柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 ?要：本文設(shè)計(jì)了一種柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)，筆者闡述了柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目基本情況、電子標(biāo)簽系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)內(nèi)容、柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總結(jié)。本文的電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本、低功耗、靈活性、兼容性等方面有較大提高，并提出了多種電子標(biāo)簽的無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)技術(shù)供客戶(hù)選擇，為實(shí)現(xiàn)低成本，低功耗，靈活可靠的無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)提供一個(gè)參考。

關(guān)鍵詞：電子標(biāo)簽系統(tǒng);無(wú)線(xiàn)通信模塊;柔性顯示屏;半導(dǎo)體

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.44;TN92 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）13-0029-03

Flexible Wireless Electronic Label System Design

ZENG Wenbo

（Heyuan Ploytechnic，Heyuan ?517000，China）

Abstract：This paper designs a flexible wireless electronic label system. The author expounds the basic situation of flexible wireless electronic label system design project，the main business content of electronic label system，hardware design of flexible wireless electronic label system，system software design and system summary. The design of the electronic label system in this paper has greatly improved the system development cost，low power consumption，flexibility，compatibility，etc.，and proposed a variety of electronic label wireless communication networking technology for customers to choose. In order to achieve low cost，low Power consumption，flexible and reliable wireless electronic label system ，this paper provides a reference.

Keywords：electronic label system;wireless communication module;flexible display;semiconductor

0 ?引 ?言

傳統(tǒng)電子物品標(biāo)簽是一種基于射頻識(shí)別（RFID）的技術(shù)，用于完成對(duì)物品信息的存儲(chǔ)和自動(dòng)識(shí)別的電子標(biāo)簽。電子物品標(biāo)簽系統(tǒng)具有很大的市場(chǎng)空間，市場(chǎng)需求旺盛。在旺盛的市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，目前電子標(biāo)簽已發(fā)展為以電子屏為主流，可顯示更多物品信息的智能標(biāo)簽，然而，當(dāng)前大部分智能電子物品標(biāo)簽系統(tǒng)往往具有成本較高、兼容性差、不易維護(hù)等問(wèn)題。采用柔性顯示屏作為電子標(biāo)簽的人機(jī)交互端，柔性顯示屏具有超薄、柔性特性、成本低等優(yōu)良特性，通過(guò)SPI或I2C接口與電子標(biāo)簽一級(jí)主控進(jìn)行讀寫(xiě)通信。

本文基于意法半導(dǎo)體STM32開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，筆者闡述了柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的基本情況、電子標(biāo)簽系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)內(nèi)容、柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)總結(jié)。本文的電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本、低功耗、靈活性、兼容性等方面有較大提高，并提出了多種電子標(biāo)簽的無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)技術(shù)供客戶(hù)選擇，為實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、靈活可靠的無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)提供一個(gè)參考。

1 ?柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的基本情況

為了快速進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的電子標(biāo)簽系統(tǒng)樣機(jī)原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，本課題選取柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)作為主題應(yīng)用，圍繞意法半導(dǎo)體STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板平臺(tái)進(jìn)行電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，柔性電子標(biāo)簽系統(tǒng)項(xiàng)目基本情況表如表1所示。

2 ?柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?意法半導(dǎo)體STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板

本電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取二級(jí)控制方式，其中第一級(jí)主控采用低成本8051單片機(jī)采集和更新電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，第二級(jí)主控采用針對(duì)微控制器系統(tǒng)領(lǐng)域的意法半導(dǎo)體公司（ST）的低功耗STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板，二級(jí)主控負(fù)責(zé)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)是溝通一級(jí)節(jié)點(diǎn)，PC服務(wù)端，手持移動(dòng)端的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備。一級(jí)和二級(jí)主控之間是通過(guò)433MHz無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行通信的（也可按照實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選用ZigBee通信、藍(lán)牙或者Wi-Fi通信）。STM32F103ZET6是ST公司推出的ARMv7架構(gòu)Cortex系列的內(nèi)核低功耗信號(hào)微處理器。開(kāi)發(fā)板板載資源豐富，CPU采用STM32F103ZET6，144腳貼片封裝。外擴(kuò)1M字節(jié)SRAM：IS62WV51216，外擴(kuò)SPI 8M字節(jié)FLASH：W25Q64，1個(gè)電源指示燈3個(gè)狀態(tài)指示燈，1個(gè)容量256字節(jié)的EEPROM芯片：L24C02，采用TJA1050芯片CAN接口1路，采用SP3485芯片485接口1路。

該STM32F103ZET6微處理器具有以下特點(diǎn)：

（1）超低功耗，電源供電電壓3.3V，待機(jī)電流可達(dá)μA級(jí)，可工作在低功耗模式;

