Bygg en batterifri Bluetooth-kompatibel trådlös omkopplare för smarta produkter

Den snabba spridningen av smarta uppkopplade produkter har drivit på efterfrågan på trådlösa omkopplare för att underlätta anslutningsbarheten. Eftersom dessa omkopplare är trådlösa, eliminerar de behovet av att dra ytterligare kablar och det gör dem även enklare att placera. Dock är många nya trådlösa omkopplare batteridrivna, vilket lägger till kostnader och komplexitet till konstruktionen och tvingar användarna att utföra batteribyten. Lösningen kan finnas i form av induktiv energiupptagning.

Det finns många energikällor i omgivningen, såsom fotoner, RF-energi, vibrationer, temperaturdifferentialer och tryck. Denna artikel beskriver dock en referenskonstruktion för induktiv energiupptagning som kombinerar komponenter från ON Semiconductor och ZF Electronics i en ny metod som baseras på Bluetooth och det öppna Eddystone-fyrprotokollet.

Konstruktionen och den tillhörande utvecklingssatsen utgör en Bluetooth 5.0-modul med ultralåg effekt med all effekt som behövs för att trådlöst signalera till en Bluetooth-kompatibel hubb eller smartprodukt.

Ultraströmsnål konstruktion

ON Semiconductors utvecklingssats BLE-SWITCH001-GEVB kombinerar en Bluetooth 5.0-drop-in-modul med en energiupptagande mekanisk omkopplare, vilket ger utvecklarna en omedelbar lösning för en trådlös omkopplare och grunden till anpassade trådlösa omkopplarkonstruktioner. I denna konstruktion ger ZF Electronics induktiv energiupptagare AFIG-0007 tillräcklig energi för att driva ett RSL10 Bluetooth 5 system-in-package (SiP) från ON Semiconductor tillräckligt länge för att sända ut fyrsignaler med Bluetooth Low Energy (BLE). När en fyrsignal tas emot kan en BLE-kompatibel mottagare i en smart produkt eller hubb utföra motsvarande åtgärd för att styra en lampa, ett relä eller en annan enhet.

Nyckeln till denna batterifria konstruktion ligger i den idealiska matchningen som föreligger mellan RSL10:s strömkrav för fyrsignalutsändning och AFIG-0007:s förmåga att generera tillräcklig energi för att uppfylla dessa krav.

RSL10-modulen är utvecklad för att uppfylla ett växande krav på trådlösa anslutningar med låg effekt och kombinerar flera funktionsblock för att ge en komplett Bluetooth 5-lösning (figur 1). För processningen har modulen både en Arm^® Cortex^®-M3-kärna för allmän processning och ON Semiconductors egen 32-bitars digitala signalprocessorkärna (DSP) LPDSP32 för specialiserade tillämpningar.

Figur 1: ON Semiconductors RSL10 SiP-modul kombinerar flera funktionsblock för att erbjuda en komplett Bluetooth 5.0-lösning som förbrukar minimalt med ström. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Modulen stöder dessa processorer med kringutrustning och minne, inklusive 384 Kb Flash, 76 Kb programminne och 88 Kb dataminne. För Bluetooth-kommunikation inkluderar modulen en 2,4 GHz RF-front-end som stöder det fysiska Bluetooth-lagret (PHY) och en basbandstyrenhet som stöder avancerade Bluetooth 5.0-protokoll.

RSL10 kan användas i et brett matningsspänningsintervall på 1,1 till 3,3 volt och förbrukar anmärkningsvärt lite ström. Med Embedded Microprocessor Benchmark (EEMB) Consortiums riktmärke ULPMark för ultralåg strömförbrukning (ULP), uppnår RSL10 en branschledande klassning på 1090 med 3 volts matning och 1360 med 2,1 volts matning.

I många trådlösa tillämpningar kan dock strömmen som krävs för att stödja upprepade långvariga trådlösa transaktioner pröva gränserna i den mest energieffektiva konstruktionen. ON Semiconductors referenskonstruktion är fokuserad på mycket korta trådlösa transaktioner som gjorts möjliga med protokollen för Bluetooth-fyrsignaler.

Fyrsignaler är korta meddelanden som följer Bluetooth-Advertising-protokollen och sänder ut en identifierare eller en annan kort datasträng till alla tillgängliga mottagare. I kombination med specialiserade mobilappar har fyrar fått omfattande användning i detaljhandel, underhållning, transport och andra offentliga platser där en fyr kan erbjuda information som är relaterad till användarens plats. ON Semiconductors trådlösa omkopplarkonstruktion använder en särskild typ av fyr som kallas Eddystone-fyr.

Eddystone-fyrar följer en öppen standard som specificerar ramverket och datanyttolasten som är förknippade med paket som endast är några byte långa. För Eddystone-fyrar kan nyttolastformatet ange ett unikt ID (UUID), en URL eller olika typer av telemetridata (TLM) som temperatur (figur 2).

Figur 2: Industristandarden Eddystone-formatet anger en fyrsignalramverk och nyttolast på bara några få byte. (Bildkälla: ON Semiconductor)

När en Eddystone-fyr hittas, kan en mottagande app utföra åtgärder som är förknippade med denna UUID, skicka användaren till den aktuella URL:en, eller besvara telemetridata på lämpligt sätt.

