基于NFC技術(shù)的智能廣告牌系統(tǒng)設(shè)計與實驗分析

周 燕

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104; 2.蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

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基于NFC技術(shù)的智能廣告牌系統(tǒng)設(shè)計與實驗分析

周 燕1,2

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104; 2.蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院,江蘇 蘇州 215006)

以32 bit ARM STM32F103單片機為控制核心，以近場無線通信(NFC)技術(shù)為圖像信息傳輸?shù)姆绞剑O(shè)計并實現(xiàn)了一種基于NFC技術(shù)的智能廣告牌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用I2C通信接口技術(shù)實現(xiàn)了NFC電路模塊與主控模塊之間的有效通信；采用C#.net技術(shù)開發(fā)設(shè)計了NFC讀寫器的上位機程序及廣告圖片的處理程序；通過上位機程序的控制，當(dāng)NFC讀寫器靠近NFC標(biāo)簽時，可實現(xiàn)廣告信息的有效發(fā)布、讀取及修改功能。整個系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、數(shù)據(jù)交互量大、傳輸穩(wěn)定、響應(yīng)時間快、操作便捷安全。實驗結(jié)果驗證了本文設(shè)計方案的正確性，證實了所設(shè)計的系統(tǒng)具有一定的理論研究意義和實用性。

NFC技術(shù)； STM32F103單片機； 智能廣告牌； I2C通信，上位機

0 引 言

隨著社會的不斷發(fā)展，廣告扮演著越來越重要的宣傳角色。傳統(tǒng)的廣告牌的設(shè)計主要以紙質(zhì)材料或電子顯示屏等作為媒介來實現(xiàn)廣告信息的表達，其缺點是當(dāng)用戶想要記錄廣告信息時，必須要自己手動將信息記錄下來。近年來，隨著近場無線通信(Near Field Communication, NFC)技術(shù)[1-4]的不斷發(fā)展，在廣告牌的設(shè)計中嵌入NFC技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。NFC支持的協(xié)議[5-6]為ISO15693，頻段為13.56MHz，最大傳輸速率為26 kbit/s。NFC技術(shù)因其具有功耗小、安全性能高、方便快捷、低成本等優(yōu)點目前已被廣泛應(yīng)用在信息傳輸領(lǐng)域[7-9]。鑒于上述理由，為了解決傳統(tǒng)廣告牌存在的缺陷[10]，結(jié)合嵌入式單片機STM32F103和NFC技術(shù)的優(yōu)點，本文設(shè)計了一種基于NFC技術(shù)的智能廣告牌系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用NFC技術(shù)作為信息的載體，在原有的紙質(zhì)廣告牌中加入NFC電子標(biāo)簽(Tag),持有NFC功能的個人智能終端只需要采用NFC讀寫器靠近廣告牌內(nèi)嵌的Tag從而獲得更多的感興趣信息，比如產(chǎn)品折扣信息、商家聯(lián)系方式、產(chǎn)品功能說明等。本系統(tǒng)具有通信距離近、能耗低、可以輕松、安全、迅速建立通信等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于NFC技術(shù)的智能廣告牌系統(tǒng)的設(shè)計采用STM32F103作為中央處理器，由于STM32F103具有存儲容量大、功耗低、接口速率高、成本低且具有可編程的電壓探測器(PVD)等優(yōu)點，因此，本設(shè)計中選擇了ARM STM32F103嵌入式單片機[11-13]作為控制核心，主要實現(xiàn)對NFC電路模塊的控制、I2C通信接口的控制及廣告信息顯示控制功能。ST公司的新型NFC芯片M24LR64具有口令保護的64 Kb EEPROM以及400 kHz I2C串行總線，可實現(xiàn)近場通信(NFC)技術(shù)[14-15]。因此，本設(shè)計中采用M24LR64作為NFC標(biāo)簽?zāi)K的信息采集部件，NFC讀寫器采用ST公司的CR95HF，顯示設(shè)備采用2.4寸TFT液晶屏。同時輔以發(fā)光二極管和蜂鳴器組成的聲光報警電路、鍵盤控制電路等組成智能廣告牌系統(tǒng)，所設(shè)計系統(tǒng)的方框原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

