Byg en batterifri Bluetooth-aktiveret trådløs switch til smart-produkter

Den hurtige implementering af smarte tilsluttede produkter har skabt et behov for trådløse switche, for at gøre det lettere at oprette forbindelse. Disse switche er trådløse og eliminerer behovet for at streng ledninger og giver også mulighed for praktisk placering. De seneste trådløse switche er dog batteridrevne, hvilket øger designets omkostninger og kompleksitet og tvinger brugerne til at håndtere udskiftning af batteri. Løsningen kan ligge i form af induktiv energiindvinding.

Der er mange kilder til omgivende energi, herunder fotoner, RF-energi, vibrationer, temperaturforskelle og tryk. Imidlertid vil denne artikel beskrive referencedesign til et induktivt energiindvinding, der kombinerer dele fra ON Semiconductor og ZF Electronics i en ny tilgang, baseret på Bluetooth og Eddystone open beacon-protokol.

Sammen leverer designet og det tilhørende udviklingssæt et Bluetooth 5.0-modul med ultra-lav effekt med al den strøm, det har brug for til at sende trådløse signaler til en Bluetooth-kompatibelt hub eller et smart-produkt.

Design med ultra-lav effekt

ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB udviklingssæt kombinerer et drop-in Bluetooth 5.0-modul med en mekanisk switch til energiindvinding, der giver udviklere en øjeblikkelig løsning til en trådløs switch og grundlaget for brugerdefinerede design af trådløse switche. I dette design, benyttes en ZF Electronics AFIG-0007 til induktiv energiindvinding med tilstrækkelig energi til at drive en ON Semiconductor RSL10 Bluetooth 5 SiP (System-i-Pack), i den tid der er nødvendig for at transmittere BLE (Bluetooth-Low-Energy)-beacons. Efter modtagelse af et beacon kan en BLE-kompatibel modtager i et smart-produkt eller hub udføre den tilknyttede handling for at styre et lys, et relæ eller en anden enhed.

Nøglen til dette batterifrie design ligger i det ideelle match, der findes mellem RSL10's strømkrav til beacon-transmission og AFIG-0007's evne til at generere tilstrækkelig energi til at opfylde disse krav.

RSL10-modulet er designet til at imødekomme den nye efterspørgsel efter trådløs forbindelse med lav effekt og integrerer flere funktionelle blokke for at give en komplet Bluetooth 5-løsning (figur 1). Til behandling inkluderer modulet både en Arm^® Cortex^®-M3-kerne til generel behandling og ON Semiconductor LPDSP32 32-bit digital signalprocessor (DSP)-kerne til specialiserede applikationer.

Figur 1: ON Semiconductors RSL10 SiP-modul kombinerer flere funktionelle blokke for at give en komplet Bluetooth 5.0-løsning, mens der forbruges minimal strøm. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Modulet understøtter disse processorer med flere eksterne enheder og hukommelse, herunder 384 Kbyte flash, 76 Kbyte programhukommelse og 88 Kbyte datahukommelse. Til Bluetooth-kommunikation inkluderer modulet en 2,4 gigahertz (GHz) RF-frontend, der understøtter det fysiske Bluetooth-lag (PHY) og en baseband-controller, der understøtter avancerede Bluetooth 5.0-protokoller.

I stand til at køre over et bredt forsyningsspændingsområde på 1,1 til 3,3 volt, bruger RSL10 bemærkelsesværdigt lave niveauer af strøm. Brug af det integrerede mikroprocessorbenchmark (EEMB)-konsortiums ULPMark ultra-lav effekt (ULP) benchmark opnår RSL10'en en brancheførende score på 1090 med en 3 volt forsyning samt 1360 når den kører fra en 2,1 volt forsyning.

I mange trådløse applikationer kan den strøm, der kræves til at understøtte gentagne trådløse transaktioner med lang varighed, teste grænserne for det mest energieffektive design. Referencedesignet fra ON Semiconductor omhandler brugen af meget korte trådløse transaktioner, der gøres mulige ved hjælp af Bluetooth-beacon-protokoller.

Beacons er korte meddelelser, der følger Bluetooth Advertising protokoller til at udsende en identifikator eller andre korte data til enhver tilgængelig modtager. Sammen med specialiserede mobilapp's har beacons fundet udbredt brug i detailhandel, underholdning, transport og andre offentlige steder, hvor et beacon kan give oplysninger relateret til brugerens placering. ON Semiconductor trådløs switch design bruger en særlig type beacon kaldet en Eddystone-beacon.

