构建一个电子纸智能徽章

假设你的学校、学院或大学正在举办一场活动，比如科学展或博览会。这一次，主办方希望尝试一些不同的方式：不再使用普通的纸质或塑料名牌，而是让参与者使用电子徽章，这些徽章能清晰显示信息，并且可以随时更新内容。

由于你以好奇心强、具备一定技术能力的创客形象著称，主办方便向你提出了这个挑战，并列出了一些项目需求：

当你读到第一条要求时，第一反应可能是：“这不可能实现!”每个电子元件都需要某种电源支持，尤其是显示屏，无论是LCD、OLED还是其他类型!

但你继续往下看：在不同光照条件下仍能保持良好的可见性，同时分辨率也足够高?

也许OLED显示屏会是个不错的选择，因为它色彩鲜艳明亮;又或者，EPD也能胜任这项任务，即使在强光下也能呈现生动的色彩……

等等，之前提到的EPD是双稳态的，这是什么意思?

EPD能不使用电池工作吗?

是的!一旦将图像加载到屏幕上，EPD 就不需要任何电源即可保持显示。

可以重复使用吗?

当然可以!你可以更换图像，并使用新的信息再次启用徽章。

因此，结论很明确：使用EPD屏幕，这个项目完全可行。

商用电子纸徽章

这类设备目前已有商业产品，以不同的名称存在，例如智能徽章、工作徽章或电子纸徽章。如果你在网上搜索，会发现有大量可供选择的选项。

与传统的纸质或塑料名牌相比，电子纸徽章具有多项关键优势：可以轻松更新信息，可多次重复使用同一设备，甚至还能显示额外内容，例如佩戴者的照片、二维码或其他相关信息。

许多此类设备都内置NFC接收器。NFC即近场通信，是一种短距离技术，使设备在仅几厘米范围内即可交换信息。

除了传输数据外，NFC还可利用读取器产生的电磁场为超低功耗设备供电，这意味着接收器无需任何电池即可运行。

继续我们设想的场景，假设你拿到这些信息后，向活动主办方询问他们更倾向于购买现成的解决方案，还是自行开发。答案显而易见：他们希望打造自己的项目——不仅作为徽章使用，还要在活动中展示出来。然而，由于预算限制，NFC接口将无法被包含进来。

因此，在这些规格和限制条件下，让我们开始一起设计属于你的电子纸徽章吧!

组件选择

根据现有的规格，下一步就是选择构建设备所需的组件。

先列出初步清单：

但等等——一个蜂鸣器或许有用，不过它需要电池供电，目前没有可用的电池。

NFC因成本问题被否决，WiFi同样需要电池和CPU来控制，所以这个方案也不行。

把这些都从清单上划掉。

那么，剩下的选项是什么?一个内置EPD的外壳。

如果徽章没有通信功能(没有WiFi或NFC)如何加载屏幕内容呢?

一种折中方案是使用类似EE04的驱动板，连接EPD，加载你想显示的内容，然后断开连接并将其安装到外壳内。

这并不是最优雅的配置，但可能行得通。如果徽章使用频繁，频繁地连接和断开可能会损坏精密的FPC数据线。但如果只是偶尔需要使用一次，这个方案就足够可行了。

选择显示屏

你选择的屏幕将决定整个徽章的外观，因此挑选合适的屏幕非常重要。

在本教程的前面，我们已经介绍了EPD的主要技术参数，接下来在选型时请牢记这些信息。

首先，我们来讨论尺寸问题。中等尺寸的显示屏可能是最佳选择。7英寸的屏幕可能太笨重，不太适合佩戴在脖子上，而2到4英寸之间的屏幕则恰到好处。

下一个关键问题是颜色：我们该选择单色屏幕还是彩色屏幕?

彩色屏幕确实更引人注目——它们能让信息更加突出。但同时速度也较慢：彩色电子纸需要复杂的波形，这意味着刷新过程更耗时，因为要通过多个步骤才能准确定位每种颜料的位置。

相比之下，单色屏幕则快得多，甚至支持部分刷新，因此可以快速更新屏幕的某一部分或小区域。

在下图中，你可以比较两个相同尺寸(2.9英寸)显示屏的速度特性，这非常方便。

一个显示屏可显示4个灰度等级，另一个则能显示4种颜色。单色显示屏的完整刷新大约需要3秒，而彩色版本则需25秒，几乎是前者的10倍!

