超低功耗電子標(biāo)簽系統(tǒng)

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)，在強(qiáng)有力的市場(chǎng)刺激下，無線射頻技術(shù)發(fā)展迅速， 無線通信技術(shù)也向著低功耗和高速率方向發(fā)展。

近幾年，由于人力成本不斷升高導(dǎo)致公司運(yùn)營(yíng)成本居高不下，因此各行業(yè)都希望引入智能化系統(tǒng)，降低企業(yè)用人成本，進(jìn)而增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)， 零售行業(yè)近些年出現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，但由于人力成本不斷增加， 導(dǎo)致零售行業(yè)的成本亦隨之增長(zhǎng)，為此出現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電子標(biāo)簽系統(tǒng)，以降低人力需求。

1 物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽系統(tǒng)

1.1 電子標(biāo)簽系統(tǒng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)電子標(biāo)簽系統(tǒng)可替代當(dāng)前傳統(tǒng)紙質(zhì)標(biāo)簽。電子標(biāo)簽由紐扣電池供電，通過物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)和標(biāo)簽基站通信，基站則通過 TCP/IP 技術(shù)與前端上位機(jī)軟件通信。當(dāng)客戶需要更改標(biāo)簽顯示內(nèi)容如價(jià)格或保質(zhì)期時(shí)，只需在上位機(jī)軟件輸入待更新的標(biāo)簽 ID 號(hào)，更改完成后點(diǎn)擊下發(fā)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)更新標(biāo)簽中的內(nèi)容。系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示。

1.2 電子標(biāo)簽系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

電子標(biāo)簽在如下方面優(yōu)勢(shì)明顯 ：

(1) 一鍵變價(jià) ：可以快速更改商品價(jià)格，如通過前端上位機(jī)軟件更改對(duì)應(yīng)標(biāo)簽價(jià)格后，系統(tǒng)會(huì)通過基站控制電子標(biāo)簽顯示最新的價(jià)格信息。

(2) 超低功耗 ：系統(tǒng)采用超低功耗設(shè)計(jì)， 若用兩節(jié)CR2450 紐扣電池供電，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作 5 年以上。

(3) 保質(zhì)期管理 ：傳統(tǒng)紙質(zhì)標(biāo)簽無法實(shí)時(shí)同步顯示商品保質(zhì)期，若采用電子標(biāo)簽系統(tǒng)，每天系統(tǒng)可自動(dòng)更新商品的保質(zhì)期。

(4) 庫(kù)存同步 ：傳統(tǒng)的紙質(zhì)標(biāo)簽無法實(shí)時(shí)同步商品的庫(kù)存信息，若采用電子標(biāo)簽，系統(tǒng)每天可自動(dòng)同步商品的庫(kù)存信息。

(5) 生鮮智能變價(jià) ：賣場(chǎng)或超市的生鮮價(jià)格變動(dòng)頻繁， 傳統(tǒng)紙質(zhì)標(biāo)簽無法實(shí)時(shí)變動(dòng)且需要多人對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，若采用電子標(biāo)簽系統(tǒng)則可及時(shí)滿足變價(jià)要求。

(6) 廣告展示 ：采用電子標(biāo)簽系統(tǒng)不僅可以顯示紙質(zhì)標(biāo)簽顯示的內(nèi)容，還可以顯示商品的廣告信息。

2 電子標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)

2.1 電子標(biāo)簽硬件低功耗設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽系統(tǒng)硬件包括六個(gè)主要部分，分別為低功耗控制器系統(tǒng)模塊、低功耗墨水屏顯示模塊、無線通信模塊、FLASH 存儲(chǔ)功能模塊、CR2450 電池模組、RGB 三色 LED 顯示。電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

2.1.1 無線射頻電路低功耗設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，無線通信采用 Silicon 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 Si4438 芯片，其優(yōu)勢(shì)在于發(fā)射功率大、接收靈敏度高、休眠電流小等。無線射頻電路如圖 3 所示。

圖 2 電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

2.1.2  控制系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)控制器采用 ST 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的低功耗 ARM 控制器，內(nèi)核為Cortex-M0 系列芯片。該控制器在休眠模式下時(shí)， RTC 喚醒時(shí)鐘工作功耗最低為 0.8 μA。該控制器內(nèi)部擁有8 KB RAM，64 KB FLASH，2 KB 片內(nèi)E2PROM，2 路SPI 模塊，電路如圖 4 所示 [1-4]。

2.1.3 低功耗顯示屏設(shè)計(jì)

由于電子標(biāo)簽用 2 節(jié)紐扣電池供電，因此顯示屏采用臺(tái)灣元泰的墨水屏，該屏幕功耗低，斷電后屏幕內(nèi)容仍然可以保留幾天至幾個(gè)月。屏幕和控制器之間通過 SPI 接口通信，左邊電路為升壓電路，通過電感和電容為刷屏?xí)r提供高壓。顯示屏電路如圖 5 所示。