在圖1所示的設(shè)計方案中，利用NFC讀寫器和圖像處理軟件實現(xiàn)對NFC設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)NFC讀寫器靠近海報上的NFC標(biāo)識時，M24LR64會自動喚醒STM32F103讀取圖片信息，便可下載相關(guān)廣告信息，顯示在TFT液晶屏上。NFC可進行雙向通信，只要是支持NFC的終端設(shè)備就可以讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)，不僅實現(xiàn)了廣告信息的有效發(fā)布，而且實現(xiàn)了用戶與廣告發(fā)布商之間的信息交互功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計，主要包括STM32F103最小控制系統(tǒng)、NFC標(biāo)簽電路、NFC讀寫器電路模塊、I2C通信電路、廣告信息顯示模塊、聲光報警電路、鍵盤控制模塊等。主控電路主要實現(xiàn)低功耗模式，采用外部中斷總線喚醒，根據(jù)實驗測試，該功耗小于16 μA。喚醒的方式主要包括了鍵盤中斷、NFC無線中斷，主控電路還包括了TFT液晶屏驅(qū)動電路。NFC電路模塊主要包括天線、EEPROM操作接口、無線供電系統(tǒng)及無線喚醒中斷接口(VOUT)。I2C通信電路主要是實現(xiàn)單片機和NFC芯片的數(shù)據(jù)交互，該電路滿足I2C的通用設(shè)計規(guī)范。廣告信息顯示模塊將NFC獲取的數(shù)據(jù)在TFT液晶屏上進行顯示，其數(shù)據(jù)格式包括點陣LOG信息和文字圖像信息。在系統(tǒng)的設(shè)計與制作過程中，首先對各個模塊進行詳細(xì)的分析、焊接、測試，使所設(shè)計的系統(tǒng)達到設(shè)計的要求。限于篇幅，這里主要介紹主控電路模塊、NFC標(biāo)簽電路模塊、I2C通信電路、廣告信息顯示模塊。

2.1 STM32F103最小控制系統(tǒng)電路

STM32F103 是基于超低功耗的ARM Cortex-M3 處理器內(nèi)核，且?guī)в?2 KB閃存的微控制器，最高工作頻率72 MHz，具有可編程的電壓探測器(PVD)。STM32F103具有內(nèi)部40 kHz的RC振蕩電路，工作電壓范圍為2.0～3.6 V，2個12位的μs級的A/D轉(zhuǎn)換器，以及多達16 個輸入通道、80個快速I/O端口和13個通信接口，因此功能較強大，實現(xiàn)NFC電路模塊的控制、廣告信息的顯示等。

2.2 NFC標(biāo)簽電路模塊

NFC標(biāo)簽電路模塊采用一種超低功耗的基于電磁感應(yīng)耦合的自供電通信技術(shù)模式，NFC標(biāo)簽選擇M24LR64 雙接口EEPROM，通信頻段為13.56 MHz，通信協(xié)議使用ISO15693。NFC標(biāo)簽電路模塊主要包括天線、電源管理、耦合電源輸出、I2C通信電路。天線線圈越大，就越容易和讀寫器產(chǎn)生電磁耦合，從而提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。電源管理電路是采用STM32F103的PC0輸出高電平控制，M24LR64所需的驅(qū)動電壓為3.3 V。耦合電源輸出電路是VOUT輸出高低電平通知STM32F103有設(shè)備進行NFC通信。NFC標(biāo)簽電路框圖如圖2所示。

在圖2中，由于M24LR64芯片支持電磁波供電，即當(dāng)NFC讀寫器靠近NFC芯片時，芯片自動感應(yīng)電磁波提供的能量，內(nèi)部芯片電源開啟，以便和讀寫器通信；與此同時，M24LR64的VOUT引腳輸出3.3 V的電壓，通知STM32F103有設(shè)備對NFC芯片操作。在M24LR64寫入完成后，讀寫器移開瞬間，M24LR64的VOUT引腳輸出電壓為零，由此，設(shè)置STM32F103的一個I/O管腳為下降沿觸發(fā)中斷模式，感應(yīng)NFC數(shù)據(jù)被更新，即當(dāng)讀寫器操作完成后，STM32F103立即給M24LR64的VDD供電，操作其內(nèi)部EEPROM。

圖2 NFC標(biāo)簽電路框圖

2.3 I2C通信協(xié)議接口

I2C電路是NFC模塊中的M24LR64與主控器STM32F103進行數(shù)據(jù)通信的接口電路?？煽康腎2C通信協(xié)議接口保證了NFC電路模塊與主控器單元之間的有效通信，包括快速讀取EEPROM數(shù)據(jù)，及可靠的寫入EEPROM數(shù)據(jù)。I2C 總線采用一個由一條雙向數(shù)據(jù)線SDA和一條時鐘線SCL組成的雙線串口，并且需要采用10 kΩ電阻上拉。如圖3所示。