如你所见，速度差异巨大。但请仔细想想：我们真的需要这么快的屏幕吗?我们要显示的数据是否经常变化?

如果您的徽章将显示一张固定图像——连续多天不变，且无任何更改——那么初始缓慢刷新并不成问题，因为这种情况只发生一次，之后你便不会再察觉。因此，在这种情况下，刷新时间并非限制因素。

考虑到使用颜色带来的诸多优势，我们选择右侧的显示屏：一个2.9英寸、四色(白色、黑色、红色和黄色)EPD，分辨率为128 x 296像素。

主要特点

该显示屏采用JD79667驱动芯片，可支持最高200x384像素分辨率的屏幕。

该芯片内置每像素2位(2bpp)的缓冲区，并配有集成温度传感器。此外，它还具备非易失性MTP(多时间可编程)存储器。与只能编程一次的OTP存储器不同，MTP存储器可以多次擦除和重写。这种存储器用于保存默认的LUT(查找表)及其他重要信息。

为了控制屏幕并加载内容，我们将使用之前提到的EE04板及其24针接口。

显示文本

本项目中我们将制作的徽章会通过文字和简单的图形(如线条和矩形)来展示信息。尽管Seeed_GFX支持图像加载，但我们暂且将此功能留待后续项目。

这样，你可以从基础开始，随着对库的运作方式逐渐熟悉，再逐步进阶到更复杂的内容。

现在，让我们回到之前看到的、在屏幕上显示文本的基本程序：

如果你运行这段代码，可能会出现错误提示，或者在EPD上看不到任何变化。这是因为缺少了某些信息：你需要告诉库你正在使用的显示屏和驱动板的组合。

为此，你需要创建一个名为 driver.h 的额外文件。在 IDE 中，按下 Ctrl+Shift+N 可以打开一个新标签页。

在 driver.h 文件中，你需要添加一些定义。不必担心记忆这些内容或查阅文档——Seeed Studio 提供了一个在线工具，让这一步变得非常简单。

在此页面上，只需选择你的显示屏面板和驱动板。对于本项目，它应该如下所示：

完成选择后，下方的文本框会自动更新为你需要的定义。

直接将该内容复制到你的 driver.h 文件中即可。

现在，如果你编译并上传程序，它应该能正常运行且无错误。经过几秒钟的闪烁和颜色变化后，你会看到类似以下的内容：

哇!好吧，我知道这听起来不太惊艳，但确实很令人兴奋。

这是你首次在EPD屏幕上显示的内容。

请耐心等待，这仅仅是个开始。

颜色与坐标

本项目所使用的显示屏支持四种颜色，在库中分别定义为TFT_WHITE、TFT_BLACK、TFT_RED和TFT_YELLOW。

要在屏幕上放置任何元素，通常使用一个x、y坐标系。该系统的原点可以更改(稍后我们会看到)，但默认情况下，0, 0点位于屏幕左上角，即与FPC数据线相对的一侧。

x坐标向右递增，y坐标向下递增。

使用字体

Seeed_GFX支持使用多种不同字体显示文本，每种字体都有其独特的样式、大小和特性。

可用的字体可能因您的显示屏而异，因此这里提供一个小提示，帮助您快速检查在不同情况下可使用的字体。

库文件中包含多个配置文件，存放在User_Setups文件夹中，这些文件用于不同的功能，例如设置显示尺寸、驱动芯片、连接引脚等。

每个配置文件都分配有一个数字代码。对于2.9英寸彩色显示屏和EE04板卡，该代码为512(您可以在driver.h文件中查看)。

如果您进入User_Setups文件夹，会找到名为Setup512_Seeed_XIAO_EPaper_2inch9_BWRY.h的文件，其中包含以下定义：

这些定义表示您共有6种可用字体：1、2、4、6、7和8。每种字体的字号各不相同——有些包含所有字母和字符，而另一些可能仅包含数字和少数符号(注释中会说明具体区别)。

