《Designs》：System Design of a Low-Power BLE Smart Label SoC with Dynamic E-Paper for QR Rendering and Temperature Sensing
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智能标签正成为物联网（Internet of Things， IoT）生态系统内产品可追溯性、环境监测和用户交互的关键使能技术。本研究呈现了一种基于HY0020片上系统（System-on-Chip， SoC）的低功耗智能标签平台的设计与实验验证，该平台集成了
智能标签正成为物联网（Internet of Things， IoT）生态系统内产品可追溯性、环境监测和用户交互的关键使能技术。本研究呈现了一种基于HY0020片上系统（System-on-Chip， SoC）的低功耗智能标签平台的设计与实验验证，该平台集成了蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy， BLE）通信、温度传感和动态电子纸可视化功能。该平台在一块围绕1.02英寸单色电子纸显示器设计的定制印刷电路板（Printed Circuit Board， PCB）上实现，并采用了TXS0108E接口以支持可靠的显示通信。所开发的原型实现了无线用户交互、动态快速响应（Quick Response， QR）码渲染和环境温度监测，同时保持了低平均功耗。实验评估包括BLE通信测试、显示操作验证、使用集成HY0020传感器的温度监测评估以及能耗表征。实验结果证实了可靠的BLE连接性、正常环境条件下稳定的温度监测性能，以及在评估运行剖面下约54天的估计电池寿命。所呈现的平台证明了在紧凑型电池供电智能标签设备中集成传感、无线通信和电泳显示技术的可行性。所提出的架构为未来涉及产品可追溯性、数字信息管理和数字产品护照（Digital Product Passport， DPP）导向服务的应用提供了实用的概念验证基础。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
随着物联网（Internet of Things， IoT）技术的普及，零售、物流、医疗和食品分销等领域对产品可追溯性、状态监测和用户交互的联网解决方案需求日益增长。近期监管倡议（如数字产品护照（Digital Product Passport， DPP））进一步强化了对能够提供产品全生命周期可访问、最新信息的数字系统的需求。当前产品识别主要依赖射频识别（Radio-Frequency Identification， RFID）和QR码等技术，但这些传统实现方式对动态信息更新、环境传感或与最终用户的直接交互支持有限。同时，低功耗嵌入式系统的发展使得在紧凑电池供电平台中集成传感、无线通信和本地信息显示成为可能。对于室内应用，BLE因其低功耗、原生智能手机兼容性和广泛可用性而极具吸引力。电子纸显示技术因其无需持续供电即可保持显示内容的双稳态特性，非常适合信息变化不频繁但需持续可视的智能标签应用。然而，现有文献中缺乏将BLE通信、嵌入式传感、动态电子纸可视化和紧凑PCB级集成于单一智能标签原型中的综合解决方案。主要研究空白在于如何将这些组件集成为紧凑、低功耗、可重构的标签类设备，用于产品识别。
**研究内容与结论**
研究人员基于HY0020 SoC设计并实验验证了一款紧凑型智能标签平台，集成了BLE通信、温度传感和动态电子纸可视化功能。该平台在定制PCB上实现，围绕1.02英寸单色电子纸显示器设计，并采用TXS0108E接口确保可靠显示通信。实验结果表明，该原型实现了可靠的BLE连接、动态QR码渲染和环境温度监测，同时保持低平均功耗。在评估运行剖面下，预计电池寿命约为54天。该平台证明了在紧凑电池供电设备中集成传感、无线通信和电泳显示技术的可行性，为未来产品可追溯性、数字信息管理和DPP导向服务提供了概念验证基础。该论文发表在《Designs》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用了基于HY0020 SoC的硬件架构，该SoC集成了BLE通信能力和内部温度传感器。硬件集成关键包括：通过TXS0108E逻辑电平转换器实现SoC与电子纸模块之间的可靠SPI接口通信（涉及BUSY、RST、DC、CS、CLK、DIN等控制信号）；电源由CR2477锂纽扣电池供电，并配备专用电源管理电路；PCB布局以1.02英寸电子纸模块的物理尺寸为约束，设计为3.8×1.8×0.7 cm（不含显示模块）。固件基于Zephyr实时操作系统（Real-Time Operating System， RTOS）环境实现，采用C语言编程，包含独立模式和BLE/用户模式两个主要工作线程。实验验证包括BLE通信测试、温度传感评估（48小时户外环境，以DHT22为参考传感器）、能耗表征（使用Joulescope JS220能量分析仪）、QR码可读性评估以及多次刷新后的残影评估。样本为原型系统本身，无外部样本队列来源。