2.2 電子標(biāo)簽無線通信算法

2.2.1 電子標(biāo)簽低功耗睡眠實(shí)現(xiàn)算法

電子標(biāo)簽采用 2 節(jié) CR2450 紐扣電池供電，兩節(jié)電池總電量為 1 100 mA，電子標(biāo)簽正常工作時(shí)，功耗電流為 16 mA，在射頻進(jìn)入發(fā)射模式后，發(fā)射電流為 100 mA，若要實(shí)現(xiàn) 5 年的工作時(shí)間，電子標(biāo)簽必須進(jìn)入低功耗睡眠模式。

為確保兩節(jié)電池可支撐系統(tǒng)穩(wěn)定工作五年以上時(shí)間，電子標(biāo)簽系統(tǒng)軟件實(shí)行間歇性休眠喚醒機(jī)制，即電子標(biāo)簽正常情況下進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)系統(tǒng)功耗降到最低，設(shè)定一個(gè)固定時(shí)間，時(shí)間一到標(biāo)簽就進(jìn)入喚醒模式，此時(shí)接收是否有網(wǎng)關(guān)對(duì)其更新的消息，如果有則進(jìn)入通信模式，如果無則繼續(xù)進(jìn)入睡眠模式。睡眠周期 T1 為 10 s，喚醒時(shí)間 T 為 10 ms。電子標(biāo)簽睡眠時(shí)序圖如圖 6 所示。

當(dāng)上位機(jī)要更改標(biāo)簽價(jià)格及顯示內(nèi)容時(shí)，首先由網(wǎng)關(guān)快速下發(fā)喚醒信息，保證能將所有需要更改內(nèi)容的標(biāo)簽喚醒， 之后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因?yàn)闃?biāo)簽喚醒時(shí)間為 20 ms，所以網(wǎng)關(guān)喚醒周期 T2設(shè)為5 ms，保證在標(biāo)簽喚醒時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)交互。時(shí)序如圖 7 所示。

2.2 網(wǎng)關(guān)和電子標(biāo)簽通信架構(gòu)

圖 8 所示為電子標(biāo)簽系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和標(biāo)簽之間的通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

當(dāng)電子標(biāo)簽不考慮低功耗通信時(shí)，系統(tǒng)的通信架構(gòu)變?yōu)槠胀ǖ闹鲝募軜?gòu)，類似于 Modbus 通信總線。主機(jī)將更新內(nèi)容和被更新節(jié)點(diǎn) ID 發(fā)送出去，所有標(biāo)簽均能接收該信息， 從機(jī)收到后會(huì)對(duì)比自己的 ID 號(hào)，如果主機(jī)需要更新，則與主機(jī)通信，之后發(fā)送應(yīng)答信息。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，零售業(yè)也進(jìn)入了高速發(fā)展期， 傳統(tǒng)紙質(zhì)標(biāo)簽已無法滿足人類的生活需求。Sub 1 GHz 無線通信技術(shù)的電子標(biāo)簽系統(tǒng)相比其他方案具有如下較為明顯的優(yōu)點(diǎn) ：

（1）采用該技術(shù)的電子標(biāo)簽系統(tǒng)，通信傳輸距離更遠(yuǎn)， 因此在同等空間和商品數(shù)量的場(chǎng)合中，組建的無線網(wǎng)絡(luò)少， 降低了施工難度和施工成本。

（2）系統(tǒng)抗干擾能力更強(qiáng)。2.4G無線通信包括手機(jī)、WiFi及藍(lán)牙通信技術(shù)等，因此采用 Sub1GHz技術(shù)的電子標(biāo)簽可使傳輸過程不被干擾，通信效率高。

（3）休眠時(shí)功耗更低，工作狀態(tài)下，發(fā)射功率更大，接收靈敏度更高，由于電子標(biāo)簽系統(tǒng)采用 CR2450 電池供電，因此對(duì)低功耗要求嚴(yán)格。本設(shè)計(jì)采用的方案功耗比普通無線通信的功耗更低。

但文中設(shè)計(jì)的電子標(biāo)簽系統(tǒng)也存在一些問題需要完善。首先，屏幕成本遠(yuǎn)高于其他液晶屏，致使電子標(biāo)簽系統(tǒng)成本居高不下。其次，電子標(biāo)簽系統(tǒng)雖然可以降低運(yùn)營(yíng)成本，但前期投入較大，市場(chǎng)還需進(jìn)一步培養(yǎng)。最后，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同一個(gè)無線通信局域網(wǎng)，最多為十多個(gè)節(jié)點(diǎn)，但電子標(biāo)簽系統(tǒng)在同一個(gè)無線網(wǎng)內(nèi)有上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，技術(shù)難度相對(duì)較大。

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