基于電子紙顯示技術的紅酒儲運環境參數監測系統設計

黃麗杰

摘 要：為解決紅酒儲運中環境參數測量的問題，文章設計了一種基于電子紙顯示技術的紅酒儲運環境參數監測系統，該系統包括：以MSP430G2553為核心的RFID電子標簽（1個或多個）、以STC12LE5A60S2為核心的THRW 2000型溫濕度讀寫器和基于B/S模式的上位機應用軟件。測試結果表明，監測系統能夠運行穩定，監測點布置簡便，測量值準確。

關鍵詞：電子紙；RFID電子標簽；讀寫器；應用軟件

環境參數對紅酒品質的影響很大，在紅酒儲運的過程中，溫濕度是最基本、最重要的影響因素，適宜的環境溫濕度可以延緩紅酒的變質，避免紅酒的大量浪費。現有的紅酒儲運環境參數監測系統大部分是依靠簡單的管理系統和人工操作相結合，不僅容易出錯、準確率不高，而且方式繁瑣，浪費大量的時間，使得工作效率低下、人力資源浪費，管理成本相對較高，很難保證溫濕度數據的正確性，不能為用戶提供實時、準確的數據。

電子紙顯示技術是具有和傳統紙張同樣輕薄、又可擦寫的電子顯示技術，由于該技術擁有雙穩態特性，因此屏幕顯示時不會耗費大量電能，在很大程度上節約了能源[1]。電子紙雖然在結構上與傳統植物纖維紙完全不同，但卻與其有著相似的特征，具有閱讀舒適、攜帶簡便、信息存儲量大等優點。因此，設計一種基于電子紙顯示的紅酒儲運環境參數監測系統，包括實時數據的自由采集、安全的數據存取通道、數據的可視化顯示和分析，離線狀態下就可以獲得數據信息等功能，不僅能夠提升工作效率，而且也滿足了現代化紅酒儲運環境參數監測管理的發展需求。

1 電子紙顯示技術

電子紙，又叫數碼紙，數字化紙，是一種超薄，超輕的顯示屏[2]。其顯示效果和傳統的紙張一樣，讓用戶閱讀舒適，并且能夠和傳統的液晶顯示屏一樣更改和刷新信息。電子紙外形與紙或者投影片相似，厚度一般小于1 mm，在有陽光的場所，其文字識別度比液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）要高，可比擬報紙[3]。電子紙內部有芯片線路，和集成電路（Integrated Circuit，IC）芯片的結構相似其使用的主要材料為聚酯類化合物，紙面上印有硅膠電路，為了可以更好地控制表面電荷的改變，而使電子紙顯示文字圖片等信息的便是電子墨。

電子紙顯示技術方法大致包括4種，即膽固醇液晶顯示技術、電泳顯示技術、雙穩態向列液晶顯示技術以及電子粉流體顯示技術[2]。其中發展最為成熟、最具代表性的就是電泳顯示技術，電泳顯示原理主要是以外加電場驅動懸浮在溶液中的帶電粒子，應用粒子現有位置的變化，以呈現出粒子與溶液、背板或粒子與粒子之間顏色的比較，并作出影像顯示。該系統的電子紙顯示模塊采用的就是電泳顯示技術。

2 系統設計與實現

基于電子紙顯示技術的紅酒環境參數監測系統由電子標簽（Radio Frequency Identification，RFID）（1個或多個）、THRW 2000型溫濕度讀寫器及上位機應用軟件組成。RFID電子標簽按照給定周期實時采集監測點的紅酒溫濕度信息，及時傳送給THRW 2000型溫濕度讀寫器。不同RFID電子標簽傳送的數據都具有不同的標簽ID號，用以區分紅酒儲運的監測位置。紅酒監測點的管理人員可以通過電子紙顯示屏實時查看紅酒環境參數信息，并根據該信息進行及時決策。THRW 2000型溫濕度讀寫器將接收到的信息上傳給PC機，PC機應用軟件對各紅酒儲運監測點的溫濕度數據進行存儲，PC機端監控人員不僅可以查看實時數據，而且可以通過監控平臺調取歷史溫濕度數據，可視化查看歷史溫濕度數據曲線圖，及時了解紅酒儲運各監測位置的環境情況?；陔娮蛹堬@示技術的紅酒環境參數監測系統結構如圖1所示。

2.1 RFID電子標簽設計

RFID電子標簽放置在紅酒儲藏的貨架上或紅酒運輸的貨箱里，所有的RFID電子標簽都只有一個ID號，一個THRW 2000型溫濕度讀寫器可以同時讀取多個RFID電子標簽的溫度和濕度數據，RFID電子標簽內部的標簽ID用以區分不同紅酒儲運監測位置。RFID電子標簽由CPU芯片，電子紙顯示模塊，溫濕度傳感器，數據存儲模塊，紐扣式電池供電模塊及2.4 GHz無線射頻模塊組成。RFID電子標簽結構如圖2所示。

RFID電子標簽中央處理器（Central Processing Unit，CPU）芯片采用MSP430G2553芯片，其硬件資源豐富，是超低功耗、擁有精簡指令集（Reduced Instruction Set，RIS）的微處理器，并且具有較好的數據處理和計算能力、強大的模擬方法、充足的片上模塊和便捷的開發調試環境。

電子紙顯示模塊主要由顯示屏和控制器及外圍接口電路構成。電子紙顯示屏采用段碼式電子紙顯示屏，通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）顯示接口接入中央處理模塊?？刂破靼阎醒胩幚砥鱾鬏斶^來的數據轉變為符合顯示屏的控制電壓，通過控制顯示屏內帶電粒子的移動來完成顯示。因為電子紙顯示屏對溫度敏感，所以可以利用溫度傳感器的數據來改變電子紙顯示屏的控制電壓輸入值?？刂破餍枰饨覵DRAM作為顯存，這樣能夠同時存儲大量待顯示的數據。電子紙驅動電路根據微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）指令為電子紙屏幕管理顯存、控制電壓輸出以及選擇刷新模式，最終完成電子紙顯示。

