基于藍(lán)牙4.0的低功耗電子貨架標(biāo)簽設(shè)計(jì)*

丁 磊,張彩祥，馮永晉，江志文,鄧杰航

（廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州510006）

電子貨架標(biāo)簽 ESL（Electronic Shelf Label）是一種放置在貨架上、可替代傳統(tǒng)紙質(zhì)價(jià)格標(biāo)簽的電子顯示裝置，每個(gè)ESL通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與商品數(shù)據(jù)庫相連，將最新的商品信息通過ESL上的顯示屏顯示出來[1]。ESL能夠有效解決紙質(zhì)價(jià)格標(biāo)簽更換操作費(fèi)紙、費(fèi)力以及容易造成更換錯(cuò)誤的缺點(diǎn)。ESL在國(guó)內(nèi)研究起步較晚，目前主要采用有源射頻技術(shù)和液晶顯示技術(shù)[1-2]，存在成本高、功耗大、不易使用等缺點(diǎn)。

與其他相同頻段的無線技術(shù)相比，藍(lán)牙4.0技術(shù)具有超低峰值(Peak)、運(yùn)行與待機(jī)功耗低、僅 3 ms延時(shí)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，而電子紙具有可視角大、顯示靜態(tài)圖像不耗電、輕薄等優(yōu)異特性[4]。因此，本文提出了一種基于藍(lán)牙4.0技術(shù)和電子紙顯示技術(shù)的ESL設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)總體架構(gòu)和工作原理，詳細(xì)說明了ESL的軟硬件設(shè)計(jì)，解決了ESL的低功耗及實(shí)用性問題，有利于ESL的推廣及應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)和工作原理

ESL系統(tǒng)由ESL服務(wù)器、ESL管理系統(tǒng)、無線路由器、網(wǎng)關(guān)、ESL和手持終端組成，總體架構(gòu)如圖1所示。ESL用于顯示商品名、價(jià)格、產(chǎn)地和一維條碼等信息，具有唯一的身份標(biāo)識(shí)（EID）。網(wǎng)關(guān)是連接ESL服務(wù)器與ESL的橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)。手持機(jī)具有條碼掃描功能，實(shí)現(xiàn)商品、ESL和網(wǎng)關(guān)的綁定與解綁、商品信息核價(jià)、盤點(diǎn)等功能。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

ESL系統(tǒng)中，ESL部署為藍(lán)牙從機(jī)，定時(shí)廣播，等待主機(jī)連接；網(wǎng)關(guān)作為藍(lán)牙主機(jī)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式對(duì)ESL發(fā)起連接和傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行首先將設(shè)備進(jìn)行安裝、配置，此時(shí)ESL為自由狀態(tài)，以一維條碼的形式顯示EID，通過手持機(jī)建立ESL與網(wǎng)關(guān)的綁定關(guān)系。然后通過手持機(jī)建立商品與ESL之間一對(duì)一或一對(duì)多的綁定關(guān)系。當(dāng)ESL管理系統(tǒng)更改商品信息時(shí)，ESL服務(wù)器將更新數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到ESL上顯示，ESL更新成功后發(fā)送反饋信息，通知ESL服務(wù)器更新POS數(shù)據(jù)庫。

2 電子貨架標(biāo)簽硬件低功耗設(shè)計(jì)

ESL由無線收發(fā)模塊、顯示模塊、控制器模塊和能量供應(yīng)模塊組成[2]。硬件設(shè)計(jì)時(shí)選擇低功耗的主控制器和與主控制器工作電壓相匹配的低電壓、低功耗外圍器件，并選取合適的上拉/下拉電阻，降低硬件功耗。

2.1 藍(lán)牙4.0無線模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙4.0無線模塊選擇 TI公司的CC2540F256，該芯片集成一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核、RF收發(fā)器、8 KB RAM和256 KB閃存記憶，是一款完整型低功耗藍(lán)牙(BLE)單模式芯片解決方案[5]，具有超低功耗的睡眠模式和運(yùn)行模式，在PM2模式下電流只有 0.9 μA，能適應(yīng)低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景。硬件電路包括巴倫匹配電路[5]、外部32 MHz和32.768 kHz晶振電路，以及反向F型PCB天線，電路如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙4.0無線模塊電路

2.2 顯示模塊設(shè)計(jì)

電子紙具有無需背光、掉電后仍可顯示的特性[5]，極大地降低了顯示功耗。顯示模塊采用具有4級(jí)灰度級(jí)的奧翼 2.1英寸電子紙顯示模組，分辨率為 172×72，內(nèi)部集成CMOS型顯示控制器SPD2701，該芯片內(nèi)置可編程電荷泵、顯存、內(nèi)部1 MHz晶振和SPI接口。采用 24引腳的FPC接口與底板連接，將串行輸入（SDIN）、時(shí)鐘（SCLK）、數(shù)據(jù)/命令（D/C）、片選（CS）和忙狀態(tài)（BUSY）引 腳 分 別 與 CC2540 的 P0_3、P0_5、P1_2、P1_3 和 P1_0引腳連接，BUSY引腳用來判斷電子紙刷新是否完成。

