引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，人們對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的需求不斷增長，在強有力的市場刺激下，無線射頻技術發(fā)展迅速， 無線通信技術也向著低功耗和高速率方向發(fā)展。

近幾年，由于人力成本不斷升高導致公司運營成本居高不下，因此各行業(yè)都希望引入智能化系統(tǒng)，降低企業(yè)用人成本，進而增強企業(yè)市場競爭力。隨著國家經(jīng)濟的不斷增長， 零售行業(yè)近些年出現(xiàn)井噴式增長，但由于人力成本不斷增加， 導致零售行業(yè)的成本亦隨之增長，為此出現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術的電子標簽系統(tǒng)，以降低人力需求。

1 物聯(lián)網(wǎng)電子標簽系統(tǒng)

1.1 電子標簽系統(tǒng)架構

物聯(lián)網(wǎng)電子標簽系統(tǒng)可替代當前傳統(tǒng)紙質(zhì)標簽。電子標簽由紐扣電池供電，通過物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術和標簽基站通信，基站則通過 TCP/IP 技術與前端上位機軟件通信。當客戶需要更改標簽顯示內(nèi)容如價格或保質(zhì)期時，只需在上位機軟件輸入待更新的標簽 ID 號，更改完成后點擊下發(fā)，系統(tǒng)便會自動更新標簽中的內(nèi)容。系統(tǒng)架構如圖 1 所示。

1.2 電子標簽系統(tǒng)優(yōu)點

電子標簽在如下方面優(yōu)勢明顯 ：

(1) 一鍵變價 ：可以快速更改商品價格，如通過前端上位機軟件更改對應標簽價格后，系統(tǒng)會通過基站控制電子標簽顯示最新的價格信息。

(2) 超低功耗 ：系統(tǒng)采用超低功耗設計， 若用兩節(jié)CR2450 紐扣電池供電，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作 5 年以上。

(3) 保質(zhì)期管理 ：傳統(tǒng)紙質(zhì)標簽無法實時同步顯示商品保質(zhì)期，若采用電子標簽系統(tǒng)，每天系統(tǒng)可自動更新商品的保質(zhì)期。

(4) 庫存同步 ：傳統(tǒng)的紙質(zhì)標簽無法實時同步商品的庫存信息，若采用電子標簽，系統(tǒng)每天可自動同步商品的庫存信息。

(5) 生鮮智能變價 ：賣場或超市的生鮮價格變動頻繁， 傳統(tǒng)紙質(zhì)標簽無法實時變動且需要多人對其進行維護，若采用電子標簽系統(tǒng)則可及時滿足變價要求。

(6) 廣告展示 ：采用電子標簽系統(tǒng)不僅可以顯示紙質(zhì)標簽顯示的內(nèi)容，還可以顯示商品的廣告信息。

2 電子標簽低功耗設計

2.1 電子標簽硬件低功耗設計

電子標簽系統(tǒng)硬件包括六個主要部分，分別為低功耗控制器系統(tǒng)模塊、低功耗墨水屏顯示模塊、無線通信模塊、FLASH 存儲功能模塊、CR2450 電池模組、RGB 三色 LED 顯示。電子標簽結構如圖 2 所示。

2.1.1 無線射頻電路低功耗設計

本設計中，無線通信采用 Silicon 公司設計生產(chǎn)的 Si4438 芯片，其優(yōu)勢在于發(fā)射功率大、接收靈敏度高、休眠電流小等。無線射頻電路如圖 3 所示。

圖 2 電子標簽結構

2.1.2  控制系統(tǒng)低功耗設計

本系統(tǒng)控制器采用 ST 公司設計生產(chǎn)的低功耗 ARM 控制器，內(nèi)核為Cortex-M0 系列芯片。該控制器在休眠模式下時， RTC 喚醒時鐘工作功耗最低為 0.8 μA。該控制器內(nèi)部擁有8 KB RAM，64 KB FLASH，2 KB 片內(nèi)E2PROM，2 路SPI 模塊，電路如圖 4 所示 [1-4]。

