基于無線通信和墨水屏的電子標識技術研究

浩鈿 王猛 陳聰 柴溢 李玉斌 陳默

摘? ?要：針對零售行業更換紙質標簽所需人工成本高、紙質資源多且錯誤率高的缺點，文章開展了基于無線通信和墨水屏的電子標識技術研究，實現了上位機與單片機之間的無線通信和低功耗刷新墨水屏并準確顯示信息的功能，為商品信息實時化、資訊化和自動化更新提供了硬件基礎。實驗測試結果表明，該電子標識技術的無線通信穩定可靠，具有低成本、低功耗和高效率的優點，且擁有非常廣闊的市場運用前景。

關鍵詞：無線通信;墨水屏;電子標識;單片機

隨著人們生活水平的不斷提高，零售行業的商品種類和數量急劇增加，商品價簽的頻繁更新對商場工作人員提出了更高的要求。據調查，一個典型的零售商店每周需要變動商品價格約10 000～12 000次[1]，如果使用傳統的紙質標簽，不僅會浪費大量的紙質資源，還會消耗大量的人力成本。

電子標識技術采用電子的形式來顯示商品的貨價及信息，解決了人力成本高、資源消耗多的問題。本文研究的基于無線通信和墨水屏的電子標識技術在利用無線通信傳輸技術的基礎上，編寫了相應的上位機軟件，以供零售商修改貨價信息，最終顯示在功耗小的墨水屏上。不僅節約了紙張和勞動力，還提高了工作效率。

1? ? 系統的總體設計

系統的硬件結構主要由4部分組成：PC上位機、無線串口模塊、STM32F103VBT6型單片機（簡稱STM32單片機）和墨水屏電子紙。圖1為系統的總體結構。

PC上位機有相應的應用軟件，可將輸入的商品信息通過編輯轉為圖片格式形成預覽，并以字節為單位，發送至串口。無線串口模塊，負責將接收的數據發送至STM32單片機;STM32單片機將接收的數據信息通過串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）串口傳給電子紙轉接板終端;電子紙終端接觸接口進行信息的刷新后，將圖片信息顯示在墨水屏上。

2? ? 系統的硬件設計

在各模塊硬件的選擇上，本研究進行設計前綜合考慮了成本、功耗和產品需求等因素，選擇出了最適合用于超市和商場的硬件。

在利用無線通信技術傳輸信息時，為保證數據在商場中準確、穩定和快速地傳給下一個模塊，即要求系統的無線串口在具有較低丟包率的同時，能夠實現一定范圍內的穿墻傳輸。對比市場上價格相近的ESP8826無線串口模塊和帶2.4 G CC2530芯片的DL-20無線發射接收模塊可以發現[2]，ESP8826無線串口模塊在每次正常工作前都需要進行一次配置，而DL-20模塊在第一次配置后可以自動保存設置，不需要每工作一次就配置一次，一定程度上簡化了操作。另外，DL-20模塊支持不間斷傳輸，過程中不會丟失數據，同時內置PCB天線，使其擁有點對點的工作模式和廣播模式，覆蓋范圍可達100 m[3]。因此，選擇帶2.4 G CC2530芯片的DL-20無線發射接收模塊作為無線串口模塊能夠更方便、快捷且準確地實現系統的功能。

針對單片機在電子標識技術中處理上位機信息并傳輸至顯示模塊的作用，穩定性和處理速度成為挑選單片機型號的一部分標準，加之綜合考慮低功耗的要求，STM32單片機成為系統所需。該型號單片機作為一款中低端型芯片，具有較高的性價比，完全滿足設計的需求。

傳統的電子顯示設備主要有陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）屏和液晶屏等，CRT屏的主要優點是色彩性強，而對于商場中的電子標識顯示設備而言，不需要過強的色彩性，甚至黑白的顯示設備即可滿足要求。液晶屏雖然在快速切換圖像方面具有優勢，但需要持續供電，且在超市、商場等光線較強的地方往往會產生顯示不清晰的現象，為此，在技術設計中沒有采用傳統的電子顯示設備而是選擇了墨水屏電子紙。墨水屏是一種超薄、超輕的顯示屏，采用電泳顯示技術作為顯示面板，顯示效果接近自然紙張，具有長續航、陽光下可視、舒適護眼無藍光、抗摔不易碎裂、持續顯示不易耗電和廣視角等優點[4]。

2.1? 基座模塊電路設計

基座模塊是處理圖片并發送至電子紙連接模塊的重要部分。該模塊的主要功能是下載圖片信息、通過串口與電子紙模塊進行無線通信。因此，電路設計時加入了J-Link下載電路、無線傳輸模塊接口電路、串口BootLoader電路、電子紙驅動電路以及時鐘源電路。