2.3 能量供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

考慮ESL對(duì)大小和使用方便性的要求，采用鋰電池供電，能量供應(yīng)模塊采用LY2508A33芯片為CC2540和電子紙?zhí)峁?.3 V的工作電壓，并通過升壓電路為電子紙刷新提供+15 V高壓和-15 V低壓驅(qū)動(dòng)，升壓電路如圖3所示。通過GDR和RESE引腳控制N溝道場(chǎng)效應(yīng)管產(chǎn)生PREVGH和PREVGL驅(qū)動(dòng)電壓。

圖3 升壓電路

3 電子貨架標(biāo)簽軟件低功耗設(shè)計(jì)

ESL軟件設(shè)計(jì)需要考慮低功耗和實(shí)用性，采用TI的BLE-CC254x-1.3低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧[6]，基于 OSAL(Operating System Abstraction Layer)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用事件驅(qū)動(dòng)方式延長(zhǎng)ESL的休眠時(shí)間。軟件設(shè)計(jì)包括通信協(xié)議設(shè)計(jì)、電子紙顯示子程序設(shè)計(jì)、電量檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)和ESL主程序設(shè)計(jì)。

3.1 藍(lán)牙通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與ESL之間可靠的通信和交互，并盡量減少攜帶無關(guān)信息，降低功耗，設(shè)計(jì)一套可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包格式，如圖4所示。協(xié)議采用低功耗藍(lán)牙短數(shù)據(jù)包格式，鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元提供27 B數(shù)據(jù)負(fù)載[3]，定義 L2CAP層數(shù)據(jù)包格式為：屬性句柄、數(shù)據(jù)負(fù)載長(zhǎng)度、包類型和數(shù)據(jù)。包類型分為數(shù)據(jù)包和命令包，數(shù)據(jù)包攜帶可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù),命令包攜帶相關(guān)參數(shù)。

3.2 電子紙顯示子程序設(shè)計(jì)

圖4 通信協(xié)議格式

當(dāng)有更新事件 （ESL_UPDATE_EVT）響應(yīng)時(shí)，電子紙顯示子程序通過控制數(shù)據(jù)/命令 （D/C）引腳，使用SPI接口對(duì)SPD2701發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)芯片初始化和顯示控制。程序流程如圖5所示。電子紙顯示子程序首先對(duì)SPD2701進(jìn)行復(fù)位，設(shè)置顯示參數(shù)和刷新參數(shù)，顯示參數(shù)包括數(shù)據(jù)輸入模式、顯存RAM的起始和結(jié)束地址、計(jì)數(shù)器起始地址?？赏ㄟ^設(shè)置顯示參數(shù)實(shí)現(xiàn)局部刷新，減少無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。刷新參數(shù)包括升壓反饋、邊界波形和刷新步驟。參數(shù)設(shè)置完成后輸入90 B的波形查找表，將顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到顯存RAM空間，發(fā)送更新命令（20h），由控制器通過查找波形表將顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成源級(jí)（source）和門級(jí)（gate）電壓，驅(qū)動(dòng)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)顯示。

啟動(dòng)電子紙刷新時(shí)（刷新需2 s左右），向主機(jī)發(fā)送連接參數(shù)更新請(qǐng)求，設(shè)置不同的連接間隔，降低連接功耗。在獲取BUSY引腳降低信號(hào)時(shí)采用中斷代替查詢，在中斷服務(wù)中設(shè)置電子紙進(jìn)入深度睡眠，降低主控制器和顯示器的功耗。

圖5 電子紙顯示子程序流程圖

3.3 電量檢測(cè)子程序設(shè)計(jì)

ESL使用電池供電，電量檢測(cè)有利于ESL的管理。在ESL中建立電量服務(wù)，并在服務(wù)中增加用于存儲(chǔ)電量值的屬性，設(shè)置通用唯一標(biāo)識(shí)碼（UUID）為 2A19h，屬性權(quán)限為認(rèn)證可讀。設(shè)置周期為一天的電量檢測(cè)事件（BATT_CHEK_EVT），在事件處理函數(shù)中使用內(nèi)部模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），設(shè)置 10 bit有效位，采用 AIN7通道，將電池電壓值轉(zhuǎn)換成百分比存儲(chǔ)到電量服務(wù)中。