圖3 I2C通信電路框圖

2.4 LCD驅(qū)動顯示模塊

系統(tǒng)使用CORTEX M3作為主控制芯片，顯示驅(qū)動使用M3自帶的可變靜態(tài)存儲控制器(Flexible Static Memory Controller, FSMC) 總線控制TFT屏接口，其包括數(shù)據(jù)線、RD、WR、CS、RST等控制線。在控制時，只需往緩存中丟數(shù)據(jù)即可，不需要額外控制控制總線。在STM32F103讀取完EEPROM后，立即更新LCD驅(qū)動顯示。LCD選擇8bTFT液晶屏，分辨率為320*240，驅(qū)動芯片選擇ILI9320，這里需要根據(jù)控制命令(1B)和坐標(biāo)信息解析出LOG圖像信息或者文字信息，在對應(yīng)的位置顯示圖像。顯示圖像分為：全屏顏色控制、圖像LOG顯示、文字信息顯示等內(nèi)容。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在基于NFC技術(shù)的廣告牌的設(shè)計中，系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計，主要包括應(yīng)用程序及終端程序的設(shè)計，應(yīng)用程序包括上位機的程序設(shè)計，即NFC讀寫器CR95HF的USB通信接口子程序、圖像處理子程序、警告信息處理子程序。終端程序包括NFC電路與主控單元的通信子程序、顯示驅(qū)動子程序、鍵盤控制子程序。各個子程序經(jīng)過單獨調(diào)試后再統(tǒng)一進行調(diào)試，本設(shè)計的軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計流程

4 測試結(jié)果與分析

4.1 硬件電路

按照設(shè)計要求所制作的基于NFC技術(shù)的智能廣告牌系統(tǒng)的硬件實物包括STM32F103最小控制系統(tǒng)模塊、NFC標(biāo)簽電路模塊、NFC讀寫器電路模塊、I2C通信電路、廣告信息顯示模塊、聲光報警電路、鍵盤控制模塊以及PC機。

4.2 上位機界面

基于NFC技術(shù)的智能海報系統(tǒng)通過上位機程序控制廣告圖像的發(fā)布及修改，其上位機界面如圖5所示。主要功能實現(xiàn)如下：

(1) 打開設(shè)備。將NFC讀寫器CR95HF的USB口連接至電腦，設(shè)備板上的指示燈閃爍，表示啟動正常。將終端加電，屏幕顯示一副圖像“蘇州市職業(yè)大學(xué)歡迎您”。在界面上操作打開設(shè)備，信息框顯示“DEMO-CR95HF-A is connected and ready to be used”。

(2) 數(shù)據(jù)下發(fā)。在應(yīng)用程序點擊前，將讀寫器放在NFC天線線圈位置，點擊對應(yīng)的按鈕后，由于天線耦合能量，NFC芯片的VOUT首先被置為高電平，然后數(shù)據(jù)將下發(fā)至NFC芯片內(nèi)部。在完成后，設(shè)備移開瞬間，VOUT就被變?yōu)榈碗娖?。終端設(shè)備主要就是通過VOUT的下降沿，識別是否有數(shù)據(jù)被下發(fā)。

(3) 群控命令。群控命令控制顯示終端全屏顏色顯示，在群控命令下的類型選中一種顏色控制，點擊“全屏命令”(此時讀寫器需要放在終端的NFC標(biāo)簽設(shè)備線圈上)。當(dāng)出現(xiàn)對話框，提示移開讀寫器時，將讀寫器移開終端，終端開始動作。顯示顏色共有12種。

(4) LOG圖像的操作。包括打開圖像(30*30的BMP)和處理圖像，在處理完圖像會自動下發(fā)至終端。圖像下發(fā)過程中包括兩種模式，即更新模板(全屏顯示該圖像)和局部更新(根據(jù)輸入的行地址及列地址，顯示LOG圖像)，控制方式是選中全屏更新。

(5) TXT圖像的操作。包括打開圖像(120*120的BMP)和處理圖像，在處理完圖像會自動下發(fā)至終端。圖像下發(fā)過程中包括兩種模式，即更新模板(全屏顯示該圖像)和局部更新(根據(jù)輸入的行地址及列地址，顯示TXT圖像)，控制方式是選中全屏更新。

(6) 信息區(qū)顯示。主要是操作提示的功能。

4.3 實驗結(jié)果及分析

4.3.1 全屏顏色控制顯示

在液晶屏上修改背景顏色的實驗步驟如下：

(1)讀寫器需要放在終端的NFC標(biāo)簽設(shè)備線圈上；

(2)在群控命令下的類型選中一種顏色控制，點擊“全屏命令”，顯示顏色共有12種。

(3)當(dāng)出現(xiàn)對話框，提示移開讀寫器時，將讀寫器移開終端，終端開始動作。

4.3.2 LOG圖像顯示

顯示LOG廣告圖像的實驗步驟如下：

(1) 打開圖像。點擊“打開LOG圖像”，圖像是30*30的BMP。

(2) 行列設(shè)置。設(shè)置顯示LOG的位置。終端顯示屏大小為320(列)*240(行)。

(3) 全屏選中。更新模板(全屏顯示該圖像)和局部更新(根據(jù)輸入的行地址及列地址，顯示LOG圖像)，本實驗中選擇的行列地址都為100。

(4) 處理圖像并下發(fā)NFC數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換圖像為RGB565格式數(shù)據(jù)，下發(fā)至讀寫器，進而傳輸至終端。當(dāng)在傳輸中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者掉電，會出現(xiàn)報警對話框。用戶需要重新操作。在傳輸過程中有對話框顯示進度。移開讀寫器設(shè)備，液晶顯示屏開始顯示圖像，如圖6所示，上邊為上位機界面顯示的圖像，下邊為液晶顯示屏上顯示的圖像。

