基于電子紙顯示技術(shù)的紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃麗杰

摘 要：為解決紅酒儲(chǔ)運(yùn)中環(huán)境參數(shù)測(cè)量的問題，文章設(shè)計(jì)了一種基于電子紙顯示技術(shù)的紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：以MSP430G2553為核心的RFID電子標(biāo)簽（1個(gè)或多個(gè)）、以STC12LE5A60S2為核心的THRW 2000型溫濕度讀寫器和基于B/S模式的上位機(jī)應(yīng)用軟件。測(cè)試結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置簡(jiǎn)便，測(cè)量值準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：電子紙；RFID電子標(biāo)簽；讀寫器；應(yīng)用軟件

環(huán)境參數(shù)對(duì)紅酒品質(zhì)的影響很大，在紅酒儲(chǔ)運(yùn)的過程中，溫濕度是最基本、最重要的影響因素，適宜的環(huán)境溫濕度可以延緩紅酒的變質(zhì)，避免紅酒的大量浪費(fèi)?，F(xiàn)有的紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大部分是依靠簡(jiǎn)單的管理系統(tǒng)和人工操作相結(jié)合，不僅容易出錯(cuò)、準(zhǔn)確率不高，而且方式繁瑣，浪費(fèi)大量的時(shí)間，使得工作效率低下、人力資源浪費(fèi)，管理成本相對(duì)較高，很難保證溫濕度數(shù)據(jù)的正確性，不能為用戶提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

電子紙顯示技術(shù)是具有和傳統(tǒng)紙張同樣輕薄、又可擦寫的電子顯示技術(shù)，由于該技術(shù)擁有雙穩(wěn)態(tài)特性，因此屏幕顯示時(shí)不會(huì)耗費(fèi)大量電能，在很大程度上節(jié)約了能源[1]。電子紙雖然在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)植物纖維紙完全不同，但卻與其有著相似的特征，具有閱讀舒適、攜帶簡(jiǎn)便、信息存儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)一種基于電子紙顯示的紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的自由采集、安全的數(shù)據(jù)存取通道、數(shù)據(jù)的可視化顯示和分析，離線狀態(tài)下就可以獲得數(shù)據(jù)信息等功能，不僅能夠提升工作效率，而且也滿足了現(xiàn)代化紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)管理的發(fā)展需求。

1 電子紙顯示技術(shù)

電子紙，又叫數(shù)碼紙，數(shù)字化紙，是一種超薄，超輕的顯示屏[2]。其顯示效果和傳統(tǒng)的紙張一樣，讓用戶閱讀舒適，并且能夠和傳統(tǒng)的液晶顯示屏一樣更改和刷新信息。電子紙外形與紙或者投影片相似，厚度一般小于1 mm，在有陽光的場(chǎng)所，其文字識(shí)別度比液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）要高，可比擬報(bào)紙[3]。電子紙內(nèi)部有芯片線路，和集成電路（Integrated Circuit，IC）芯片的結(jié)構(gòu)相似其使用的主要材料為聚酯類化合物，紙面上印有硅膠電路，為了可以更好地控制表面電荷的改變，而使電子紙顯示文字圖片等信息的便是電子墨。

電子紙顯示技術(shù)方法大致包括4種，即膽固醇液晶顯示技術(shù)、電泳顯示技術(shù)、雙穩(wěn)態(tài)向列液晶顯示技術(shù)以及電子粉流體顯示技術(shù)[2]。其中發(fā)展最為成熟、最具代表性的就是電泳顯示技術(shù)，電泳顯示原理主要是以外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)懸浮在溶液中的帶電粒子，應(yīng)用粒子現(xiàn)有位置的變化，以呈現(xiàn)出粒子與溶液、背板或粒子與粒子之間顏色的比較，并作出影像顯示。該系統(tǒng)的電子紙顯示模塊采用的就是電泳顯示技術(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于電子紙顯示技術(shù)的紅酒環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由電子標(biāo)簽（Radio Frequency Identification，RFID）（1個(gè)或多個(gè)）、THRW 2000型溫濕度讀寫器及上位機(jī)應(yīng)用軟件組成。RFID電子標(biāo)簽按照給定周期實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的紅酒溫濕度信息，及時(shí)傳送給THRW 2000型溫濕度讀寫器。不同RFID電子標(biāo)簽傳送的數(shù)據(jù)都具有不同的標(biāo)簽ID號(hào)，用以區(qū)分紅酒儲(chǔ)運(yùn)的監(jiān)測(cè)位置。紅酒監(jiān)測(cè)點(diǎn)的管理人員可以通過電子紙顯示屏實(shí)時(shí)查看紅酒環(huán)境參數(shù)信息，并根據(jù)該信息進(jìn)行及時(shí)決策。THRW 2000型溫濕度讀寫器將接收到的信息上傳給PC機(jī)，PC機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)各紅酒儲(chǔ)運(yùn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，PC機(jī)端監(jiān)控人員不僅可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而且可以通過監(jiān)控平臺(tái)調(diào)取歷史溫濕度數(shù)據(jù)，可視化查看歷史溫濕度數(shù)據(jù)曲線圖，及時(shí)了解紅酒儲(chǔ)運(yùn)各監(jiān)測(cè)位置的環(huán)境情況?；陔娮蛹堬@示技術(shù)的紅酒環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 RFID電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)

