基于电子纸显示技术的红酒储运环境参数监测系统设计

    黄丽杰

    摘 要：为解决红酒储运中环境参数测量的问题，文章设计了一种基于电子纸显示技术的红酒储运环境参数监测系统，该系统包括：以MSP430G2553为核心的RFID电子标签（1个或多个）、以STC12LE5A60S2为核心的THRW 2000型温湿度读写器和基于B/S模式的上位机应用软件。测试结果表明，监测系统能够运行稳定，监测点布置简便，测量值准确。

    关键词：电子纸；RFID电子标签；读写器；应用软件

    环境参数对红酒品质的影响很大，在红酒储运的过程中，温湿度是最基本、最重要的影响因素，适宜的环境温湿度可以延缓红酒的变质，避免红酒的大量浪费。现有的红酒储运环境参数监测系统大部分是依靠简单的管理系统和人工操作相结合，不仅容易出错、准确率不高，而且方式繁琐，浪费大量的时间，使得工作效率低下、人力资源浪费，管理成本相对较高，很难保证温湿度数据的正确性，不能为用户提供实时、准确的数据。

    电子纸显示技术是具有和传统纸张同样轻薄、又可擦写的电子显示技术，由于该技术拥有双稳态特性，因此屏幕显示时不会耗费大量电能，在很大程度上节约了能源[1]。电子纸虽然在结构上与传统植物纤维纸完全不同，但却与其有着相似的特征，具有阅读舒适、携带简便、信息存储量大等优点。因此，设计一种基于电子纸显示的红酒储运环境参数监测系统，包括实时数据的自由采集、安全的数据存取通道、数据的可视化显示和分析，离线状态下就可以获得数据信息等功能，不仅能够提升工作效率，而且也满足了现代化红酒储运环境参数监测管理的发展需求。

    1 电子纸显示技术

    电子纸，又叫数码纸，数字化纸，是一种超薄，超轻的显示屏[2]。其显示效果和传统的纸张一样，让用户阅读舒适，并且能够和传统的液晶显示屏一样更改和刷新信息。电子纸外形与纸或者投影片相似，厚度一般小于1 mm，在有阳光的场所，其文字识别度比液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）要高，可比拟报纸[3]。电子纸内部有芯片线路，和集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片的结构相似其使用的主要材料为聚酯类化合物，纸面上印有硅胶电路，为了可以更好地控制表面电荷的改变，而使电子纸显示文字图片等信息的便是电子墨。

    电子纸显示技术方法大致包括4种，即胆固醇液晶显示技术、电泳显示技术、双稳态向列液晶显示技术以及电子粉流体显示技术[2]。其中发展最为成熟、最具代表性的就是电泳显示技术，电泳显示原理主要是以外加电场驱动悬浮在溶液中的带电粒子，应用粒子现有位置的变化，以呈现出粒子与溶液、背板或粒子与粒子之间颜色的比较，并作出影像显示。该系统的电子纸显示模块采用的就是电泳显示技术。

    2 系统设计与实现

    基于电子纸显示技术的红酒环境参数监测系统由电子标签（Radio Frequency Identification，RFID）（1个或多个）、THRW 2000型温湿度读写器及上位机应用软件组成。RFID电子标签按照给定周期实时采集监测点的红酒温湿度信息，及时传送给THRW 2000型温湿度读写器。不同RFID电子标签传送的数据都具有不同的标签ID号，用以区分红酒储运的监测位置。红酒监测点的管理人员可以通过电子纸显示屏实时查看红酒环境参数信息，并根据该信息进行及时决策。THRW 2000型温湿度读写器将接收到的信息上传给PC机，PC机应用软件对各红酒储运监测点的温湿度数据进行存储，PC机端监控人员不仅可以查看实时数据，而且可以通过监控平台调取历史温湿度数据，可视化查看历史温湿度数据曲线图，及时了解红酒储运各监测位置的环境情况。基于电子纸显示技术的红酒环境参数监测系统结构如图1所示。

    2.1 RFID电子标签设计

    RFID电子标签放置在红酒储藏的货架上或红酒运输的货箱里，所有的RFID电子标签都只有一个ID号，一个THRW 2000型温湿度读写器可以同时读取多个RFID电子标签的温度和湿度数据，RFID电子标签内部的标签ID用以区分不同红酒储运监测位置。RFID电子标签由CPU芯片，电子纸显示模块，温湿度传感器，数据存储模块，纽扣式电池供电模块及2.4 GHz无线射频模块组成。RFID电子标签结构如图2所示。

    RFID电子标签中央处理器（Central Processing Unit，CPU）芯片采用MSP430G2553芯片，其硬件资源丰富，是超低功耗、拥有精简指令集（Reduced Instruction Set，RIS）的微处理器，并且具有较好的数据处理和计算能力、强大的模拟方法、充足的片上模块和便捷的开发调试环境。

    电子纸显示模块主要由顯示屏和控制器及外围接口电路构成。电子纸显示屏采用段码式电子纸显示屏，通过串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）显示接口接入中央处理模块。控制器把中央处理器传输过来的数据转变为符合显示屏的控制电压，通过控制显示屏内带电粒子的移动来完成显示。因为电子纸显示屏对温度敏感，所以可以利用温度传感器的数据来改变电子纸显示屏的控制电压输入值。控制器需要外接SDRAM作为显存，这样能够同时存储大量待显示的数据。电子纸驱动电路根据微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）指令为电子纸屏幕管理显存、控制电压输出以及选择刷新模式，最终完成电子纸显示。

