《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于藍(lán)牙4.0的低功耗電子貨架標(biāo)簽設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第5期
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)
摘要: 針對(duì)目前電子貨架標(biāo)簽存在功耗大,、實(shí)用性差等缺點(diǎn),提出了一種基于藍(lán)牙4.0的低功耗電子貨架標(biāo)簽設(shè)計(jì)方案,。電子貨架標(biāo)簽設(shè)計(jì)中采用集微控制器和射頻于一體的CC2540為主控芯片,,以電子紙為顯示器并通過軟硬件低功耗設(shè)計(jì)和工作模式的控制降低系統(tǒng)功耗,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),、電子紙顯示和電量檢測(cè)等功能,。測(cè)試結(jié)果表明,該電子貨架標(biāo)簽無線傳輸安全可靠,,具有低功耗,、低成本、易于使用等優(yōu)點(diǎn),,具有良好的市場應(yīng)用前景,。
中圖分類號(hào): TN873;TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)05-0028-03
Design of lower-power electronic shelf label based on Bluetooth 4.0
Ding Lei,,Zhang Caixiang,,F(xiàn)eng Yongjin,Jiang Zhiwen,,Deng Jiehang
Faculty of Computer, Guangdong University of Technology,,Guangzhou 510006,China
Abstract: Aiming at the problems of great-power and poor usability in current electronic shelf label(ESL), a low-power ESL solution based on Bluetooth 4.0 is proposed. ESL is designed using CC2540 as the main chip, which integrated with microcontrollers and RF, and electronic paper as displays. Software and hardware low-power design methodology and operating mode control are used to reduce system power consumption. ESL implements the function of data receiving and sending, electronic paper display and power detection, etc.. Experimental results show that the device is safe and reliable with low power consumption, low cost, easy to use, etc, and it will have great market prospects.
Key words : Bluetooth 4.0,;E-paper,;ESL;low-power

    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,。

    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0.9μA,,能適應(yīng)低功耗的應(yīng)用場景。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,。

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溝道場效應(yīng)管產(chǎn)生PREVGH和PREVGL驅(qū)動(dòng)電壓。

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)
      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,。
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。
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 ?贅的電阻,,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,。
    

    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),。
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),,具有很大的市場推廣前景,。
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