**研究结果**
（注：以下小标题保留原文节编号和名称，但为符合格式不重复输出数字标号）
**4.1. BLE Communication and Functional Validation**
通过功能测试验证了BLE交互流程：独立模式下按预设间隔循环显示产品名称/价格、产品代码和温度三个屏幕；BLE/用户模式下，移动设备可通过“Serial Bluetooth Terminal”应用发现并连接智能标签，发送用户字符串后，标签显示欢迎信息和预生成的QR码，并在1分钟超时后自动断开连接。实验证实了双向无线交互的可行性。
**4.2. Temperature Sensing Evaluation**
利用HY0020集成温度传感器与DHT22参考传感器进行了48小时户外环境对比测试。结果显示，HY0020传感器相对于DHT22的平均误差为0.410°C，平均绝对误差为0.524°C，标准差为0.442°C，表明在评估环境条件下具有稳定的相对跟踪性能。需注意该数据不应视为绝对精度值，因DHT22仅为低成本参考。
**4.3. Power Consumption Characterization**
使用Joulescope JS220能量分析仪测量了完整执行周期（包含独立模式三屏显示、BLE广播、BLE连接建立、用户交互及超时断开）的能耗。测量曲线显示，电子纸刷新事件是主要瞬态功耗源，峰值电流接近6 mA；BLE通信和温度传感贡献较小。整个周期平均电流为0.772 mA。基于3 V CR2477电池（标称容量1000 mAh），估算连续运行时间约54天。
**4.4. Battery Lifetime Assessment Under Different Operating Profiles**
通过改变BLE交互频率和显示刷新活动，评估了三种代表性运行剖面下的电池寿命。结果显示，显示刷新活动和BLE交互频率是影响电池寿命的主要因素。中等活动场景的平均电流略低于低活动场景，原因是BLE超时期间暂停了显示循环，减少了测量间隔内的刷新次数。
**4.5. QR Code Readability Assessment**
在不同观看距离、观察角度、光照条件和显示刷新状态下进行了QR码可读性评估。结果表明，在10 cm至30 cm正面视角下以及直射阳光下均可成功解码；但在大视角和低光照条件下可读性显著下降。重复刷新操作后未观察到QR码可读性退化。
**4.6. Ghosting Evaluation After Repeated Refresh Operations**
经过1、10、25和50次连续全屏刷新操作后，对可见残影和QR码可读性进行了评估。结果显示仅出现低水平可见残影，且未影响QR码解码。50次刷新后，背景区域存在轻微残留伪影，但QR码对比度和可读性保持良好。
**讨论与结论**
讨论部分指出，实验证实了所提平台在紧凑低功耗架构中集成BLE通信、温度传感和电子纸可视化的可行性。温度实验显示了HY0020传感器与DHT22之间的稳定相对跟踪。功耗测量确认电子纸刷新主导瞬时电流，而自主性高度依赖显示刷新频率和BLE交互率。QR码可读性在正面和强光下可靠，但大角度和低光下性能下降。重复刷新测试表明残影不影响解码。结合近期DPP框架和联网产品追溯系统，该平台为未来扩展提供了实用基础。
**结论部分翻译**：本研究呈现了基于HY0020 SoC的紧凑型智能标签平台的设计与实验验证，该平台在单一嵌入式架构中集成了BLE通信、温度传感和电子纸可视化。所开发的原型通过专为智能标签应用设计的定制PCB，演示了可靠的BLE连接性、动态QR码渲染和低功耗运行。实验结果证实了在电池供电平台中组合传感、无线通信和电子纸显示技术的可行性。电子纸显示的双稳态特性使得在刷新操作之间以最小能耗维持持久视觉信息，而集成温度传感器在整个评估期间表现稳定。测量到的运行剖面还揭示了显示活动、无线通信和总体能耗之间的相互作用。QR码测试表明在代表性光照条件下正面可读性可靠，而重复全屏刷新仅产生低水平残影且未影响解码。所提平台代表了在紧凑嵌入式设备中涉及传感、通信、显示管理和功率感知操作的系统级集成的实用示例。尽管当前实现为概念验证原型，但结果证明了所提架构在需要动态视觉信息和低功耗无线交互的智能标签应用中的可行性。未来工作将聚焦于通过部分刷新技术减少显示更新延迟、扩展BLE网络能力以及评估额外传感和能量收集功能。
