Delta {t_{{\rm{server}}}} = {t_{\rm{s}}} - {\overline {\Delta t} _{{\rm{update}}}}, $ |
其中ts是ESL(计划)休眠时间.
在得到服务器发送的休眠时长后，ESL还需要对该休眠时长作偏移计算(如图 5所示)，原因在于ESL每次工作的工作内容、通信时长是不同的，因而每次的运行时间是不同的，需根据实际情况(如是否有显示更新、通信数据量大小、网络优劣状况等)进行偏移计算.于是实际休眠时长
| $ \Delta {t_{\rm{s}}} = \Delta {t_{{\rm{server}}}} - \Delta {t_{{\rm{offset}}}}, $ |
其中，Δtserver是服务器计算休眠时长；Δtoffset表示时间偏移量，即ESL获得服务器发送的休眠时长后继续工作(直到进入休眠)的时长.一般地，可设Δtoffset=Δtesl.
3 测试与分析图 7所示是根据本文设计的无线ESL，该ESL采用2.1英寸电泳式电子纸以点阵形式进行显示，分辨率为172×72像素；采用蓝牙4.0通信模块，通信距离约为10 m；电池容量为500 mAh；外观尺寸为39 mm×30 mm×5 mm.如图 8是测试用的AP，采用基于ARM Cortex-A7和Mali400mp2 GPU架构的全志A20双核移动应用处理器，使用Android 4.2.2操作系统，带有蓝牙4.0通信模块.
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图 7 无线电子货架标签 Figure 7 Two proposed wireless electronic shelf labels |
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图 8 无线AP设备 Figure 8 A proposed wireless access point device |
系统测试使用50个ESL，1个AP，按照休眠策略，设定以下测试数据：取ESL平均工作时长(预估值)
tw=8(s), ESL数目n=50，AP设备数目m=1，因此更新周期Tu的最小值
测试结果如表 1所示，可以看到当采用了时分队列策略后，虽然更新周期Tu比没有采用时分策略的长，但冲突重试次数、每个ESL的工作时长都明显降低.另外，在本次测试中，由于ESL数量较多及实际网络情况差异，ESL的实际平均工作时长比预估的ESL平均工作时长tw要高，没有采用时分策略的尤甚.同样是采用时分队列策略，β的取值不同，也会带来冲突重试、平均工作时长的显著变化.
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表 1 测试结果 Table 1 Experiment results |
为降低ESL功耗，延长使用时间，有效控制显示更新，本文提出的采用相对时间的无线电子货架标签休眠方法，降低了系统通信数据量、系统设计复杂度、ESL运算量，增加了通信出现异常时系统的鲁棒性并有效控制ESL运行.对比绝对时间控制方法与相对时间控制方法，策略性地采用相对时间的无线电子货架标签休眠方法.讨论了ESL的结构与工作模式，设计了系统工作流程.针对相对时间控制方法的时分队列计算方法和相对时间休眠策略给出了思路和方法.从实验结果可知，该系统能满足应用场合的功能需求，达到了较低的耗电和较好的运行控制.
另外，针对不同网络环境和不同规模的应用场景，对系统的运行策略及参数会有不同的调整.在不同ESL数量规模、不同AP数量及配置、不同网络通信质量环境下，如何最大程度优化使得更新周期Tu最小化，减少队列总时长，是需要进一步测试和讨论的内容.如何通过实际运行数据，动态计算符合实际运行情况的ESL平均工作时长tw、更新周期最小值
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