溫濕度傳感器采用溫濕度一體檢測芯片SHT20，提供高精度的溫度和濕度檢測，該傳感器濕度分辨率8/12 bit、溫度分辨率12/14 bit，能夠通過輸入指令進行設置，濕度正常測量范圍0-80%RH 、溫度為 -40～+125 ℃[4]。

數據存儲模塊通過存儲接口電路接入中央處理模塊，采集到的溫濕度數據存儲在數據存儲模塊；紐扣式電池供電模塊配置專用CR3032的3 V紐扣式鋰電池，可長時間為電子標簽供電。endprint

2.4 GHz無線射頻模塊采用低功耗收發芯片nRF24L01P，具有高達2 Mbps無線傳輸速率[5]，且內置硬件鏈路層，適于進行程序研發。nRF24L01模塊通過SPI的方法與CPU進行通信。RFID電子標簽與THRW 2000型溫濕度讀寫器通過2.4 GHz無線射頻模塊傳輸信號。

2.2 THRW 2000型溫濕度讀寫器設計

THRW 2000型溫濕度讀寫器安裝在距離RFID電子標簽1 km以內的范圍內，由CPU芯片，電源供電模塊，SRAM數據存儲模塊，網絡通信模塊及2.4 GHz無線射頻模塊組成。THRW 2000型溫濕度讀寫器結構如圖3所示。

THRW 2000型溫濕度讀寫器CPU芯片采用型號為STC12LE5A60S2的主控單片機。TC12LE5A60S2系列單片機是宏晶公司生成的一類增強型的新型8051單片機，其內部不僅擁有8路高速 10位A/D轉換以及兩路 PWM，而且在其內部還集成了 MAX810 的專用電路[6]，因此它具有很強的抗干擾性。

電源供電模塊通過外接直流9V電壓為各個模塊的長時間運行提供電源。SRAM數據存儲模塊存儲標簽的ID號、歷史溫濕度數據以及斷網續傳數據等信息。THRW 2000型溫濕度讀寫器與PC機應用軟件可通過網絡通信模塊進行傳輸信號，該讀寫器采用主動式上傳的網絡（TCP/UDP）通信模式，及時將溫濕度信息數據傳送給PC機進行處理。

2.4 GHz無線射頻模塊應用低功耗收發芯片nRF24L01P，使用天線與RFID電子標簽進行射頻信號的收/發，并可通過上位機軟件改變讀寫器的接收增益和發射增益來達到所需的識別距離。

2.3 PC機應用軟件設計

PC機放置在需要查看紅酒儲運環境參數的管理人員的辦公場所內，PC機應用軟件功能模塊如下：（1）溫濕度記錄模塊，包括開始記錄功能、停止記錄功能、讀取記錄時間功能以及繪制溫濕度記錄曲線功能；（2）標簽參數管理模塊，包括溫濕度校準功能、密鑰設置功能以及修改標簽ID功能；（3）設備參數管理模塊，該模塊可以讀取和更改THRW 2000型溫濕度讀寫器的部分參數；（4）網絡參數管理模塊，該模塊可以讀取和更改通信網絡設備的部分參數；（5）實時數據采集與顯示模塊；（6）用戶安全管理模塊，包括添加用戶、刪除用戶、查詢用戶和權限配置等功能；（7）溫濕度數據異常報警模塊。溫濕度記錄曲線圖和實時數據顯示圖分別如圖4—5所示。

上位機軟件是基于B/S模式開發的監測系統，該系統讓管理人員不僅可以在本地通過電子紙顯示屏觀察實時溫濕度，還可以遠程使用PC機以瀏覽網頁的形式查看實時和歷史數據。通過采用數據的可視化顯示技術，將溫濕度歷史記錄的大量數據構成數據圖像，針對溫濕度歷史數據的變動，能動態顯示信息的變化，進而可以對環境參數進行更深入的查看和分析。此外，該系統提供完備的安全機制，通過用戶權限設置最大限度保護了用戶的個人信息，通過數據庫權限控制保障了數據的完整性、安全性和機密性。

3 結語

本文設計了一種基于電子紙顯示技術的紅酒儲運環境參數監測系統，該系統由RFID電子標簽（1個或多個），THRW 2000型溫濕度讀寫器及上位機應用軟件構成。RFID電子標簽采集紅酒儲運中的環境參數，取得數據后直接在電子紙顯示屏上顯示給用戶并上傳給THRW 2000型溫濕度讀寫器。讀寫器通過網絡通信模塊將數據發送給遠端的上位PC機，上位機得到讀寫器發送過來的溫濕度數據并保存，形成溫濕度變化曲線圖，直觀呈現給用戶，并實現溫濕度異常報警。該系統具有功耗低，數據傳輸率高，誤碼率低等優點，實現了自動化、智能化的紅酒儲運環境參數的監測管理，使用方便、快捷、靈活。

[參考文獻]

[1]張卓，邵喜斌，王剛，等.電子紙顯示技術的應用與市場情況[J].光機電信息，2009（11）：19-29.

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[4]王志強，王直.基于STM32室內空氣質量檢測系統硬件設計[J].電子設計工程，2017（9）：108-112.

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[6]逄淑松，程凱，劉光發，等.MSP430G2553單片機超低功耗的研究與設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013（4）：1-2，10.endprint