3.4 ESL主程序設(shè)計(jì)

主程序?qū)崿F(xiàn)3個(gè)功能：廣播及配對(duì)認(rèn)證、數(shù)據(jù)收發(fā)和工作模式的實(shí)現(xiàn)。為適應(yīng)不同種類商品價(jià)格更改頻率的差異，并盡量延長(zhǎng)ESL睡眠時(shí)間，設(shè)計(jì)ESL工作模式為：白天采用動(dòng)態(tài)可調(diào)的睡眠機(jī)制，晚上睡眠，由ESL系統(tǒng)進(jìn)行配置。主程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行硬件和協(xié)議初始化，硬件初始化包括SPI接口初始化、I/O口初始化和電子紙初始化，調(diào)用存儲(chǔ)在Flash中的包含EID信息的一維條碼顯示在屏幕上。協(xié)議初始化包括廣播參數(shù)、連接參數(shù)、配對(duì)認(rèn)證方式的配置，設(shè)置廣播數(shù)據(jù)只發(fā)送MAC地址，降低廣播時(shí)的功耗。初始化完成后進(jìn)入廣播狀態(tài)，當(dāng)有連接請(qǐng)求時(shí)主動(dòng)發(fā)起配對(duì)認(rèn)證請(qǐng)求，并采用AES-128加密鏈路層[5]，防止第三方惡意更改ESL的顯示內(nèi)容。連接建立后，有數(shù)據(jù)接收時(shí)，由OSAL發(fā)送系統(tǒng)消息事件(SYS_EVENT_MSG)，在事件處理函數(shù)中對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，啟動(dòng)相應(yīng)事件處理。有斷開連接請(qǐng)求時(shí)，設(shè)置睡眠時(shí)間，關(guān)閉32 MHz晶振和數(shù)字穩(wěn)壓器，采用32.768 kHz晶振為睡眠定時(shí)器提供時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可調(diào)的睡眠機(jī)制。

圖6 ESL主程序流程圖

4 測(cè)試及結(jié)果

4.1 功耗測(cè)試

ESL功耗測(cè)試工具為數(shù)字萬用表、直流電源和示波器[7]。使用數(shù)字萬用表測(cè)得睡眠狀態(tài)下（PM2模式）電流Is為0.007 0 mA。其他狀態(tài)的測(cè)試方法為：在ESL電源輸入端串聯(lián)一個(gè)10 Ω的電阻，直流電源提供3.7 V電壓，設(shè)置發(fā)射功率為 4 dBm，接收靈敏度為-93 dBm，使用示波器測(cè)得電阻兩端的電壓波形，波形如圖7所示。得出單個(gè)事件的工作時(shí)間Tw，通過把波形分割成不同小段估算出單個(gè)事件的平均工作電流Iw，在數(shù)據(jù)傳輸階段和等待電子紙刷新階段設(shè)置間隔時(shí)間Ti分別為15 ms和1 s，利用如下式(1)計(jì)算出不同狀態(tài)的平均電流Ia，如表1所示。

圖7 示波器測(cè)量波形圖

經(jīng)過測(cè)試得出，ESL全局更新時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為2.82 s，電子紙刷新時(shí)間為 2.26 s。按白天廣播（12 h）晚上睡眠（12 h）的工作方式進(jìn)行2次商品信息更改的頻率計(jì)算，每天平均功耗為 0.243 3 mAh，故230 mAh的電池可以使用約2.5年，達(dá)到了低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 電子紙貨架標(biāo)簽功耗表

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將系統(tǒng)部署后ESL處于自由狀態(tài)，顯示屏上以一維條碼形式顯示EID；與商品綁定后，更改商品價(jià)格，更新數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸由網(wǎng)關(guān)發(fā)送到ESL顯示。經(jīng)過系統(tǒng)連續(xù)測(cè)試，無線通信穩(wěn)定可靠，并可動(dòng)態(tài)調(diào)整ESL的廣播和睡眠時(shí)間，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本文在整合新型電子紙顯示技術(shù)、低功耗藍(lán)牙技術(shù)的基礎(chǔ)上，從低功耗和實(shí)用性設(shè)計(jì)策略出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了電子貨架標(biāo)簽的設(shè)計(jì)，滿足了零售單位準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)更新商品信息、貨架盤點(diǎn)、促銷變價(jià)等需求。測(cè)試結(jié)果證明，電子貨架標(biāo)簽工作穩(wěn)定，安全可靠，具有功耗低、節(jié)約成本和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的市場(chǎng)推廣前景。

[1]曹軍，趙寧，許浩博，等.基于嵌入式單片機(jī)和射頻技術(shù)的電子價(jià)格標(biāo)簽[J].電子器件，2012，35(4)：477-479.

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[3]Bluetooth SIG.Bluetooth specification version 4.0[EB/OL].(2010-06)[2014-01].https：//www.bluetooth.org/docman/handlers/downloaddoc.ashx?doc_id=229737.

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[5]Texas Instruments.CC2540/41 System-on-Chip solution for 2.4-GHz Bluetooth low energy application user′s guide[EB/OL].(2012-04)[2014-01].http：//www.ti.com/lit/ug/swru191e/swru191e.pdf.

[6]Texas Instruments.CC2540/41 Bluetooth low energy software developer′s guide[EB/OL].(2013-06)[2014-01].http://www.ti.com/lit/ug/swru271f/swru271f.pdf.

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