基于射頻技術的電子貨架標簽設計

邱明華，魏學業，吳小進

（北京交通大學電子信息工程學院，北京100044）

目前，電子貨架標簽在我國仍處于發展初期，應用極少，并且多數產品還存在著信息更新的準確性差、功耗大等問題。為此，本文設計了一款電子貨架標簽，能夠提高信息更新的準確性，并有效降低其功耗。

1 電子貨架標簽的總體結構

1.1 標簽硬件組成

電子貨架標簽由控制單元、無線收發單元、顯示單元和電源4部分組成。控制單元采用低功耗單片機PIC16LF1934，無線收發單元采用CC2500射頻芯片，顯示單元為段式LCD，電源部分采用3 V紐扣電池供電。

1.1.1 控制單元

控制單元選擇PIC16LF1934為控制器，它的電壓范圍為1.8 V ～3.6 V，一方面降低了功耗；另一方面，與CC2500的工作電壓匹配，可以通過I/0口與CC2500直接相連，簡化了硬件設計。另外PIC16LF1934具有集成的LCD控制器，最多可以驅動96段的LCD，液晶可以與控制器直接相連，簡化了設計，同時能夠滿足標簽顯示要求。

1.1.2 無線收發單元

CC2500是一款低功耗的2.4 GHz收發器，采用電池供電，簡化了因布置電源線帶來的不便，適合于標簽的使用。同時，輸出功率達+1dBm，滿足電子標簽無線通信的要求。

1.1.3 顯示單元

采用有4個公共端（1/3偏置）和24段的LCD作為顯示單元。在A型波驅動下，公共端的相位在一幀的中間改變，波形在單幀內（一個周期）的凈電壓為0 VDC。

1.1.4 電源

標簽存放在貨架上，分布比較分散，不便于電源線的布設，因此本文采用3V的紐扣電池為其供電。由于標簽的低功耗設計，可以保證標簽長時間工作，不需要經常更換電池。

1.2 標簽工作原理

標簽存在3種工作模式，即發送模式、接收模式和休眠模式。當標簽未接收到信息更新信號時，標簽將長期處于休眠模式。在此模式下，標簽功耗為最低。當標簽接收到信息更新信號，標簽從休眠模式中喚醒，接收信息，進行相應處理并發送響應信號。當通信完成后，標簽又再次進入休眠狀態。標簽工作所需要的能量由電池提供。

2 標簽信息更新的可靠性設計

電子貨架標簽信息更新是通過射頻技術實現的。在無線數據傳輸過程中，由于外部環境的干擾和信道沖突現象的存在，會影響電子貨架標簽信息更新的準確度。本文從防碰撞算法和數據通信協議2個方面進行了分析研究。

2.1 防碰撞算法設計

發射器與電子標簽之間的通信可以看作是1個點對多點的通信模型，如圖1。在同一載波頻率下，當發射器發出標簽更新信息時，相同載波頻率下標簽都會響應并發送應答，這時會造成信道堵塞，所以防沖突算法是設計的重要部分。

圖1 通信模型

本設計方案中采用的是地址檢查的方法。地址檢查利用了CC2500可以通過軟件分配地址的特點 ，每1個地址可以作為1個信道，地址字節為0-255。本設計將發射器地址字節設置為0，然后分別為不同的標簽分配不同的地址，這樣發射器可以通過改變發送數據包中的地址字節來更新對應的標簽信息，地址不匹配的標簽將收不到更新信息。標簽回復發射器的數據包中地址字節永遠為0，這樣可以大大減少碰撞的機會.

