基于射頻技術(shù)的電子貨架標(biāo)簽設(shè)計

邱明華，魏學(xué)業(yè)，吳小進(jìn)

（北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100044）

目前，電子貨架標(biāo)簽在我國仍處于發(fā)展初期，應(yīng)用極少，并且多數(shù)產(chǎn)品還存在著信息更新的準(zhǔn)確性差、功耗大等問題。為此，本文設(shè)計了一款電子貨架標(biāo)簽，能夠提高信息更新的準(zhǔn)確性，并有效降低其功耗。

1 電子貨架標(biāo)簽的總體結(jié)構(gòu)

1.1 標(biāo)簽硬件組成

電子貨架標(biāo)簽由控制單元、無線收發(fā)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(jī)PIC16LF1934，無線收發(fā)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(shè)計。另外PIC16LF1934具有集成的LCD控制器，最多可以驅(qū)動96段的LCD，液晶可以與控制器直接相連，簡化了設(shè)計，同時能夠滿足標(biāo)簽顯示要求。

1.1.2 無線收發(fā)單元

CC2500是一款低功耗的2.4 GHz收發(fā)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(biāo)簽的使用。同時，輸出功率達(dá)+1dBm，滿足電子標(biāo)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(qū)動下，公共端的相位在一幀的中間改變，波形在單幀內(nèi)（一個周期）的凈電壓為0 VDC。

1.1.4 電源

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

1.2 標(biāo)簽工作原理

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

2 標(biāo)簽信息更新的可靠性設(shè)計

電子貨架標(biāo)簽信息更新是通過射頻技術(shù)實現(xiàn)的。在無線數(shù)據(jù)傳輸過程中，由于外部環(huán)境的干擾和信道沖突現(xiàn)象的存在，會影響電子貨架標(biāo)簽信息更新的準(zhǔn)確度。本文從防碰撞算法和數(shù)據(jù)通信協(xié)議2個方面進(jìn)行了分析研究。

2.1 防碰撞算法設(shè)計

發(fā)射器與電子標(biāo)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(dāng)發(fā)射器發(fā)出標(biāo)簽更新信息時，相同載波頻率下標(biāo)簽都會響應(yīng)并發(fā)送應(yīng)答，這時會造成信道堵塞，所以防沖突算法是設(shè)計的重要部分。

圖1 通信模型

本設(shè)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(jié)為0-255。本設(shè)計將發(fā)射器地址字節(jié)設(shè)置為0，然后分別為不同的標(biāo)簽分配不同的地址，這樣發(fā)射器可以通過改變發(fā)送數(shù)據(jù)包中的地址字節(jié)來更新對應(yīng)的標(biāo)簽信息，地址不匹配的標(biāo)簽將收不到更新信息。標(biāo)簽回復(fù)發(fā)射器的數(shù)據(jù)包中地址字節(jié)永遠(yuǎn)為0，這樣可以大大減少碰撞的機(jī)會.

2.2 數(shù)據(jù)無線通信軟件設(shè)計

本文以1個發(fā)射器與4個地址不同的電子標(biāo)簽作為一個系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。將發(fā)射器的地址設(shè)置為0x00，配置CC2500寄存器，為每一個電子標(biāo)簽設(shè)置唯一的地址。

發(fā)射器發(fā)送更新信息，標(biāo)簽收到地址匹配的有效數(shù)據(jù)后完成信息更新，地址不匹配，或者無效數(shù)據(jù)則丟棄，等待新的有效數(shù)據(jù)；若接收有效數(shù)據(jù)，標(biāo)簽向發(fā)射器發(fā)送一個數(shù)據(jù)包作為響應(yīng)，表明信息接收成功。若在設(shè)定時間內(nèi)發(fā)射器未接收到標(biāo)簽的響應(yīng)，表明標(biāo)簽更新失敗，發(fā)射器重新發(fā)送更新信息，直到接收成功，這樣就有效地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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

圖2 （a） 發(fā)射器工作流程圖

圖2 （b）電子標(biāo)簽工作流程圖

3 電子貨架標(biāo)簽的低功耗設(shè)計

電子貨架標(biāo)簽使用3V紐扣電池給控制電路和射頻電路供電，如果標(biāo)簽功耗偏大，造成電池使用壽命過短，經(jīng)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(biāo)簽的重要性能指標(biāo)之一。本文從硬件和軟件2方面對標(biāo)簽的低功耗進(jìn)行了設(shè)計。

3.1 硬件設(shè)計

在硬件設(shè)計過程中，選擇低功耗的器件作為標(biāo)簽的控制器和數(shù)據(jù)收發(fā)器，能夠有效地降低標(biāo)簽的功耗。

標(biāo)簽采用PIC16LF1934為控制器，工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V。當(dāng)工作電壓為2.0 V時，待機(jī)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(fā)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(dá)到500 nA。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 控制器配置的低功耗設(shè)計

PIC16LF1934內(nèi)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(nèi)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(yuǎn)低于同性能的其他單片機(jī)?？刂破鞫丝诘穆╇娏饔绊懴到y(tǒng)功耗，為了降低功耗，對于暫時不工作的IO口設(shè)置為高阻狀態(tài)。

3.2.2 液晶工作模式設(shè)計

本文采用段式液晶作為標(biāo)簽的顯示單元。根據(jù)超市的營業(yè)時間，通過設(shè)置PIC16LF1934的定時器，對標(biāo)簽的液晶工作時間進(jìn)行設(shè)置，使得液晶在超市的非營業(yè)時間處于關(guān)閉狀態(tài)，從而有效的降低標(biāo)簽的整體功耗。

3.2.3 標(biāo)簽工作模式設(shè)計

標(biāo)簽存在發(fā)送、接收和休眠3種模式。根據(jù)PIC16LF1934的電源管理特點，標(biāo)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(jié)果

4.1 無線通信單元測試

調(diào)整標(biāo)簽的數(shù)據(jù)率和發(fā)射功率，將標(biāo)簽分別放置于室外空曠處和室內(nèi)有障礙物處進(jìn)行測試，實驗測得通信情況如表1。數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率和工作環(huán)境都會影響標(biāo)簽的通信質(zhì)量。標(biāo)簽應(yīng)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(shù)據(jù)率能夠滿足系統(tǒng)要求；同時超市內(nèi)會有一定的障礙物對傳輸造成干擾?；谝陨锨闆r，配置數(shù)據(jù)率為10 kb/s，發(fā)射功率為1.25 mW，在室內(nèi)傳輸距離可達(dá)50 m左右，能夠滿足工作需要。

4.2 電子標(biāo)簽功耗測試

進(jìn)行實驗調(diào)試，測試標(biāo)簽以10Kbps的速率連續(xù)發(fā)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(yè)期間，標(biāo)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(fā)送模式，每天工作約為12 h；超市不營業(yè)期間，標(biāo)簽處于睡眠模式，持續(xù)時間12 h。在標(biāo)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(shè)計需求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款電子貨架標(biāo)簽，從防碰撞算法和數(shù)據(jù)通信協(xié)議2個方面對標(biāo)簽的可靠性進(jìn)行了設(shè)計，有效地提高了標(biāo)簽信息更新的準(zhǔn)確性；同時，選擇低功耗的器件，減少標(biāo)簽的自身功耗，并對器件的休眠模式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最大程度的降低了標(biāo)簽功耗。實驗表明，電子貨架標(biāo)簽?zāi)軌驕?zhǔn)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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