基于無線通信和墨水屏的電子標(biāo)識技術(shù)研究

浩鈿 王猛 陳聰 柴溢 李玉斌 陳默

摘? ?要：針對零售行業(yè)更換紙質(zhì)標(biāo)簽所需人工成本高、紙質(zhì)資源多且錯誤率高的缺點(diǎn)，文章開展了基于無線通信和墨水屏的電子標(biāo)識技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與單片機(jī)之間的無線通信和低功耗刷新墨水屏并準(zhǔn)確顯示信息的功能，為商品信息實(shí)時化、資訊化和自動化更新提供了硬件基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該電子標(biāo)識技術(shù)的無線通信穩(wěn)定可靠，具有低成本、低功耗和高效率的優(yōu)點(diǎn)，且擁有非常廣闊的市場運(yùn)用前景。

關(guān)鍵詞：無線通信;墨水屏;電子標(biāo)識;單片機(jī)

隨著人們生活水平的不斷提高，零售行業(yè)的商品種類和數(shù)量急劇增加，商品價簽的頻繁更新對商場工作人員提出了更高的要求。據(jù)調(diào)查，一個典型的零售商店每周需要變動商品價格約10 000～12 000次[1]，如果使用傳統(tǒng)的紙質(zhì)標(biāo)簽，不僅會浪費(fèi)大量的紙質(zhì)資源，還會消耗大量的人力成本。

電子標(biāo)識技術(shù)采用電子的形式來顯示商品的貨價及信息，解決了人力成本高、資源消耗多的問題。本文研究的基于無線通信和墨水屏的電子標(biāo)識技術(shù)在利用無線通信傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，編寫了相應(yīng)的上位機(jī)軟件，以供零售商修改貨價信息，最終顯示在功耗小的墨水屏上。不僅節(jié)約了紙張和勞動力，還提高了工作效率。

1? ? 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：PC上位機(jī)、無線串口模塊、STM32F103VBT6型單片機(jī)（簡稱STM32單片機(jī)）和墨水屏電子紙。圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。

PC上位機(jī)有相應(yīng)的應(yīng)用軟件，可將輸入的商品信息通過編輯轉(zhuǎn)為圖片格式形成預(yù)覽，并以字節(jié)為單位，發(fā)送至串口。無線串口模塊，負(fù)責(zé)將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32單片機(jī);STM32單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)信息通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）串口傳給電子紙轉(zhuǎn)接板終端;電子紙終端接觸接口進(jìn)行信息的刷新后，將圖片信息顯示在墨水屏上。

2? ? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在各模塊硬件的選擇上，本研究進(jìn)行設(shè)計(jì)前綜合考慮了成本、功耗和產(chǎn)品需求等因素，選擇出了最適合用于超市和商場的硬件。

在利用無線通信技術(shù)傳輸信息時，為保證數(shù)據(jù)在商場中準(zhǔn)確、穩(wěn)定和快速地傳給下一個模塊，即要求系統(tǒng)的無線串口在具有較低丟包率的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)一定范圍內(nèi)的穿墻傳輸。對比市場上價格相近的ESP8826無線串口模塊和帶2.4 G CC2530芯片的DL-20無線發(fā)射接收模塊可以發(fā)現(xiàn)[2]，ESP8826無線串口模塊在每次正常工作前都需要進(jìn)行一次配置，而DL-20模塊在第一次配置后可以自動保存設(shè)置，不需要每工作一次就配置一次，一定程度上簡化了操作。另外，DL-20模塊支持不間斷傳輸，過程中不會丟失數(shù)據(jù)，同時內(nèi)置PCB天線，使其擁有點(diǎn)對點(diǎn)的工作模式和廣播模式，覆蓋范圍可達(dá)100 m[3]。因此，選擇帶2.4 G CC2530芯片的DL-20無線發(fā)射接收模塊作為無線串口模塊能夠更方便、快捷且準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