RFID電子標(biāo)簽放置在紅酒儲(chǔ)藏的貨架上或紅酒運(yùn)輸?shù)呢浵淅?，所有的RFID電子標(biāo)簽都只有一個(gè)ID號(hào)，一個(gè)THRW 2000型溫濕度讀寫器可以同時(shí)讀取多個(gè)RFID電子標(biāo)簽的溫度和濕度數(shù)據(jù)，RFID電子標(biāo)簽內(nèi)部的標(biāo)簽ID用以區(qū)分不同紅酒儲(chǔ)運(yùn)監(jiān)測(cè)位置。RFID電子標(biāo)簽由CPU芯片，電子紙顯示模塊，溫濕度傳感器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，紐扣式電池供電模塊及2.4 GHz無線射頻模塊組成。RFID電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

RFID電子標(biāo)簽中央處理器（Central Processing Unit，CPU）芯片采用MSP430G2553芯片，其硬件資源豐富，是超低功耗、擁有精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set，RIS）的微處理器，并且具有較好的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算能力、強(qiáng)大的模擬方法、充足的片上模塊和便捷的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

電子紙顯示模塊主要由顯示屏和控制器及外圍接口電路構(gòu)成。電子紙顯示屏采用段碼式電子紙顯示屏，通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）顯示接口接入中央處理模塊?？刂破靼阎醒胩幚砥鱾鬏斶^來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉巷@示屏的控制電壓，通過控制顯示屏內(nèi)帶電粒子的移動(dòng)來完成顯示。因?yàn)殡娮蛹堬@示屏對(duì)溫度敏感，所以可以利用溫度傳感器的數(shù)據(jù)來改變電子紙顯示屏的控制電壓輸入值?？刂破餍枰饨覵DRAM作為顯存，這樣能夠同時(shí)存儲(chǔ)大量待顯示的數(shù)據(jù)。電子紙驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）指令為電子紙屏幕管理顯存、控制電壓輸出以及選擇刷新模式，最終完成電子紙顯示。

溫濕度傳感器采用溫濕度一體檢測(cè)芯片SHT20，提供高精度的溫度和濕度檢測(cè)，該傳感器濕度分辨率8/12 bit、溫度分辨率12/14 bit，能夠通過輸入指令進(jìn)行設(shè)置，濕度正常測(cè)量范圍0-80%RH 、溫度為 -40～+125 ℃[4]。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過存儲(chǔ)接口電路接入中央處理模塊，采集到的溫濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；紐扣式電池供電模塊配置專用CR3032的3 V紐扣式鋰電池，可長(zhǎng)時(shí)間為電子標(biāo)簽供電。endprint

2.4 GHz無線射頻模塊采用低功耗收發(fā)芯片nRF24L01P，具有高達(dá)2 Mbps無線傳輸速率[5]，且內(nèi)置硬件鏈路層，適于進(jìn)行程序研發(fā)。nRF24L01模塊通過SPI的方法與CPU進(jìn)行通信。RFID電子標(biāo)簽與THRW 2000型溫濕度讀寫器通過2.4 GHz無線射頻模塊傳輸信號(hào)。

2.2 THRW 2000型溫濕度讀寫器設(shè)計(jì)

THRW 2000型溫濕度讀寫器安裝在距離RFID電子標(biāo)簽1 km以內(nèi)的范圍內(nèi)，由CPU芯片，電源供電模塊，SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，網(wǎng)絡(luò)通信模塊及2.4 GHz無線射頻模塊組成。THRW 2000型溫濕度讀寫器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