（2）CPU處理能力強(qiáng)大，可采用32位/16位精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)時(shí)鐘主頻率72MHz，64KB RAM，內(nèi)部帶512KB Flash存儲(chǔ)器。提供增強(qiáng)的媒體及數(shù)字處理能力，增加了系統(tǒng)性能;芯片支持ARM、Thumb-2、Thumb指令集;其中Thumb-2指令集提供了更高的代碼存儲(chǔ)密度，成本進(jìn)一步被降低，STM32F103ZET6隸屬Cortex-M系列芯片，該系列芯片是針對(duì)成本敏感應(yīng)用作了深度優(yōu)化的嵌入式處理器;

（3）外圍模塊資源豐富，集成了定時(shí)器、比較器、12位ADC、3個(gè)串口（UART）、7組每組16個(gè)可復(fù)用多功能I/O、3個(gè)SPI和多個(gè)可軟件模擬I2C接口。1個(gè)USB轉(zhuǎn)串口，可用于程序下載（USMART調(diào)試）;STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板學(xué)習(xí)資源豐富，騰訊課堂，職教云課程，人氣旺盛的STM32開(kāi)發(fā)者論壇等資源便于隨時(shí)進(jìn)行開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)。

2.2 ?433MHz無(wú)線(xiàn)通信模塊

一級(jí)節(jié)點(diǎn)控制端與二級(jí)主控協(xié)調(diào)端之間是通過(guò)433MHz信息通信，采用CC1101模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。CC1101是集FSK/MSK/ASK/OOK等調(diào)制方式于一體的收發(fā)模塊，該模塊實(shí)物圖如圖1所示。該通信模塊提供擴(kuò)展硬件支持，可以實(shí)現(xiàn)信息包處理、數(shù)據(jù)緩沖、信息群發(fā)、空閑信道的評(píng)估、鏈接質(zhì)量指示及無(wú)線(xiàn)喚醒。其可以用于315/433/868/915MHz ISM/SRD等頻段系統(tǒng)中，本課題中選擇使用433MHz頻段進(jìn)行通信。該通信模塊可以用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID有源電子標(biāo)簽、PKE無(wú)鑰門(mén)禁系統(tǒng)、住宅、建筑物（智能家居）控制、無(wú)線(xiàn)安防系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)、無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、AMR遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)類(lèi)玩具等消費(fèi)電子、工業(yè)監(jiān)控、工業(yè)儀器儀表無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制、無(wú)線(xiàn)門(mén)禁、物流跟蹤、倉(cāng)庫(kù)巡檢等。本課題采用433MHz CC1101收發(fā)模塊用于柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.3 ?柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本柔性電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成上包含：柔性顯示屏，電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)一級(jí)主控，STM32F103ZET6二級(jí)主控器，手持智能移動(dòng)終端，PC上位機(jī)。電子標(biāo)簽系統(tǒng)采取二級(jí)微控制方式，第一級(jí)控制采用低成本8051單片機(jī)采集和更新電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，第二級(jí)主控采用專(zhuān)門(mén)針對(duì)微控制器系統(tǒng)領(lǐng)域低功耗的意法半導(dǎo)體公司（ST）STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板，其中二級(jí)主控負(fù)責(zé)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)質(zhì)是溝通第一級(jí)主控節(jié)點(diǎn)，PC服務(wù)端，手持智能移動(dòng)端的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備。一級(jí)和二級(jí)主控之間是通過(guò)433MHz無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行通信（也可按照實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選用ZigBee通信、藍(lán)牙或者Wi-Fi通信）。本電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板作為電子標(biāo)簽主板，外擴(kuò)電源轉(zhuǎn)換模塊、CC1101收發(fā)模塊、Wi-Fi模塊。結(jié)合Keil5軟件開(kāi)發(fā)中控程序軟件，設(shè)計(jì)了基于柔性顯示屏的無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)。電子標(biāo)簽系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

在本電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)中，主控電源轉(zhuǎn)換模塊采用的電源轉(zhuǎn)換芯是AMS1117，電源轉(zhuǎn)換模塊輸入端的正負(fù)極性接口連接到天陽(yáng)能電池，輸出端的正負(fù)極接口連接到STM32F 103ZET6開(kāi)發(fā)板的外接電源供電接口VCC和GND，提供主控開(kāi)發(fā)板3.3V直流電源。采用二級(jí)主控開(kāi)發(fā)板內(nèi)置的Wi-Fi處理模塊，設(shè)置Wi-Fi作為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（AP），用戶(hù)通過(guò)手持智能終端的網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，以TCP協(xié)議與二級(jí)主控進(jìn)行通信。當(dāng)手持智能終端通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)到二級(jí)主控后，二級(jí)主控將數(shù)據(jù)通過(guò)433MHz CC1101收發(fā)模塊傳輸給電子標(biāo)簽一級(jí)主控。識(shí)別到對(duì)應(yīng)的信息后，一級(jí)主控就會(huì)通過(guò)對(duì)應(yīng)的協(xié)議（SPI或I2C）將數(shù)據(jù)發(fā)送給柔性顯示屏，將會(huì)在柔性顯示屏上顯示不同的物品標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)通過(guò)手持智能設(shè)備Wi-Fi控制柔性顯示屏的顯示。相對(duì)于手持智能移動(dòng)端的控制，PC上位機(jī)控制的區(qū)別是通過(guò)串口與二級(jí)主控STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板相連。