    温湿度传感器采用温湿度一体检测芯片SHT20，提供高精度的温度和湿度检测，该传感器湿度分辨率8/12 bit、温度分辨率12/14 bit，能够通过输入指令进行设置，湿度正常测量范围0-80%RH 、温度为 -40～+125 ℃[4]。

    数据存储模块通过存储接口电路接入中央处理模块，采集到的温湿度数据存储在数据存储模块；纽扣式电池供电模块配置专用CR3032的3 V纽扣式锂电池，可长时间为电子标签供电。

    2.4 GHz无线射频模块采用低功耗收发芯片nRF24L01P，具有高达2 Mbps无线传输速率[5]，且内置硬件链路层，适于进行程序研发。nRF24L01模块通过SPI的方法与CPU进行通信。RFID电子标签与THRW 2000型温湿度读写器通过2.4 GHz无线射频模块传输信号。

    2.2 THRW 2000型温湿度读写器设计

    THRW 2000型温湿度读写器安装在距离RFID电子标签1 km以内的范围内，由CPU芯片，电源供电模块，SRAM数据存储模块，网络通信模块及2.4 GHz无线射频模块组成。THRW 2000型温湿度读写器结构如图3所示。

    THRW 2000型温湿度读写器CPU芯片采用型号为STC12LE5A60S2的主控单片机。TC12LE5A60S2系列单片机是宏晶公司生成的一类增强型的新型8051单片机，其内部不仅拥有8路高速 10位A/D转换以及两路 PWM，而且在其内部还集成了 MAX810 的专用电路[6]，因此它具有很强的抗干扰性。

    电源供电模块通过外接直流9V电压为各个模块的长时间运行提供电源。SRAM数据存储模块存储标签的ID号、历史温湿度数据以及断网续传数据等信息。THRW 2000型温湿度读写器与PC机应用软件可通过网络通信模块进行传输信号，该读写器采用主动式上传的网络（TCP/UDP）通信模式，及时将温湿度信息数据传送给PC机进行处理。

    2.4 GHz无线射频模块应用低功耗收发芯片nRF24L01P，使用天线与RFID电子标签进行射频信号的收/发，并可通过上位机软件改变读写器的接收增益和发射增益来达到所需的识别距离。

    2.3 PC机应用软件设计

    PC机放置在需要查看红酒储运环境参数的管理人员的办公场所内，PC机应用软件功能模块如下：（1）温湿度记录模块，包括开始记录功能、停止记录功能、读取记录时间功能以及绘制温湿度记录曲线功能；（2）标签参数管理模块，包括温湿度校准功能、密钥设置功能以及修改标签ID功能；（3）设备参数管理模块，该模块可以读取和更改THRW 2000型温湿度读写器的部分参数；（4）网络参数管理模块，该模块可以读取和更改通信网络设备的部分参数；（5）实时数据采集与显示模块；（6）用户安全管理模块，包括添加用户、删除用户、查询用户和权限配置等功能；（7）温湿度数据异常报警模块。温湿度记录曲线图和实时数据显示图分别如图4—5所示。

    上位机软件是基于B/S模式开发的监测系统，该系统让管理人员不仅可以在本地通过电子纸显示屏观察实时温湿度，还可以远程使用PC机以浏览网页的形式查看实时和历史数据。通过采用数据的可视化显示技术，将温湿度历史记录的大量数据构成数据图像，针对温湿度历史数据的变动，能动态显示信息的变化，进而可以对环境参数进行更深入的查看和分析。此外，该系统提供完备的安全机制，通过用户权限设置最大限度保护了用户的个人信息，通過数据库权限控制保障了数据的完整性、安全性和机密性。

    3 结语

    本文设计了一种基于电子纸显示技术的红酒储运环境参数监测系统，该系统由RFID电子标签（1个或多个），THRW 2000型温湿度读写器及上位机应用软件构成。RFID电子标签采集红酒储运中的环境参数，取得数据后直接在电子纸显示屏上显示给用户并上传给THRW 2000型温湿度读写器。读写器通过网络通信模块将数据发送给远端的上位PC机，上位机得到读写器发送过来的温湿度数据并保存，形成温湿度变化曲线图，直观呈现给用户，并实现温湿度异常报警。该系统具有功耗低，数据传输率高，误码率低等优点，实现了自动化、智能化的红酒储运环境参数的监测管理，使用方便、快捷、灵活。

    [参考文献]

    [1]张卓，邵喜斌，王刚，等.电子纸显示技术的应用与市场情况[J].光机电信息，2009（11）：19-29.

    [2]张洪雷，李贝.电子纸发展现状及应用分析[J].出版与印刷，2016（3）：39-42.

    [3]代云丽.关于电子纸显示技术的应用与市场情况研究[J].电子商务，2016（19）：59-60.

    [4]王志强，王直.基于STM32室内空气质量检测系统硬件设计[J].电子设计工程，2017（9）：108-112.

    [5]王能河，周崎，王飞，等.基于NRF24L01的嵌入式Linux大型场所盆栽自动浇灌系统[J].电子测量技术，2017（3）：177-181.

    [6]逄淑松，程凯，刘光发，等.MSP430G2553单片机超低功耗的研究与设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2013（4）：1-2，10.