基于藍牙4.0的低功耗電子貨架標簽設計*

丁 磊,張彩祥，馮永晉，江志文,鄧杰航

（廣東工業大學 計算機學院，廣東 廣州510006）

電子貨架標簽 ESL（Electronic Shelf Label）是一種放置在貨架上、可替代傳統紙質價格標簽的電子顯示裝置，每個ESL通過有線或無線網絡與商品數據庫相連，將最新的商品信息通過ESL上的顯示屏顯示出來[1]。ESL能夠有效解決紙質價格標簽更換操作費紙、費力以及容易造成更換錯誤的缺點。ESL在國內研究起步較晚，目前主要采用有源射頻技術和液晶顯示技術[1-2]，存在成本高、功耗大、不易使用等缺點。

與其他相同頻段的無線技術相比，藍牙4.0技術具有超低峰值(Peak)、運行與待機功耗低、僅 3 ms延時和抗干擾能力強等優點[3]，而電子紙具有可視角大、顯示靜態圖像不耗電、輕薄等優異特性[4]。因此，本文提出了一種基于藍牙4.0技術和電子紙顯示技術的ESL設計方案，給出了系統總體架構和工作原理，詳細說明了ESL的軟硬件設計，解決了ESL的低功耗及實用性問題，有利于ESL的推廣及應用。

1 系統總體架構和工作原理

ESL系統由ESL服務器、ESL管理系統、無線路由器、網關、ESL和手持終端組成，總體架構如圖1所示。ESL用于顯示商品名、價格、產地和一維條碼等信息，具有唯一的身份標識（EID）。網關是連接ESL服務器與ESL的橋梁，負責數據處理和轉發。手持機具有條碼掃描功能，實現商品、ESL和網關的綁定與解綁、商品信息核價、盤點等功能。

圖1 系統總體架構圖

ESL系統中，ESL部署為藍牙從機，定時廣播，等待主機連接；網關作為藍牙主機，采用點對點的通信方式對ESL發起連接和傳輸數據。系統運行首先將設備進行安裝、配置，此時ESL為自由狀態，以一維條碼的形式顯示EID，通過手持機建立ESL與網關的綁定關系。然后通過手持機建立商品與ESL之間一對一或一對多的綁定關系。當ESL管理系統更改商品信息時，ESL服務器將更新數據發送到網關，由網關轉發到ESL上顯示，ESL更新成功后發送反饋信息，通知ESL服務器更新POS數據庫。

2 電子貨架標簽硬件低功耗設計

ESL由無線收發模塊、顯示模塊、控制器模塊和能量供應模塊組成[2]。硬件設計時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 藍牙4.0無線模塊設計

藍牙4.0無線模塊選擇 TI公司的CC2540F256，該芯片集成一個工業標準的增強型8051內核、RF收發器、8 KB RAM和256 KB閃存記憶，是一款完整型低功耗藍牙(BLE)單模式芯片解決方案[5]，具有超低功耗的睡眠模式和運行模式，在PM2模式下電流只有 0.9 μA，能適應低功耗的應用場景。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。

圖2 藍牙4.0無線模塊電路

2.2 顯示模塊設計

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級灰度級的奧翼 2.1英寸電子紙顯示模組，分辨率為 172×72，內部集成CMOS型顯示控制器SPD2701，該芯片內置可編程電荷泵、顯存、內部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）、時鐘（SCLK）、數據/命令（D/C）、片選（CS）和忙狀態（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 能量供應模塊設計

考慮ESL對大小和使用方便性的要求，采用鋰電池供電，能量供應模塊采用LY2508A33芯片為CC2540和電子紙提供3.3 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低壓驅動，升壓電路如圖3所示。通過GDR和RESE引腳控制N溝道場效應管產生PREVGH和PREVGL驅動電壓。

圖3 升壓電路

3 電子貨架標簽軟件低功耗設計

ESL軟件設計需要考慮低功耗和實用性，采用TI的BLE-CC254x-1.3低功耗藍牙協議棧[6]，基于 OSAL(Operating System Abstraction Layer)進行設計，并采用事件驅動方式延長ESL的休眠時間。軟件設計包括通信協議設計、電子紙顯示子程序設計、電量檢測子程序設計和ESL主程序設計。

3.1 藍牙通信協議設計

為實現網關與ESL之間可靠的通信和交互，并盡量減少攜帶無關信息，降低功耗，設計一套可變長度的數據包格式，如圖4所示。協議采用低功耗藍牙短數據包格式，鏈路層協議數據單元提供27 B數據負載[3]，定義 L2CAP層數據包格式為：屬性句柄、數據負載長度、包類型和數據。包類型分為數據包和命令包，數據包攜帶可變長度的數據,命令包攜帶相關參數。

3.2 電子紙顯示子程序設計

圖4 通信協議格式

當有更新事件 （ESL_UPDATE_EVT）響應時，電子紙顯示子程序通過控制數據/命令 （D/C）引腳，使用SPI接口對SPD2701發送命令和數據，實現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SPD2701進行復位，設置顯示參數和刷新參數，顯示參數包括數據輸入模式、顯存RAM的起始和結束地址、計數器起始地址。可通過設置顯示參數實現局部刷新，減少無線傳輸的數據量。刷新參數包括升壓反饋、邊界波形和刷新步驟。參數設置完成后輸入90 B的波形查找表，將顯示數據存儲到顯存RAM空間，發送更新命令（20h），由控制器通過查找波形表將顯示數據轉換成源級（source）和門級（gate）電壓，驅動帶電粒子的運動實現顯示。