為了實現無線串口通信，本系統設計了一個1×4的接口電路，分別用作數據發送、數據接收、接地以及電源輸入。

系統的電源來自計算機USB口，經過穩壓芯片AMS1117—3.3 V的轉換，5 V的電壓源轉為3.3 V后接入無線串口模塊。

2.2? 電子紙模塊電路設計

電子紙模塊通過轉接板電路（見圖2）將串口接收到的數據完整地傳輸到電子紙上加以顯示。由于電子紙只需在刷新時上電，很容易使電路中的電流產生較大的變化，因此，電路中加入3個二極管用以保護電路，同時采用場效應管作為恒流源，防止電子紙在刷新時內部電流不穩定。

3? ? 系統的軟件設計

3.1? 上位機應用程序設計

系統設計了一個基于C#語言的可視化人機交互界面，C#語言是Microsoft公司發布的一種面向對象的高級程序設計語言，用戶可以通過C#語言設計出更改商品的價格、條形碼和規格等信息的界面，并選擇將其發送至串口。

應用程序通過讀取用戶輸入的信息并調用串口類函數，實現電子標識的更新功能[5]。用戶在界面控件，如品名、編號、產地、規格、等級、單位、價格中輸入信息，程序捕獲這些參數后，按相應格式在圖形化界面生成預覽圖片，然后調用庫函數serialPort（）生成字符串并發送至串口。針對用戶輸入的國際條形碼（前12位），系統采用條形碼讀寫控件Barcode Writer生成一維條形碼并以圖片的形式發送至串口，上位機程序流程如圖3所示。

3.2? 單片機程序設計

STM32單片機的主要功能是接收并處理來自上位機的實時商品信息并將其顯示在電子紙上，STM32程序流程如圖4所示。單片機上電后，首先，初始化串口、系統時鐘、輸入輸出參數和電子紙等模塊。其次，接收并讀取來自無線串口的字符數組并發送。為了便于數據的存儲和處理，程序中的數組信息包含296×128個像素點，通過改變每個像素點的電壓大小來控制二值化圖像的灰度值[6]。發送字符數組時，每發送16個字符即向上位機發送確認信息以保證傳輸過程的正確性。所有字符發送完畢后，調用刷新函數刷新電子紙，最終在墨水屏上顯示出黑白的圖片信息。程序中的延時語句用于等待先前語句執行完畢以防止出現亂碼。

4? ? 系統測試

鑒于該技術的應用環境，測試選擇在超市和商場中進行，多次連續測試的結果表明，基于無線通信的電子標識技術在室內可穿透墻壁的有效數據傳輸距離為100 m，數據在傳輸時穩定可靠。電子標簽信息更新及時，顯示準確，驗證了無線通信技術的高效準確性。在不同強度的燈光下，墨水屏都能夠較清楚地顯示內容，且僅在刷新時消耗較低的電量。而在顯示時不耗電，驗證了基于墨水屏的電子標識技術具有低成本、低功耗的特點，上位機應用程序測試結果如圖5所示，電子標識測試結果如圖6所示。

5? ? 結語

基于無線通信和墨水屏的電子標識技術采用帶2.4 G CC2530芯片的DL-20無線發射接收模塊和STM32F103VBT6型單片機，實現了穩定可靠的無線通信傳輸，采用墨水屏作為顯示終端，實現了無紙化、低功耗顯示的功能。

文章從硬件和軟件兩方面展開，根據該技術設計的電子標識系統能夠通過無線通信的方式接收最新的商品信息，且通信距離可達100 m，墨水屏在顯示時準確無誤。目前國內外的零售行業開始逐漸普及電子標識，本文基于無線通信和墨水屏的電子標識技術低功耗、無紙化、高效率的特點使其具有非常廣闊的市場運用前景。

[參考文獻]

[1]劉美健.無線網絡電子價簽系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2014（4）：49-52.

[2]楊濤.基于無線通信傳輸技術的電子標識系統[D].北京：中國地質大學，2018.

[3]駱吉旺.基于無線射頻技術的藥物倉儲系統的設計與實現[D].北京：中國科學院大學，2017.

[4]何燕卉.電子紙才是未來科技[J].計算機與網絡，2017（15）：20-21.

[5]周羽，趙家彥，冷靜文.基于無線SOC的RFID信息采集系統的設計[J].電氣電子教學學報，2009（6）：41-43.

[6]堵成蕾，李相鵬，梁晶.電子價簽系統設計與實現[J].通信電源技術，2016（2）：103-105.

Abstract：Aiming at the problems of the retail sector with high labor costs， plentiful paper resources and the high error rate， this paper studies the technology of electronic identification based on wireless communication and ink screen， realizes the wireless communication between PC and MCU and the function of refreshing the information displayed on ink screen with low power consumption， which provides the hardware basis for real-time， information and automatic updating of commodity information. The experimental tests show that the wireless communication of the electronic identification technology is stable and reliable， with the advantages of low cost， low power consumption and high efficiency， and has a very broad market application prospect.

Key words：wireless communication; ink screen; electronic identification; MCU