超低功耗電子標簽系統

楊雷 余芳 童立?

摘 要：隨著新零售業的快速發展與便利店的普及，人工修改價格的方式已無法滿足當下需求，不僅變價時間長，且出錯概率高。針對這些問題，文章介紹了一種新的基于物聯網技術的電子貨架標簽系統。系統采用Sub 1 GHz無線通信技術，通過STM8低功耗單片機控制，將超市內所有標簽組成一個局域網，之后將局域網對接到前端軟件，最終通過前端軟件實現對所有標簽的控制。

關鍵詞：TCP/IP技術;墨水屏;休眠模式;Sub 1 GHz;WiFi技術;電子標簽

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的不斷發展，人們對物聯網產品的需求不斷增長，在強有力的市場刺激下，無線射頻技術發展迅速，無線通信技術也向著低功耗和高速率方向發展。

近幾年，由于人力成本不斷升高導致公司運營成本居高不下，因此各行業都希望引入智能化系統，降低企業用人成本，進而增強企業市場競爭力。隨著國家經濟的不斷增長，零售行業近些年出現井噴式增長，但由于人力成本不斷增加，導致零售行業的成本亦隨之增長，為此出現了基于物聯網技術的電子標簽系統，以降低人力需求。

1 物聯網電子標簽系統

1.1 電子標簽系統架構

物聯網電子標簽系統可替代當前傳統紙質標簽。電子標簽由紐扣電池供電，通過物聯網無線通信技術和標簽基站通信，基站則通過TCP/IP技術與前端上位機軟件通信。當客戶需要更改標簽顯示內容如價格或保質期時，只需在上位機軟件輸入待更新的標簽ID號，更改完成后點擊下發，系統便會自動更新標簽中的內容。系統架構如圖1所示。

1.2 電子標簽系統優點

電子標簽在如下方面優勢明顯：

（1）一鍵變價：可以快速更改商品價格，如通過前端上位機軟件更改對應標簽價格后，系統會通過基站控制電子標簽顯示最新的價格信息。

（2）超低功耗：系統采用超低功耗設計，若用兩節CR2450紐扣電池供電，系統可穩定工作5年以上。

（3）保質期管理：傳統紙質標簽無法實時同步顯示商品保質期，若采用電子標簽系統，每天系統可自動更新商品的保質期。

（4）庫存同步：傳統的紙質標簽無法實時同步商品的庫存信息，若采用電子標簽，系統每天可自動同步商品的庫存信息。

（5）生鮮智能變價：賣場或超市的生鮮價格變動頻繁，傳統紙質標簽無法實時變動且需要多人對其進行維護，若采用電子標簽系統則可及時滿足變價要求。

（6）廣告展示：采用電子標簽系統不僅可以顯示紙質標簽顯示的內容，還可以顯示商品的廣告信息。

2 電子標簽低功耗設計

2.1 電子標簽硬件低功耗設計

電子標簽系統硬件包括六個主要部分，分別為低功耗控制器系統模塊、低功耗墨水屏顯示模塊、無線通信模塊、FLASH存儲功能模塊、CR2450電池模組、RGB三色LED顯示。電子標簽結構如圖2所示。

2.1.1 無線射頻電路低功耗設計

本設計中，無線通信采用Silicon公司設計生產的Si4438芯片，其優勢在于發射功率大、接收靈敏度高、休眠電流小等。無線射頻電路如圖3所示。

2.1.2 控制系統低功耗設計

本系統控制器采用ST公司設計生產的低功耗ARM控制器，內核為Cortex-M0系列芯片。該控制器在休眠模式下時，RTC喚醒時鐘工作功耗最低為0.8 μA。該控制器內部擁有8 KB RAM，64 KB FLASH，2 KB片內E2PROM，2路SPI模塊，電路如圖4所示[1-4]。

2.1.3 低功耗顯示屏設計

由于電子標簽用2節紐扣電池供電，因此顯示屏采用臺灣元泰的墨水屏，該屏幕功耗低，斷電后屏幕內容仍然可以保留幾天至幾個月。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時提供高壓。顯示屏電路如圖5所示。