2.1.3 低功耗顯示屏設計

由于電子標簽用 2 節(jié)紐扣電池供電，因此顯示屏采用臺灣元泰的墨水屏，該屏幕功耗低，斷電后屏幕內(nèi)容仍然可以保留幾天至幾個月。屏幕和控制器之間通過 SPI 接口通信，左邊電路為升壓電路，通過電感和電容為刷屏時提供高壓。顯示屏電路如圖 5 所示。

2.2 電子標簽無線通信算法

2.2.1 電子標簽低功耗睡眠實現(xiàn)算法

電子標簽采用 2 節(jié) CR2450 紐扣電池供電，兩節(jié)電池總電量為 1 100 mA，電子標簽正常工作時，功耗電流為 16 mA，在射頻進入發(fā)射模式后，發(fā)射電流為 100 mA，若要實現(xiàn) 5 年的工作時間，電子標簽必須進入低功耗睡眠模式。

為確保兩節(jié)電池可支撐系統(tǒng)穩(wěn)定工作五年以上時間，電子標簽系統(tǒng)軟件實行間歇性休眠喚醒機制，即電子標簽正常情況下進入睡眠模式，此時系統(tǒng)功耗降到最低，設定一個固定時間，時間一到標簽就進入喚醒模式，此時接收是否有網(wǎng)關對其更新的消息，如果有則進入通信模式，如果無則繼續(xù)進入睡眠模式。睡眠周期 T1 為 10 s，喚醒時間 T 為 10 ms。電子標簽睡眠時序圖如圖 6 所示。

當上位機要更改標簽價格及顯示內(nèi)容時，首先由網(wǎng)關快速下發(fā)喚醒信息，保證能將所有需要更改內(nèi)容的標簽喚醒， 之后進行數(shù)據(jù)通信。因為標簽喚醒時間為 20 ms，所以網(wǎng)關喚醒周期 T2設為5 ms，保證在標簽喚醒時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)交互。時序如圖 7 所示。

2.2 網(wǎng)關和電子標簽通信架構

圖 8 所示為電子標簽系統(tǒng)網(wǎng)關和標簽之間的通信協(xié)議網(wǎng)絡架構。

當電子標簽不考慮低功耗通信時，系統(tǒng)的通信架構變?yōu)槠胀ǖ闹鲝募軜?，類似?Modbus 通信總線。主機將更新內(nèi)容和被更新節(jié)點 ID 發(fā)送出去，所有標簽均能接收該信息， 從機收到后會對比自己的 ID 號，如果主機需要更新，則與主機通信，之后發(fā)送應答信息。

3 結語

隨著國家經(jīng)濟的快速增長，零售業(yè)也進入了高速發(fā)展期， 傳統(tǒng)紙質(zhì)標簽已無法滿足人類的生活需求。Sub 1 GHz 無線通信技術的電子標簽系統(tǒng)相比其他方案具有如下較為明顯的優(yōu)點 ：

（1）采用該技術的電子標簽系統(tǒng)，通信傳輸距離更遠， 因此在同等空間和商品數(shù)量的場合中，組建的無線網(wǎng)絡少， 降低了施工難度和施工成本。

（2）系統(tǒng)抗干擾能力更強。2.4G無線通信包括手機、WiFi及藍牙通信技術等，因此采用 Sub1GHz技術的電子標簽可使傳輸過程不被干擾，通信效率高。

（3）休眠時功耗更低，工作狀態(tài)下，發(fā)射功率更大，接收靈敏度更高，由于電子標簽系統(tǒng)采用 CR2450 電池供電，因此對低功耗要求嚴格。本設計采用的方案功耗比普通無線通信的功耗更低。

但文中設計的電子標簽系統(tǒng)也存在一些問題需要完善。首先，屏幕成本遠高于其他液晶屏，致使電子標簽系統(tǒng)成本居高不下。其次，電子標簽系統(tǒng)雖然可以降低運營成本，但前期投入較大，市場還需進一步培養(yǎng)。最后，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)同一個無線通信局域網(wǎng)，最多為十多個節(jié)點，但電子標簽系統(tǒng)在同一個無線網(wǎng)內(nèi)有上千個節(jié)點，技術難度相對較大。

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