Energiupptagning som strömkälla

Eddystone-fyrens utsändningar kan vara så korta som 10 ms och med den ultraströmsnåla RSL10, kan energin som krävs för att utföra överföringen vara så låg som 100 mJ, vilket ligger klart inom effektgenereringsförmågan hos AFIG-0007-energiupptagaren.

I AFIG-0007 finns en spole som omger en metallkärna i kontakt med ett magnetblock (figur 3, vänster). När användaren trycker på ett fjäderbelastat manövdon slår magnetblocket om (figur 3, höger). Denna åtgärd vänder magnetfältets polaritet genom trådspolen vilket leder till en puls av elektrisk energi enligt principerna för magnetisk induktion. Frigöring av manöverdonet får magnetblocket att fjädra tillbaka till ursprungsläget, vilket resulterar i en annan puls av energi med motsatt polaritet.

Figur 3: När användaren trycker på ett manöverdon som är inbyggt i ZF Electronics energiupptagare AFIG-0007, rör sig ett magnetblock från sitt viloläge (vänster) till sitt utskjutna läge (höger) och genererar en energipuls vild ställdonets första rörelse och en annan när det friläpps. (Bildkälla: ZF Electronics)

Med en förväntad livslängd på 1 000 000 omslagscykler och dimensionerna 20x7x15 mm, uppfyller komponenten de väsentliga mekaniska och fysiska kraven för en trådlös omkopplarkonstruktion. AFIG-0007 matchar även enkelt energikraven för denna konstruktion. Med förmågan att generera cirka 300 mJ med varje tryck/släpp-cykel, erbjuder ZF RSL10:an med tillräcklig effekt för att sända ut två eller tre Eddystone-fyrsignaler. Utöver dessa två delar kräver implementeringen av den trådlösa omkopplaren endast några få extra komponenter för att slutföra den energiupptagande strömförsörjningskretsen.

Den energiupptagande strömförsörjningskonstruktionen

Normalt kräver energiupptagande matningskretsar kombinationer av spänningsomvandlare och spolar för att ta de genererade spänningsnivåerna till de precisa nivåer som krävs av en microcontroller. För denna konstruktion förenklar det breda spänningsmatningsintervallet på 1,1 till 3,3 V för RSL10:an konstruktionen av matningskretsen. Utmatningen från AFIG-007 likriktas av en NSR1030 Schottky-likriktare med helbrygga och begränsas med en enkel krets som består av en SZMM3Z6V2ST1G Zener-diod, en filtrerings-/lagringskondensator (C1) och en NCP170-regulator med lågt bortfall (LDO) - alla från ON Semiconductor (figur 4).

Figur 4: Utvecklare kan mata ON Semiconductors RSL10 med en enkel matningskrets som begränsar den likriktade utgången från ZF Electronics energiupptagare AFIG-007. (Bildkälla: ON Semiconductor)

ON Semiconductors BLE-SWITCH001-GEVB-sats kombinerar AFIG-007 och ovanstående matningskrets med RSL10 på ett 23x23 mm-kort (figur 5).

Figur 5: ON Semiconductors BLE-SWITCH001-GEVB-kort placerar funktionskomponenten på mittavsnittet på 23x23 mm-kortet (vänster). Löstagbara vingar håller fast gränssnitt för utveckling, inklusive ett 10-poligt JTAG-gränssnitt som är tillgängligt nedifrån (höger). (Bildkälla: ON Semiconductor)

Det 7 mm breda mittavsnittet innehåller kärnkomponenterna och de löstagbara sidovingarna erbjuder utvecklingsgränssnitt, inklusive ett 10-poligt JTAG/SWD-gränssnitt för en standardadapter, såsom Tag-Connect TC2050-IDC. Tillsammans med det 10-poliga gränssnittet, erbjuder sidovingarna stiftlister för en bygling och en extern 3,3-volts spänningskälla (Vout) för programmering och felsökning med en ansluten JTAG-programmerare som Segger Microcontroller Systems 8.16.28 J-LINK ULTRA+.

Utveckling av omkopplare

BLE-SWITCH001-GEVB-kortet levereras med fast programvara som sänder en Eddystone-fyrsignal var 20:e ms tills systemet har förbrukat energin från en enskild omkopplaraktivering. För denna provtillämpning skickar konstruktionen först en Eddystone-URL-ram som innehåller URL:en "https://onsemi.com/idk". Efter den inledande ramen skickar konstruktionen Eddystone-TLM-ramar som innehåller telemetridata, inklusive omkopplarens tillförselspänning, dess tillgänglighetstid och det totala antalet paket som skickats fram tills nu.