2.2 數據無線通信軟件設計

本文以1個發射器與4個地址不同的電子標簽作為一個系統進行分析研究。將發射器的地址設置為0x00，配置CC2500寄存器，為每一個電子標簽設置唯一的地址。

發射器發送更新信息，標簽收到地址匹配的有效數據后完成信息更新，地址不匹配，或者無效數據則丟棄，等待新的有效數據；若接收有效數據，標簽向發射器發送一個數據包作為響應，表明信息接收成功。若在設定時間內發射器未接收到標簽的響應，表明標簽更新失敗，發射器重新發送更新信息，直到接收成功，這樣就有效地提高了數據傳輸的可靠性。

同時，其他地址不匹配的標簽不會接收標簽更新信息，直到接收到相應的更新信息，才會進行標簽信息更新。系統的發射器和電子標簽工作流程圖如圖2(a)、圖2(b)。

圖2 （a） 發射器工作流程圖

圖2 （b）電子標簽工作流程圖

3 電子貨架標簽的低功耗設計

電子貨架標簽使用3V紐扣電池給控制電路和射頻電路供電，如果標簽功耗偏大，造成電池使用壽命過短，經常更換電池給管理帶來麻煩，同時也增加了使用成本，因此工作電流是標簽的重要性能指標之一。本文從硬件和軟件2方面對標簽的低功耗進行了設計。

3.1 硬件設計

在硬件設計過程中，選擇低功耗的器件作為標簽的控制器和數據收發器，能夠有效地降低標簽的功耗。

標簽采用PIC16LF1934為控制器，工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V。當工作電壓為2.0 V時，待機電流典型值為100 nA；工作在32 KHz條件下，工作電流典型值為6.0 μA。CC2500是一款低功耗2.4 GHz收發器，在電磁波喚醒模式（WOR）下，典型電流消耗為900 nA；最低功率模式下，可達到500 nA。

3.2 軟件設計

3.2.1 控制器配置的低功耗設計

PIC16LF1934內部振蕩器模塊有很多種時鐘源和選擇功能，可最大限度地提高性能并降低功耗。通過配置振蕩器控制寄存器 （OSCCON），選擇31 KHz內部低頻低功耗振蕩器。

同時，PIC16LF1934輸入漏電流的典型值只有5 nA，遠低于同性能的其他單片機。控制器端口的漏電流影響系統功耗，為了降低功耗，對于暫時不工作的IO口設置為高阻狀態。

3.2.2 液晶工作模式設計

本文采用段式液晶作為標簽的顯示單元。根據超市的營業時間，通過設置PIC16LF1934的定時器，對標簽的液晶工作時間進行設置，使得液晶在超市的非營業時間處于關閉狀態，從而有效的降低標簽的整體功耗。

3.2.3 標簽工作模式設計

標簽存在發送、接收和休眠3種模式。根據PIC16LF1934的電源管理特點，標簽在休眠時，CC2500處于電磁波激活模式（WOR），PIC16LF1934處于睡眠工作模式。

4 實驗結果

4.1 無線通信單元測試

調整標簽的數據率和發射功率，將標簽分別放置于室外空曠處和室內有障礙物處進行測試，實驗測得通信情況如表1。數據率、發射功率和工作環境都會影響標簽的通信質量。標簽應用于大型超市中，對于信息更新的實時性要求不高，因此采用10 kb/s的數據率能夠滿足系統要求；同時超市內會有一定的障礙物對傳輸造成干擾。基于以上情況，配置數據率為10 kb/s，發射功率為1.25 mW，在室內傳輸距離可達50 m左右，能夠滿足工作需要。

4.2 電子標簽功耗測試

進行實驗調試，測試標簽以10Kbps的速率連續發送模式下，長期接收模式下，電磁波激活模式下和休眠模式下的電流消耗，如表2。

表1 不同條件下無線傳輸情況

表2 不同模式下的工作電流

超市營業期間，標簽長期處于電磁波激活模式，只有信息更新時，短暫處于接收和發送模式，每天工作約為12 h；超市不營業期間，標簽處于睡眠模式，持續時間12 h。在標簽更新完成的情況下，每天消耗電流大約2.45 mA，采用容量為950 mA.h的紐扣電池，可大約工作388天，滿足設計需求。

5 結束語

本文設計了一款電子貨架標簽，從防碰撞算法和數據通信協議2個方面對標簽的可靠性進行了設計，有效地提高了標簽信息更新的準確性；同時，選擇低功耗的器件，減少標簽的自身功耗，并對器件的休眠模式進行了優化設計，最大程度的降低了標簽功耗。實驗表明，電子貨架標簽能夠準確地接收信息，功耗低，便于電池供電，具有很大的實用價值。

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