針對單片機(jī)在電子標(biāo)識技術(shù)中處理上位機(jī)信息并傳輸至顯示模塊的作用，穩(wěn)定性和處理速度成為挑選單片機(jī)型號的一部分標(biāo)準(zhǔn)，加之綜合考慮低功耗的要求，STM32單片機(jī)成為系統(tǒng)所需。該型號單片機(jī)作為一款中低端型芯片，具有較高的性價比，完全滿足設(shè)計(jì)的需求。

傳統(tǒng)的電子顯示設(shè)備主要有陰極射線管（Cathode Ray Tube，CRT）屏和液晶屏等，CRT屏的主要優(yōu)點(diǎn)是色彩性強(qiáng)，而對于商場中的電子標(biāo)識顯示設(shè)備而言，不需要過強(qiáng)的色彩性，甚至黑白的顯示設(shè)備即可滿足要求。液晶屏雖然在快速切換圖像方面具有優(yōu)勢，但需要持續(xù)供電，且在超市、商場等光線較強(qiáng)的地方往往會產(chǎn)生顯示不清晰的現(xiàn)象，為此，在技術(shù)設(shè)計(jì)中沒有采用傳統(tǒng)的電子顯示設(shè)備而是選擇了墨水屏電子紙。墨水屏是一種超薄、超輕的顯示屏，采用電泳顯示技術(shù)作為顯示面板，顯示效果接近自然紙張，具有長續(xù)航、陽光下可視、舒適護(hù)眼無藍(lán)光、抗摔不易碎裂、持續(xù)顯示不易耗電和廣視角等優(yōu)點(diǎn)[4]。

2.1? 基座模塊電路設(shè)計(jì)

基座模塊是處理圖片并發(fā)送至電子紙連接模塊的重要部分。該模塊的主要功能是下載圖片信息、通過串口與電子紙模塊進(jìn)行無線通信。因此，電路設(shè)計(jì)時加入了J-Link下載電路、無線傳輸模塊接口電路、串口BootLoader電路、電子紙驅(qū)動電路以及時鐘源電路。

為了實(shí)現(xiàn)無線串口通信，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個1×4的接口電路，分別用作數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、接地以及電源輸入。

系統(tǒng)的電源來自計(jì)算機(jī)USB口，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片AMS1117—3.3 V的轉(zhuǎn)換，5 V的電壓源轉(zhuǎn)為3.3 V后接入無線串口模塊。

2.2? 電子紙模塊電路設(shè)計(jì)

電子紙模塊通過轉(zhuǎn)接板電路（見圖2）將串口接收到的數(shù)據(jù)完整地傳輸?shù)诫娮蛹埳霞右燥@示。由于電子紙只需在刷新時上電，很容易使電路中的電流產(chǎn)生較大的變化，因此，電路中加入3個二極管用以保護(hù)電路，同時采用場效應(yīng)管作為恒流源，防止電子紙?jiān)谒⑿聲r內(nèi)部電流不穩(wěn)定。

3? ? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1? 上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個基于C#語言的可視化人機(jī)交互界面，C#語言是Microsoft公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮母呒壋绦蛟O(shè)計(jì)語言，用戶可以通過C#語言設(shè)計(jì)出更改商品的價格、條形碼和規(guī)格等信息的界面，并選擇將其發(fā)送至串口。

應(yīng)用程序通過讀取用戶輸入的信息并調(diào)用串口類函數(shù)，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)識的更新功能[5]。用戶在界面控件，如品名、編號、產(chǎn)地、規(guī)格、等級、單位、價格中輸入信息，程序捕獲這些參數(shù)后，按相應(yīng)格式在圖形化界面生成預(yù)覽圖片，然后調(diào)用庫函數(shù)serialPort（）生成字符串并發(fā)送至串口。針對用戶輸入的國際條形碼（前12位），系統(tǒng)采用條形碼讀寫控件Barcode Writer生成一維條形碼并以圖片的形式發(fā)送至串口，上位機(jī)程序流程如圖3所示。