2.2 電子標簽無線通信算法

2.2.1 電子標簽低功耗睡眠實現算法

電子標簽采用2節CR2450紐扣電池供電，兩節電池總電量為1 100 mA，電子標簽正常工作時，功耗電流為16 mA，在射頻進入發射模式后，發射電流為100 mA，若要實現5年的工作時間，電子標簽必須進入低功耗睡眠模式。

為確保兩節電池可支撐系統穩定工作五年以上時間，電子標簽系統軟件實行間歇性休眠喚醒機制，即電子標簽正常情況下進入睡眠模式，此時系統功耗降到最低，設定一個固定時間，時間一到標簽就進入喚醒模式，此時接收是否有網關對其更新的消息，如果有則進入通信模式，如果無則繼續進入睡眠模式。睡眠周期T1為10 s，喚醒時間T為10 ms。電子標簽睡眠時序圖如圖6所示。

當上位機要更改標簽價格及顯示內容時，首先由網關快速下發喚醒信息，保證能將所有需要更改內容的標簽喚醒，之后進行數據通信。因為標簽喚醒時間為20 ms，所以網關喚醒周期T2設為5 ms，保證在標簽喚醒時間內完成數據交互。時序如圖7所示。

2.2.2 網關和電子標簽通信架構

當電子標簽不考慮低功耗通信時，系統的通信架構變為普通的主從架構，類似于Modbus通信總線。主機將更新內容和被更新節點ID發送出去，所有標簽均能接收該信息，從機收到后會對比自己的ID號，如果主機需要更新，則與主機通信，之后發送應答信息。

3 結 語

隨著國家經濟的快速增長，零售業也進入了高速發展期，傳統紙質標簽已無法滿足人類的生活需求。Sub 1 GHz無線通信技術的電子標簽系統相比其他方案具有如下較為明顯的優點：

（1）采用該技術的電子標簽系統，通信傳輸距離更遠，因此在同等空間和商品數量的場合中，組建的無線網絡少，降低了施工難度和施工成本。

（2）系統抗干擾能力更強。2.4G無線通信包括手機、WiFi及藍牙通信技術等，因此采用Sub 1 GHz技術的電子標簽可使傳輸過程不被干擾，通信效率高。

（3）休眠時功耗更低，工作狀態下，發射功率更大，接收靈敏度更高，由于電子標簽系統采用CR2450電池供電，因此對低功耗要求嚴格。本設計采用的方案功耗比普通無線通信的功耗更低。

但文中設計的電子標簽系統也存在一些問題需要完善。首先，屏幕成本遠高于其他液晶屏，致使電子標簽系統成本居高不下。其次，電子標簽系統雖然可以降低運營成本，但前期投入較大，市場還需進一步培養。最后，傳統物聯網系統同一個無線通信局域網，最多為十多個節點，但電子標簽系統在同一個無線網內有上千個節點，技術難度相對較大。

參 考 文 獻

[1]楊雷，孫恩濤，王鵬.基于信號完整性仿真技術2.4G ZigBee模塊的設計[Z].物聯網世界，2014-10-30.

[2]楊雷，王鵬，林開偉.Thread技術與電梯物聯網[J].物聯網技術，2016，6（3）：89-92.

[3]何菁嵐，李強，韓益鋒，等.一種適用于RFID系統的低功耗檢波器設計和實現[J].復旦學報（自然科學版），2006，45（1）：12-15.

[4]黃剛，雷小燕.電子標簽的超低功耗應用設計[J].電子測量與儀器學報，2010，24（10）：979-984.

[5]楊江峰，李勃，郭贊，等.超低功耗有源RFID標簽的分析與實現[J].云南民族大學學報（自然科學版），2009，18（2）：187-190.

[6]張帆，鄒雪城，劉冬生，等.RFID中嵌入E2PROM的超低功耗設計[J].微電子學與計算機，2007，24（7）：169-172.

[7]王瀟瀟.一種低功耗無源RFID電子標簽數字基帶控制器的設計與實現[D].天津：天津大學，2012.

[8]王振興. RFID系統中標簽芯片數字部分的設計與實現[D].天津：天津大學，2008.

[9]王德強.2.45G有源RFID系統空中接口協議的低功耗設計[D].北京：電信科學技術研究院，2007.

[10]田佳音.超低功耗低頻電子標簽基帶處理器的研究[D].上海：復旦大學，2008.