THRW 2000型溫濕度讀寫器CPU芯片采用型號(hào)為STC12LE5A60S2的主控單片機(jī)。TC12LE5A60S2系列單片機(jī)是宏晶公司生成的一類增強(qiáng)型的新型8051單片機(jī)，其內(nèi)部不僅擁有8路高速 10位A/D轉(zhuǎn)換以及兩路 PWM，而且在其內(nèi)部還集成了 MAX810 的專用電路[6]，因此它具有很強(qiáng)的抗干擾性。

電源供電模塊通過外接直流9V電壓為各個(gè)模塊的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行提供電源。SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)標(biāo)簽的ID號(hào)、歷史溫濕度數(shù)據(jù)以及斷網(wǎng)續(xù)傳數(shù)據(jù)等信息。THRW 2000型溫濕度讀寫器與PC機(jī)應(yīng)用軟件可通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行傳輸信號(hào)，該讀寫器采用主動(dòng)式上傳的網(wǎng)絡(luò)（TCP/UDP）通信模式，及時(shí)將溫濕度信息數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理。

2.4 GHz無線射頻模塊應(yīng)用低功耗收發(fā)芯片nRF24L01P，使用天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行射頻信號(hào)的收/發(fā)，并可通過上位機(jī)軟件改變讀寫器的接收增益和發(fā)射增益來達(dá)到所需的識(shí)別距離。

2.3 PC機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)放置在需要查看紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)的管理人員的辦公場(chǎng)所內(nèi)，PC機(jī)應(yīng)用軟件功能模塊如下：（1）溫濕度記錄模塊，包括開始記錄功能、停止記錄功能、讀取記錄時(shí)間功能以及繪制溫濕度記錄曲線功能；（2）標(biāo)簽參數(shù)管理模塊，包括溫濕度校準(zhǔn)功能、密鑰設(shè)置功能以及修改標(biāo)簽ID功能；（3）設(shè)備參數(shù)管理模塊，該模塊可以讀取和更改THRW 2000型溫濕度讀寫器的部分參數(shù)；（4）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)管理模塊，該模塊可以讀取和更改通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部分參數(shù)；（5）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示模塊；（6）用戶安全管理模塊，包括添加用戶、刪除用戶、查詢用戶和權(quán)限配置等功能；（7）溫濕度數(shù)據(jù)異常報(bào)警模塊。溫濕度記錄曲線圖和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示圖分別如圖4—5所示。

上位機(jī)軟件是基于B/S模式開發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)讓管理人員不僅可以在本地通過電子紙顯示屏觀察實(shí)時(shí)溫濕度，還可以遠(yuǎn)程使用PC機(jī)以瀏覽網(wǎng)頁的形式查看實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。通過采用數(shù)據(jù)的可視化顯示技術(shù)，將溫濕度歷史記錄的大量數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)圖像，針對(duì)溫濕度歷史數(shù)據(jù)的變動(dòng)，能動(dòng)態(tài)顯示信息的變化，進(jìn)而可以對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行更深入的查看和分析。此外，該系統(tǒng)提供完備的安全機(jī)制，通過用戶權(quán)限設(shè)置最大限度保護(hù)了用戶的個(gè)人信息，通過數(shù)據(jù)庫權(quán)限控制保障了數(shù)據(jù)的完整性、安全性和機(jī)密性。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于電子紙顯示技術(shù)的紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由RFID電子標(biāo)簽（1個(gè)或多個(gè)），THRW 2000型溫濕度讀寫器及上位機(jī)應(yīng)用軟件構(gòu)成。RFID電子標(biāo)簽采集紅酒儲(chǔ)運(yùn)中的環(huán)境參數(shù)，取得數(shù)據(jù)后直接在電子紙顯示屏上顯示給用戶并上傳給THRW 2000型溫濕度讀寫器。讀寫器通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端的上位PC機(jī)，上位機(jī)得到讀寫器發(fā)送過來的溫濕度數(shù)據(jù)并保存，形成溫濕度變化曲線圖，直觀呈現(xiàn)給用戶，并實(shí)現(xiàn)溫濕度異常報(bào)警。該系統(tǒng)具有功耗低，數(shù)據(jù)傳輸率高，誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化的紅酒儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)管理，使用方便、快捷、靈活。

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