基于射频技术的电子货架标签设计

邱明华，魏学业，吴小进

（北京交通大学电子信息工程学院，北京100044）

目前，电子货架标签在我国仍处于发展初期，应用极少，并且多数产品还存在着信息更新的准确性差、功耗大等问题。为此，本文设计了一款电子货架标签，能够提高信息更新的准确性，并有效降低其功耗。

1 电子货架标签的总体结构

1.1 标签硬件组成

电子货架标签由控制单元、无线收发单元、显示单元和电源4部分组成。控制单元采用低功耗单片机PIC16LF1934，无线收发单元采用CC2500射频芯片，显示单元为段式LCD，电源部分采用3 V纽扣电池供电。

1.1.1 控制单元

控制单元选择PIC16LF1934为控制器，它的电压范围为1.8 V ～3.6 V，一方面降低了功耗；另一方面，与CC2500的工作电压匹配，可以通过I/0口与CC2500直接相连，简化了硬件设计。另外PIC16LF1934具有集成的LCD控制器，最多可以驱动96段的LCD，液晶可以与控制器直接相连，简化了设计，同时能够满足标签显示要求。

1.1.2 无线收发单元

CC2500是一款低功耗的2.4 GHz收发器，采用电池供电，简化了因布置电源线带来的不便，适合于标签的使用。同时，输出功率达+1dBm，满足电子标签无线通信的要求。

1.1.3 显示单元

采用有4个公共端（1/3偏置）和24段的LCD作为显示单元。在A型波驱动下，公共端的相位在一帧的中间改变，波形在单帧内（一个周期）的净电压为0 VDC。

1.1.4 电源

标签存放在货架上，分布比较分散，不便于电源线的布设，因此本文采用3V的纽扣电池为其供电。由于标签的低功耗设计，可以保证标签长时间工作，不需要经常更换电池。

1.2 标签工作原理

标签存在3种工作模式，即发送模式、接收模式和休眠模式。当标签未接收到信息更新信号时，标签将长期处于休眠模式。在此模式下，标签功耗为最低。当标签接收到信息更新信号，标签从休眠模式中唤醒，接收信息，进行相应处理并发送响应信号。当通信完成后，标签又再次进入休眠状态。标签工作所需要的能量由电池提供。

2 标签信息更新的可靠性设计

电子货架标签信息更新是通过射频技术实现的。在无线数据传输过程中，由于外部环境的干扰和信道冲突现象的存在，会影响电子货架标签信息更新的准确度。本文从防碰撞算法和数据通信协议2个方面进行了分析研究。

2.1 防碰撞算法设计

发射器与电子标签之间的通信可以看作是1个点对多点的通信模型，如图1。在同一载波频率下，当发射器发出标签更新信息时，相同载波频率下标签都会响应并发送应答，这时会造成信道堵塞，所以防冲突算法是设计的重要部分。

图1 通信模型

本设计方案中采用的是地址检查的方法。地址检查利用了CC2500可以通过软件分配地址的特点 ，每1个地址可以作为1个信道，地址字节为0-255。本设计将发射器地址字节设置为0，然后分别为不同的标签分配不同的地址，这样发射器可以通过改变发送数据包中的地址字节来更新对应的标签信息，地址不匹配的标签将收不到更新信息。标签回复发射器的数据包中地址字节永远为0，这样可以大大减少碰撞的机会.

