超低功耗电子标签系统

引 言

随着物联网技术的不断发展，人们对物联网产品的需求不断增长，在强有力的市场刺激下，无线射频技术发展迅速， 无线通信技术也向着低功耗和高速率方向发展。

近几年，由于人力成本不断升高导致公司运营成本居高不下，因此各行业都希望引入智能化系统，降低企业用人成本，进而增强企业市场竞争力。随着国家经济的不断增长， 零售行业近些年出现井喷式增长，但由于人力成本不断增加， 导致零售行业的成本亦随之增长，为此出现了基于物联网技术的电子标签系统，以降低人力需求。

1 物联网电子标签系统

1.1 电子标签系统架构

物联网电子标签系统可替代当前传统纸质标签。电子标签由纽扣电池供电，通过物联网无线通信技术和标签基站通信，基站则通过 TCP/IP 技术与前端上位机软件通信。当客户需要更改标签显示内容如价格或保质期时，只需在上位机软件输入待更新的标签 ID 号，更改完成后点击下发，系统便会自动更新标签中的内容。系统架构如图 1 所示。

1.2 电子标签系统优点

电子标签在如下方面优势明显 ：

(1) 一键变价 ：可以快速更改商品价格，如通过前端上位机软件更改对应标签价格后，系统会通过基站控制电子标签显示最新的价格信息。

(2) 超低功耗 ：系统采用超低功耗设计， 若用两节CR2450 纽扣电池供电，系统可稳定工作 5 年以上。

(3) 保质期管理 ：传统纸质标签无法实时同步显示商品保质期，若采用电子标签系统，每天系统可自动更新商品的保质期。

(4) 库存同步 ：传统的纸质标签无法实时同步商品的库存信息，若采用电子标签，系统每天可自动同步商品的库存信息。

(5) 生鲜智能变价 ：卖场或超市的生鲜价格变动频繁， 传统纸质标签无法实时变动且需要多人对其进行维护，若采用电子标签系统则可及时满足变价要求。

(6) 广告展示 ：采用电子标签系统不仅可以显示纸质标签显示的内容，还可以显示商品的广告信息。

2 电子标签低功耗设计

2.1 电子标签硬件低功耗设计

电子标签系统硬件包括六个主要部分，分别为低功耗控制器系统模块、低功耗墨水屏显示模块、无线通信模块、FLASH 存储功能模块、CR2450 电池模组、RGB 三色 LED 显示。电子标签结构如图 2 所示。

2.1.1 无线射频电路低功耗设计

本设计中，无线通信采用 Silicon 公司设计生产的 Si4438 芯片，其优势在于发射功率大、接收灵敏度高、休眠电流小等。无线射频电路如图 3 所示。

图 2 电子标签结构

2.1.2  控制系统低功耗设计

本系统控制器采用 ST 公司设计生产的低功耗 ARM 控制器，内核为Cortex-M0 系列芯片。该控制器在休眠模式下时， RTC 唤醒时钟工作功耗最低为 0.8 μA。该控制器内部拥有8 KB RAM，64 KB FLASH，2 KB 片内E2PROM，2 路SPI 模块，电路如图 4 所示 [1-4]。

2.1.3 低功耗显示屏设计

由于电子标签用 2 节纽扣电池供电，因此显示屏采用台湾元泰的墨水屏，该屏幕功耗低，断电后屏幕内容仍然可以保留几天至几个月。屏幕和控制器之间通过 SPI 接口通信，左边电路为升压电路，通过电感和电容为刷屏时提供高压。显示屏电路如图 5 所示。

2.2 电子标签无线通信算法

2.2.1 电子标签低功耗睡眠实现算法

电子标签采用 2 节 CR2450 纽扣电池供电，两节电池总电量为 1 100 mA，电子标签正常工作时，功耗电流为 16 mA，在射频进入发射模式后，发射电流为 100 mA，若要实现 5 年的工作时间，电子标签必须进入低功耗睡眠模式。

为确保两节电池可支撑系统稳定工作五年以上时间，电子标签系统软件实行间歇性休眠唤醒机制，即电子标签正常情况下进入睡眠模式，此时系统功耗降到最低，设定一个固定时间，时间一到标签就进入唤醒模式，此时接收是否有网关对其更新的消息，如果有则进入通信模式，如果无则继续进入睡眠模式。睡眠周期 T1 为 10 s，唤醒时间 T 为 10 ms。电子标签睡眠时序图如图 6 所示。

当上位机要更改标签价格及显示内容时，首先由网关快速下发唤醒信息，保证能将所有需要更改内容的标签唤醒， 之后进行数据通信。因为标签唤醒时间为 20 ms，所以网关唤醒周期 T2设为5 ms，保证在标签唤醒时间内完成数据交互。时序如图 7 所示。

2.2 网关和电子标签通信架构

图 8 所示为电子标签系统网关和标签之间的通信协议网络架构。

当电子标签不考虑低功耗通信时，系统的通信架构变为普通的主从架构，类似于 Modbus 通信总线。主机将更新内容和被更新节点 ID 发送出去，所有标签均能接收该信息， 从机收到后会对比自己的 ID 号，如果主机需要更新，则与主机通信，之后发送应答信息。

3 结语

随着国家经济的快速增长，零售业也进入了高速发展期， 传统纸质标签已无法满足人类的生活需求。Sub 1 GHz 无线通信技术的电子标签系统相比其他方案具有如下较为明显的优点 ：

（1）采用该技术的电子标签系统，通信传输距离更远， 因此在同等空间和商品数量的场合中，组建的无线网络少， 降低了施工难度和施工成本。

（2）系统抗干扰能力更强。2.4G无线通信包括手机、WiFi及蓝牙通信技术等，因此采用 Sub1GHz技术的电子标签可使传输过程不被干扰，通信效率高。

（3）休眠时功耗更低，工作状态下，发射功率更大，接收灵敏度更高，由于电子标签系统采用 CR2450 电池供电，因此对低功耗要求严格。本设计采用的方案功耗比普通无线通信的功耗更低。

但文中设计的电子标签系统也存在一些问题需要完善。首先，屏幕成本远高于其他液晶屏，致使电子标签系统成本居高不下。其次，电子标签系统虽然可以降低运营成本，但前期投入较大，市场还需进一步培养。最后，传统物联网系统同一个无线通信局域网，最多为十多个节点，但电子标签系统在同一个无线网内有上千个节点，技术难度相对较大。

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