3 ?柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電子標(biāo)簽一級(jí)主控與STM32F103ZET6主控器之間是433MHz無(wú)線(xiàn)通信，需要配置好收發(fā)模塊CC1101相應(yīng)的通訊參數(shù)。首先，一級(jí)主控的通信頻道與STM32F103ZET6主控器的通信頻道要保持一致。其次，兩者所處的地址ID號(hào)要明確。二級(jí)主控STM32F103ZET6的發(fā)送地址必須是電子標(biāo)簽一級(jí)主控的本機(jī)地址，這樣才能保證信息被準(zhǔn)確接收。串口通信主要是將STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板主控器與PC上位機(jī)的串口相連，PC的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)串口發(fā)送給STM32F103ZET6主控。

電子標(biāo)簽一級(jí)主控采用低成本的8051單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信模塊參數(shù)配置后，程序檢測(cè)是否收到二級(jí)主控STM32F103ZET6發(fā)來(lái)的更新柔性顯示數(shù)據(jù)，沒(méi)有檢測(cè)到時(shí)，系統(tǒng)一直在輪詢(xún)檢測(cè)結(jié)果。當(dāng)檢測(cè)到STM32F103ZET6主控發(fā)來(lái)的本機(jī)更新顯示數(shù)據(jù)時(shí)，一級(jí)主控控制柔性顯示屏顯示更新值。電子標(biāo)簽一級(jí)主控程序流程圖如圖3所示。

STM32F103ZET6主控器相當(dāng)于電子標(biāo)簽系統(tǒng)一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”，首先需要對(duì)主控器進(jìn)行初始化，并給無(wú)線(xiàn)通信模塊配置相關(guān)通信參數(shù)。為確保主控器有接收到更新柔性顯示指令和及時(shí)發(fā)送了更新顯示數(shù)據(jù)到指定的一級(jí)主控節(jié)點(diǎn)。STM32F103ZET6主控器程序流程圖如圖4所示。

4 ?結(jié) ?論

本文提出的是柔性無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)的解決方案，低功耗低成本電子標(biāo)簽一級(jí)主控可以檢測(cè)到是否有需要電子標(biāo)簽信息更新，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)柔性顯示屏顯示出來(lái)。電子標(biāo)簽系統(tǒng)一級(jí)主控與柔性顯示屏采用SPI或I2C接口連接，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)實(shí)客戶(hù)需求，電子標(biāo)簽系統(tǒng)可以擴(kuò)展為多個(gè)電子標(biāo)簽級(jí)聯(lián)以及多級(jí)主控器級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)分布式實(shí)時(shí)檢測(cè)更新電子標(biāo)簽顯示數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽一級(jí)主控與STM32F103ZET6二級(jí)主控器之間采433MHz CC1101模塊進(jìn)行信息收發(fā)，根據(jù)實(shí)際需要，系統(tǒng)也可以靈活采用Zigbee、藍(lán)牙、Wi-Fi等方式通信，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽一級(jí)主控與STM32F103ZET6二級(jí)主控之間信息準(zhǔn)確發(fā)送和接收。STM32F103ZET6二級(jí)主控器相當(dāng)于電子標(biāo)簽系統(tǒng)的一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”，通過(guò)Wi-Fi無(wú)線(xiàn)模塊與手持移動(dòng)智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)串口與PC服務(wù)端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，借助STM32F103ZET6二級(jí)主控程序控制，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)各模塊之間信息互聯(lián)互通。本電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮系統(tǒng)成本，系統(tǒng)功耗，通信可靠性性能。整個(gè)柔性電子標(biāo)簽系統(tǒng)不僅穩(wěn)定，而且低能源消耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本電子標(biāo)簽系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案具有一定的實(shí)用性、有效性和可靠性，能較好的實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、靈活可靠的無(wú)線(xiàn)電子標(biāo)簽系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：曾文波（1983.07-），男，漢族，廣東河源人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、嵌入式顯示系統(tǒng)技術(shù)。