啟動電子紙刷新時（刷新需2 s左右），向主機發送連接參數更新請求，設置不同的連接間隔，降低連接功耗。在獲取BUSY引腳降低信號時采用中斷代替查詢，在中斷服務中設置電子紙進入深度睡眠，降低主控制器和顯示器的功耗。

圖5 電子紙顯示子程序流程圖

3.3 電量檢測子程序設計

ESL使用電池供電，電量檢測有利于ESL的管理。在ESL中建立電量服務，并在服務中增加用于存儲電量值的屬性，設置通用唯一標識碼（UUID）為 2A19h，屬性權限為認證可讀。設置周期為一天的電量檢測事件（BATT_CHEK_EVT），在事件處理函數中使用內部模/數轉換器（ADC），設置 10 bit有效位，采用 AIN7通道，將電池電壓值轉換成百分比存儲到電量服務中。

3.4 ESL主程序設計

主程序實現3個功能：廣播及配對認證、數據收發和工作模式的實現。為適應不同種類商品價格更改頻率的差異，并盡量延長ESL睡眠時間，設計ESL工作模式為：白天采用動態可調的睡眠機制，晚上睡眠，由ESL系統進行配置。主程序流程如圖6所示。

系統啟動時進行硬件和協議初始化，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，調用存儲在Flash中的包含EID信息的一維條碼顯示在屏幕上。協議初始化包括廣播參數、連接參數、配對認證方式的配置，設置廣播數據只發送MAC地址，降低廣播時的功耗。初始化完成后進入廣播狀態，當有連接請求時主動發起配對認證請求，并采用AES-128加密鏈路層[5]，防止第三方惡意更改ESL的顯示內容。連接建立后，有數據接收時，由OSAL發送系統消息事件(SYS_EVENT_MSG)，在事件處理函數中對接收的數據包進行解析，啟動相應事件處理。有斷開連接請求時，設置睡眠時間，關閉32 MHz晶振和數字穩壓器，采用32.768 kHz晶振為睡眠定時器提供時鐘，實現動態可調的睡眠機制。

圖6 ESL主程序流程圖

4 測試及結果

4.1 功耗測試

ESL功耗測試工具為數字萬用表、直流電源和示波器[7]。使用數字萬用表測得睡眠狀態下（PM2模式）電流Is為0.007 0 mA。其他狀態的測試方法為：在ESL電源輸入端串聯一個10 Ω的電阻，直流電源提供3.7 V電壓，設置發射功率為 4 dBm，接收靈敏度為-93 dBm，使用示波器測得電阻兩端的電壓波形，波形如圖7所示。得出單個事件的工作時間Tw，通過把波形分割成不同小段估算出單個事件的平均工作電流Iw，在數據傳輸階段和等待電子紙刷新階段設置間隔時間Ti分別為15 ms和1 s，利用如下式(1)計算出不同狀態的平均電流Ia，如表1所示。

圖7 示波器測量波形圖

經過測試得出，ESL全局更新時數據傳輸時間為2.82 s，電子紙刷新時間為 2.26 s。按白天廣播（12 h）晚上睡眠（12 h）的工作方式進行2次商品信息更改的頻率計算，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，達到了低功耗的設計目標。

表1 電子紙貨架標簽功耗表

4.2 系統測試

在實驗室環境下，將系統部署后ESL處于自由狀態，顯示屏上以一維條碼形式顯示EID；與商品綁定后，更改商品價格，更新數據通過網絡傳輸由網關發送到ESL顯示。經過系統連續測試，無線通信穩定可靠，并可動態調整ESL的廣播和睡眠時間，達到設計要求。

本文在整合新型電子紙顯示技術、低功耗藍牙技術的基礎上，從低功耗和實用性設計策略出發，實現了電子貨架標簽的設計，滿足了零售單位準確、實時更新商品信息、貨架盤點、促銷變價等需求。測試結果證明，電子貨架標簽工作穩定，安全可靠，具有功耗低、節約成本和使用方便等優點，具有很大的市場推廣前景。

[1]曹軍，趙寧，許浩博，等.基于嵌入式單片機和射頻技術的電子價格標簽[J].電子器件，2012，35(4)：477-479.

[2]邱明華，魏學業，吳小進.基于射頻技術的電子貨架標簽設計[J].鐵路計算機應用，2012，21（3）：33-35.

[3]Bluetooth SIG.Bluetooth specification version 4.0[EB/OL].(2010-06)[2014-01].https：//www.bluetooth.org/docman/handlers/downloaddoc.ashx?doc_id=229737.

[4]張卓，趙喜斌，王剛，等.電子紙顯示技術的應用與市場情況[J].光機電信息，2009，26（11）：17-26.

[5]Texas Instruments.CC2540/41 System-on-Chip solution for 2.4-GHz Bluetooth low energy application user′s guide[EB/OL].(2012-04)[2014-01].http：//www.ti.com/lit/ug/swru191e/swru191e.pdf.

[6]Texas Instruments.CC2540/41 Bluetooth low energy software developer′s guide[EB/OL].(2013-06)[2014-01].http://www.ti.com/lit/ug/swru271f/swru271f.pdf.

[7]KAMATH S，LINDH J.Measuring Bluetooth low energy power consumption[EB/OL].(2012-04)[2014-01].http：//www.ti.com/lit/an/swra347a/swra347a.pdf.