3.2? 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)的主要功能是接收并處理來自上位機(jī)的實(shí)時商品信息并將其顯示在電子紙上，STM32程序流程如圖4所示。單片機(jī)上電后，首先，初始化串口、系統(tǒng)時鐘、輸入輸出參數(shù)和電子紙等模塊。其次，接收并讀取來自無線串口的字符數(shù)組并發(fā)送。為了便于數(shù)據(jù)的存儲和處理，程序中的數(shù)組信息包含296×128個像素點(diǎn)，通過改變每個像素點(diǎn)的電壓大小來控制二值化圖像的灰度值[6]。發(fā)送字符數(shù)組時，每發(fā)送16個字符即向上位機(jī)發(fā)送確認(rèn)信息以保證傳輸過程的正確性。所有字符發(fā)送完畢后，調(diào)用刷新函數(shù)刷新電子紙，最終在墨水屏上顯示出黑白的圖片信息。程序中的延時語句用于等待先前語句執(zhí)行完畢以防止出現(xiàn)亂碼。

4? ? 系統(tǒng)測試

鑒于該技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，測試選擇在超市和商場中進(jìn)行，多次連續(xù)測試的結(jié)果表明，基于無線通信的電子標(biāo)識技術(shù)在室內(nèi)可穿透墻壁的有效數(shù)據(jù)傳輸距離為100 m，數(shù)據(jù)在傳輸時穩(wěn)定可靠。電子標(biāo)簽信息更新及時，顯示準(zhǔn)確，驗(yàn)證了無線通信技術(shù)的高效準(zhǔn)確性。在不同強(qiáng)度的燈光下，墨水屏都能夠較清楚地顯示內(nèi)容，且僅在刷新時消耗較低的電量。而在顯示時不耗電，驗(yàn)證了基于墨水屏的電子標(biāo)識技術(shù)具有低成本、低功耗的特點(diǎn)，上位機(jī)應(yīng)用程序測試結(jié)果如圖5所示，電子標(biāo)識測試結(jié)果如圖6所示。

5? ? 結(jié)語

基于無線通信和墨水屏的電子標(biāo)識技術(shù)采用帶2.4 G CC2530芯片的DL-20無線發(fā)射接收模塊和STM32F103VBT6型單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的無線通信傳輸，采用墨水屏作為顯示終端，實(shí)現(xiàn)了無紙化、低功耗顯示的功能。

文章從硬件和軟件兩方面展開，根據(jù)該技術(shù)設(shè)計(jì)的電子標(biāo)識系統(tǒng)能夠通過無線通信的方式接收最新的商品信息，且通信距離可達(dá)100 m，墨水屏在顯示時準(zhǔn)確無誤。目前國內(nèi)外的零售行業(yè)開始逐漸普及電子標(biāo)識，本文基于無線通信和墨水屏的電子標(biāo)識技術(shù)低功耗、無紙化、高效率的特點(diǎn)使其具有非常廣闊的市場運(yùn)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉美健.無線網(wǎng)絡(luò)電子價簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化與儀表，2014（4）：49-52.

[2]楊濤.基于無線通信傳輸技術(shù)的電子標(biāo)識系統(tǒng)[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2018.

[3]駱吉旺.基于無線射頻技術(shù)的藥物倉儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2017.

[4]何燕卉.電子紙才是未來科技[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)，2017（15）：20-21.

[5]周羽，趙家彥，冷靜文.基于無線SOC的RFID信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：41-43.

[6]堵成蕾，李相鵬，梁晶.電子價簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2016（2）：103-105.

Abstract：Aiming at the problems of the retail sector with high labor costs， plentiful paper resources and the high error rate， this paper studies the technology of electronic identification based on wireless communication and ink screen， realizes the wireless communication between PC and MCU and the function of refreshing the information displayed on ink screen with low power consumption， which provides the hardware basis for real-time， information and automatic updating of commodity information. The experimental tests show that the wireless communication of the electronic identification technology is stable and reliable， with the advantages of low cost， low power consumption and high efficiency， and has a very broad market application prospect.

Key words：wireless communication; ink screen; electronic identification; MCU