2.2 数据无线通信软件设计

本文以1个发射器与4个地址不同的电子标签作为一个系统进行分析研究。将发射器的地址设置为0x00，配置CC2500寄存器，为每一个电子标签设置唯一的地址。

发射器发送更新信息，标签收到地址匹配的有效数据后完成信息更新，地址不匹配，或者无效数据则丢弃，等待新的有效数据；若接收有效数据，标签向发射器发送一个数据包作为响应，表明信息接收成功。若在设定时间内发射器未接收到标签的响应，表明标签更新失败，发射器重新发送更新信息，直到接收成功，这样就有效地提高了数据传输的可靠性。

同时，其他地址不匹配的标签不会接收标签更新信息，直到接收到相应的更新信息，才会进行标签信息更新。系统的发射器和电子标签工作流程图如图2(a)、图2(b)。

图2 （a） 发射器工作流程图

图2 （b）电子标签工作流程图

3 电子货架标签的低功耗设计

电子货架标签使用3V纽扣电池给控制电路和射频电路供电，如果标签功耗偏大，造成电池使用寿命过短，经常更换电池给管理带来麻烦，同时也增加了使用成本，因此工作电流是标签的重要性能指标之一。本文从硬件和软件2方面对标签的低功耗进行了设计。

3.1 硬件设计

在硬件设计过程中，选择低功耗的器件作为标签的控制器和数据收发器，能够有效地降低标签的功耗。

标签采用PIC16LF1934为控制器，工作电压范围为1.8 V～3.6 V。当工作电压为2.0 V时，待机电流典型值为100 nA；工作在32 KHz条件下，工作电流典型值为6.0 μA。CC2500是一款低功耗2.4 GHz收发器，在电磁波唤醒模式（WOR）下，典型电流消耗为900 nA；最低功率模式下，可达到500 nA。

3.2 软件设计

3.2.1 控制器配置的低功耗设计

PIC16LF1934内部振荡器模块有很多种时钟源和选择功能，可最大限度地提高性能并降低功耗。通过配置振荡器控制寄存器 （OSCCON），选择31 KHz内部低频低功耗振荡器。

同时，PIC16LF1934输入漏电流的典型值只有5 nA，远低于同性能的其他单片机。控制器端口的漏电流影响系统功耗，为了降低功耗，对于暂时不工作的IO口设置为高阻状态。

3.2.2 液晶工作模式设计

本文采用段式液晶作为标签的显示单元。根据超市的营业时间，通过设置PIC16LF1934的定时器，对标签的液晶工作时间进行设置，使得液晶在超市的非营业时间处于关闭状态，从而有效的降低标签的整体功耗。

3.2.3 标签工作模式设计

标签存在发送、接收和休眠3种模式。根据PIC16LF1934的电源管理特点，标签在休眠时，CC2500处于电磁波激活模式（WOR），PIC16LF1934处于睡眠工作模式。

4 实验结果

4.1 无线通信单元测试

调整标签的数据率和发射功率，将标签分别放置于室外空旷处和室内有障碍物处进行测试，实验测得通信情况如表1。数据率、发射功率和工作环境都会影响标签的通信质量。标签应用于大型超市中，对于信息更新的实时性要求不高，因此采用10 kb/s的数据率能够满足系统要求；同时超市内会有一定的障碍物对传输造成干扰。基于以上情况，配置数据率为10 kb/s，发射功率为1.25 mW，在室内传输距离可达50 m左右，能够满足工作需要。

4.2 电子标签功耗测试

进行实验调试，测试标签以10Kbps的速率连续发送模式下，长期接收模式下，电磁波激活模式下和休眠模式下的电流消耗，如表2。

表1 不同条件下无线传输情况

表2 不同模式下的工作电流

超市营业期间，标签长期处于电磁波激活模式，只有信息更新时，短暂处于接收和发送模式，每天工作约为12 h；超市不营业期间，标签处于睡眠模式，持续时间12 h。在标签更新完成的情况下，每天消耗电流大约2.45 mA，采用容量为950 mA.h的纽扣电池，可大约工作388天，满足设计需求。

5 结束语

本文设计了一款电子货架标签，从防碰撞算法和数据通信协议2个方面对标签的可靠性进行了设计，有效地提高了标签信息更新的准确性；同时，选择低功耗的器件，减少标签的自身功耗，并对器件的休眠模式进行了优化设计，最大程度的降低了标签功耗。实验表明，电子货架标签能够准确地接收信息，功耗低，便于电池供电，具有很大的实用价值。

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