4.3.3 TXT圖像顯示

TXT廣告圖像顯示的操作包括以下幾步：

(1) 打開圖像。點擊“打開TXT圖像”，圖像是120*120的BMP。

(2) 行列設(shè)置。設(shè)置顯示TXT的位置。終端顯示屏大小為320(列)*240(行)。

(3) 全屏選中。更新模板(全屏顯示該圖像)和局部更新(根據(jù)輸入的行地址及列地址，顯示TXT圖像)，本實驗中選擇的行地址為50，列地址為120.

(4) 處理圖像并下發(fā)NFC數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換圖像為RGB565格式數(shù)據(jù)，下發(fā)至讀寫器，進而傳輸至終端。當(dāng)在傳輸中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或者掉電，出現(xiàn)報警對話框，用戶需要重新操作。在傳輸過程中有對話框顯示進度。

(5) 顯示。移開讀寫器設(shè)備，終端開始在LCD上顯示廣告圖像，如圖7右圖所示。

(a)上位機界面顯示的LOG圖像

(b)液晶顯示屏顯示的LOG圖像

(a)上位機界面顯示的TXT圖像

(b)液晶顯示屏顯示的TXT圖像

5 結(jié) 語

NFC技術(shù)作為一種新興的無線通信技術(shù)，具有距離近、帶寬高、能耗低，可以輕松、安全、迅速建立自動通信等優(yōu)點。智能海報是NFC技術(shù)的典型應(yīng)用，通過NFC技術(shù)實現(xiàn)用戶和廣告商之間的交互操作。本設(shè)計采用STM32F103作為中央處理器，并采用ST公司的新型NFC芯片M24LR64作為信息采集部件，NFC讀寫器采用ST公司的CR95HF，并利用USB讀寫器和圖像處理軟件實現(xiàn)對NFC設(shè)備的圖像數(shù)據(jù)傳輸，顯示設(shè)備采用2.4寸TFT液晶屏。其特征是當(dāng)NFC讀寫器靠近海報上的NFC標(biāo)識時，M24LR64會自動喚醒主控器STM32F1O3讀取圖片信息，便可下載相關(guān)商品信息，顯示在TFT液晶屏上。NFC可進行雙向通信，只要是支持NFC的終端設(shè)備就可以讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)，不僅實現(xiàn)了廣告信息的有效發(fā)布，而且實現(xiàn)了用戶與廣告發(fā)布商之間的信息交互功能。本文對智能海報系統(tǒng)的應(yīng)用進行了初步的研究，NFC技術(shù)還可以應(yīng)用于許多方面，比如：NFC技術(shù)應(yīng)用于游戲身份驗證和下載、在線購買商品、移動支付等方面。

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Design and Experimental Analysis of An Intelligent Billboard System Based on NFC Technology

ZHOUYan1，2

(1. College of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China;2. College of Electronic and Information Engineering, Soochow University, Suzhou 215006, China)

Using the 32bit STM32F103 ARM as the control core, and applying the near field communication technology as the transmission method for image information, an intelligent billboard system based on NFC technology was designed and realized in this paper. In this system, the I2C communication interface technology was adopted to effectively realize the communication between the NFC circuit module and the main control module. The PC program for NFC and the image processing program were developed by the technology of C#.net. Through the PC program control, when NFC read-write device is close to the NFC tag, the function of this system can be realized, that is, the advertisement information can be released, read and modified. In this paper, the hardware and software of the system are designed reasonably, and the amount of data interaction is large, the transmission is stabile, the response time is fast, moreover, the operation is convenient and safety. Experimental results has proved the correctness of the proposed scheme in this paper, it confirmed that the design of the system has certain theoretical research significance and practicality．

NFC technology; STM32F103 microcontroller; intelligent billboard; I2C communication; upper computer

2014-06-30

江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201311054001Y);江蘇省“青藍工程”資助項目

周 燕(1980-)，女，江蘇蘇州人，博士在讀，講師，主要從事通信技術(shù)專業(yè)的教學(xué)及研究。

Tel.: 13862595119; E-mail: zhyan@jssvc.edu.cn

TP 368.1

A

1006-7167(2015)03-0130-04