ON Semiconductors Eddystone-testprogramvara RSL10 illustrerar de grundläggande konstruktionsmönstren för att bygga ramar och sända dem (lista 1). Såsom visas anropar utvecklarna funktionen EddyService_Env_Initialize() för att läsa in en Eddystone-miljöstruktur, eddy_env_tag, med nyttolasten för en Eddystone-URL-ram. För att sända fyrsignalen använder utvecklarna Eddy_GATTC_WriteReqInd() som skapar paketet, krypterar data med RSL10:s AES-krypteringsaccelerator och skickar sedan (ke_msg_send()) meddelandet till en sändkö. De lägre funktionslagren hämtar meddelanden i kön, skapar paketen och sänder dem.

Kopiera
struct eddy_env_tag eddy_env;
 
void EddyService_Env_Initialize(void) {
       /* Reset the application manager environment */
       memset(&eddy_env, 0, sizeof(eddy_env));
       .
       .
       .
       memcpy(eddy_env.advslotdata_value, (uint8_t[16] ) { 0x10, 0x03, 'o', 'n',
                                  's', 'e', 'm', 'i', '.', 'c', 'o', 'm', '/', 'i', 'd', 'k' },
                     eddy_env.advslotdata_length);
 
       eddy_env.advtxpower_value = OUTPUT_POWER_DBM; /* Set radio output power of RF */
 
 
Eddy_GATTC_WriteReqInd(…)
       .
       .
       .
       valptr = (uint8_t *) &eddy_env.advtxpower_value;
       .
       .
       .
       /* Enable and configure the base band block */
       BBIF->CTRL = BB_CLK_ENABLE | BBCLK_DIVIDER_8 | BB_WAKEUP;
       /* Copy in the exchange memory */
       uint8_t plain_text[16];
       for (int i = 0; i<=15;i++)
              plain_text[i] = eddy_env.challenge_value[15-i];
       memcpy((void *) (EM_BLE_ENC_PLAIN_OFFSET + EM_BASE_ADDR), plain_text, 16);
       /* Configure the AES-128 engine for ciphering with the key and the memory
        * zone */
       uint8_t encryptionkey[16];
       for (int i = 0; i<=15;i++)
              encryptionkey[i] = eddy_env.lockstate_value[16-i];
       Sys_AES_Config((void *) encryptionkey, EM_BLE_ENC_PLAIN_OFFSET);
       /* Run AES-128 encryption block */
       Sys_AES_Cipher();
       /* Access to the cipher-text at EM_BLE_ENC_CIPHER_OFFSET address */
       uint8_t encryptedtext_temp[16];
       memcpy(&encryptedtext_temp[0], (void *) (EM_BLE_ENC_CIPHER_OFFSET + EM_BASE_ADDR), 16);
       uint8_t encryptedtext[16];
       for (int i = 0; i<=15;i++)
              encryptedtext[i] = encryptedtext_temp[15-i];
       if (!memcmp(encryptedtext, eddy_env.unlocktoken_value, 16))
       .
       .
       .
ke_msg_send(…)

Lista 1: ON Semiconductors kodexempel illustrerar grundläggande konstruktionsmönster för att definiera nyttolasten för en Eddystone-URL-ram och att skicka den färdiga ramen. (Kodkälla: ON Semiconductor)

De utsända fyrsignalerna kan kännas av på alla BLE-kompatibla värdar inom räckvidden eller visas på en närliggande mobil enhet som använder en fyrsignalapp som ON Semiconductors RSL10-mobilapp. För att styra enheter med den trådlösa omkopplaren, kan utvecklare använda ON Semiconductors RSL10-baserade BLE IoT-utvecklingssats BDK-GEVK för att processa fyrsignaler och utföra förknippade åtgärder. Exempelvis kan utvecklare implementera en lampa som styrs med en trådlös omkopplare genom att kombinera BDK-GEVK-baskortet med ON Semiconductors D−LED−B−GEVK dubbla LED-ballastkort. När motordrivna tillämpningar konstrueras kan utvecklarna kombinera baskortet med ON Semiconductors drivkretskort BLDC-GEVK för borstlösa DC-motorer eller drivkretskortet D-STPR-GEVK för stegmotorer.

För att, till sist, installera den trådlösa omkopplaren kan utvecklarna helt enkelt ta bort de två vingarna och kvar finns en enda 7x23 mm stor modul som innehåller alla funktionskomponenter (figur 6).

Figur 6: Efter att ha tagit bort de två vingarna från ON Semiconductor dev-kortet (vänster) kan utvecklare enkelt placera 7x23 mm-enheten i en vippbrytarinfattning (höger). (Bildkälla: ON Semiconductor)

Eftersom ZF-manöverdonet ligger på enhetens baksida kan det placeras under en vippbrytare eller brytarinfattning.

Slutsats

Trådlösa omkopplare erbjuder en underhållsfri lösning på den snabbt växande efterfrågan på styrning av smarta produkter. I konventionella trådlösa konstruktioner krävs dock ett batteri för att klara av strömbehoven, vilket lägger till kostnad och komplexitet till konstruktionen och tvingar användarna att sköta batteriunderhåll och göra batteribyten. En referenskonstruktion från ON Semiconductor eliminerar dessa problem till stor del med hjälp av energiupptagning, vilket matar en ultraströmsnål Bluetooth 5.0-modul med all effekt som behövs för att trådlöst signalera till en Bluetooth-kompatibel hubb eller en smart produkt.