这也意味着启用了FreeFonts——这是一组开源字体，源自Adafruit最初创建的一个库。我们稍后会详细讨论这些字体。

要选择这6种字体中的某一种，请使用setTextFont方法并指定相应的编号。例如：

让我们利用这些知识在徽章上显示用户信息。

例如，你可以添加身份证号、姓名、头衔，甚至一些活动信息——但请随意添加你认为合适的内容。

代码示例如下：

结果如图所示。

如图所示，字体2和4非常适合此用途。可以尝试其他字体，查看它们的外观效果。

更换字体是一个重要的进步，但通过使用FreeFonts进一步优化徽章外观仍有空间。

FreeFonts

正如我们在 Setup512_Seeed_XIAO_EPaper_2inch9_BWRY.h 文件中看到的，已启用所谓的 FreeFonts。

这些字体种类繁多，每个字体都定义在库中的 Fonts/GFXFF 文件夹内的一个头文件 (.h) 中。

每个字体的名称会告诉你其样式和大小。例如，字体 FreeSans9pt7b 可以这样拆解：

Free：这是一个开源字体，无任何许可证限制。

Sans：这是一种现代无衬线字体(如 Arial)，也可能是 Mono(一种简单的一行间距字体)或 Serif(更具装饰性，如 Times New Roman)。

Bold：表示该字体为粗体。你可能还会看到斜体或粗体，如果字体是常规的则可能什么都不会显示。

9pt：这是以点为单位的字体大小。

7b：表示该字体使用7位值定义。

使用FreeFonts

现在我们了解了什么是FreeFonts，接下来来看看如何利用它们来改进我们的徽章。

要选择其中一种字体，你需要使用setFreeFont方法，并传入一个指向字体定义的指针。以下是应用FreeFonts后的代码示例：

如你所见，名字部分使用的是FreeSansBold12pt7b字体，事件信息部分则使用FreeMonoBold12pt7b字体。

当然，你可以选择任何你喜欢的字体，只要其尺寸适合你的显示设备即可。

其他字体

如果你浏览库中的Fonts文件夹，会发现另外两个文件夹：Custom和TrueType。后者目前尚不支持，但在Custom文件夹中有一些可供实验使用的字体定义——不过它们对于这个显示屏来说稍大了一些。

自定义字体是由用户创建的字体。你甚至可以自己设计字体，但这一点我们留待以后讨论。

添加图形

最后，为了完成徽章的设计，让我们添加一些简单的图形，例如线条和矩形。该库包含一系列丰富的图形函数，可轻松绘制圆形、矩形、椭圆等。我们将在另一个项目中详细讲解这些功能。

线条可以通过多种方式绘制：使用 drawFastHLine 和 drawFastVLine 绘制优化的水平和垂直线;或使用 drawLine 处理一般情况——这使你能够连接任意两点之间的直线。

矩形可以使用 drawRect 画出空心矩形，通过 fillRect 填充颜色，也可以使用 drawRoundRect 画出带圆角的矩形。

通过添加几条分隔线和填充的矩形来改变背景颜色，我们的徽章最终呈现出如下效果：

这里有一个有趣之处：我并没有以像素为单位指定矩形和分隔线的宽度，而是使用了 width 方法，它返回的是显示屏的实际宽度。

我还使用了 height 方法获取总像素高度，从而更方便地设置白色矩形的高度。

为了完成整个过程并制作出一个实用的原型，我为显示屏加了一个3D打印的外壳。

这就是最终成品徽章的样子!

结论

在这个项目中，我们学习了如何根据一组特定的设计要求，使用彩色显示屏和EE04板开发一个简单应用程序。

通过应用本教程第一部分涵盖的多个概念，我们为所提出的问题找到了可行的解决方案，并设计出一个完整的系统——包括硬件和软件部分，最终制作出一个可运行的原型。

在过程中，我们探索了Seeed_GFX库的工作原理，特别是其与ePaper技术相关的独特功能。我们也深入研究了该库如何利用不同字体在屏幕上渲染文字。

我们在此构建的徽章只是其中一种可能的应用。掌握这些知识后，你可以按照自己的想法重新设计它，或将其用于完全不同的用途——无论是个性化凭证、活动配饰，还是用于显示信息或消息的微型显示屏。

本文编译自hackster.io