Eddystone-beacons følger en åben standard, der angiver frame og data forbundet med pakker, der kun er et par bytes i længden. For Eddystone-beacons kan dataformater angive et unikt ID (UUID), en URL eller forskellige typer telemetridata (TLM) såsom temperatur (figur 2).

Figur 2: Industri standarden Eddystone-format, som definerer en beacon-frame og data i kun et par bytes. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Når du finder et Eddystone-beacon, kan en modtagende app udføre handlinger, der er knyttet til det pågældende UUID, sende brugeren til den pågældende webadresse eller reagere hensigtsmæssigt på telemetridata.

Kilde til energiindvinding

Transmissioner fra et Eddystone-beacon kan være så korte som 10 millisekunder (ms), og med ultra-lave effekt. Den energi RSL10 kræver for at gennemføre denne transmission kan være så lidt som 100 millijoules (mJ), hvilket ligger godt inden for energiproduktionsfunktionerne af AFIG-0007 til energiindvinding.

Inden for AFIG-0007 omgiver en spole en metalkerne, der er i kontakt med en magnetisk blok (figur 3, til venstre). Når brugeren trykker på en fjerderbelastet aktuator, skifter den magnetiske blok (figur 3, højre). Denne handling vender polariteten af magnetfeltet igennem trådspolen, hvilket resulterer i en puls af elektrisk energi i henhold til principperne for magnetisk induktion. Frigivelse af aktuatoren bevirker, at den magnetiske blok vender tilbage til sin oprindelige position, hvilket resulterer i en anden impuls af energi med den modsatte polaritet.

Figur 3: Når brugeren trykker på en aktuator, der er indbygget i ZF Electronics' AFIG-0007 til energiindvinding, som bevæger en magnetblok fra sin hvileposition (til venstre) til sin udvidede position (til højre) og genererer en energipuls med det første tryk på aktuator og en anden med dens frigivelse. (Billedkilde: ZF Electronics)

Med en forventet levetid på 1.000.000 switch-cyklusser matcher 20 x 7 x 15 millimeter (mm) ZF vigtige mekaniske og fysiske krav til design af trådløse switche. AFIG-0007 matcher også nemt energikravene til dette design. Med sin evne til at generere omkring 300 mJ med hver tryk og slip aktivering cyklus, ZF giver RSL10 med tilstrækkelig strøm til at overføre to eller tre Eddystone-beacons. Udover disse to dele kræver implementeringen af det trådløse switchdesign kun nogle få ekstra komponenter til at fuldføre kredsløbets strømforsyning til energiindvind.

Energiindvinding design af strømforsyning

Typisk kræver kredsløb til energiindvinding kombinationer af spændings-konvertere og spoler for at bringe genererede spændingsniveauer til de præcise niveauer, der kræves af en mikrokontroller. For dette design forenkler RSL10's brede 1,1 til 3,3 volt forsyningsområde forsyningskredsløbets design. Udgangen fra AFIG-007 korrigeres med en NSR1030 Schottky fuldbro-ensretter og clamped med et simpelt kredsløb som omfatter en SZMM3Z6V2ST1G Zener-diode, en filtrerings-/lagringskondensator (C1) og en NCP170 LDO-regulator (low dropout), alle fra ON Semiconductor (figur 4).

Figur 4: Udviklere kan drive ON Semiconductor RSL10 ved hjælp af et simpelt strømforsyningskredsløb, der clamper det ensrettede output fra ZF Electronics AFIG-007 energiindvinding. (Billedkilde: ON Semiconductor)

ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB-sættet kombinerer AFIG-007 og ovennævnte forsyningskredsløb med RSL10 på et 23 x 23 mm-kort (figur 5).

Figur 5: ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB-kortet placerer den funktionelle komponent på midtersektionen af et 23 x 23 mm kort (til venstre). Aftagelige sidepaneler rummer udviklingsgrænseflader, herunder en JTAG-grænseflade med 10 ben, der er tilgængelig fra bunden (højre). (Billedkilde: ON Semiconductor)

Mens den 7 mm brede midtersektion indeholder kernekomponenterne, giver de aftagelige sidepaneler udviklingsgrænseflader inklusive en JTAG/SWD-grænseflade med 10 ben til en standardadapter, såsom Tag-Connect TC2050-IDC. Sammen med det 10-benede interface giver sidepanelerne headers til en jumper og en ekstern 3,3 volt forsyningskilde (Vout) til programmering samt fejlretning ved hjælp af en tilsluttet JTAG-programmeringenhed, såsom Segger Microcontroller-systemers 8.16.28 J-LINK ULTRA +.

Switch-udvikling

BLE-SWITCH001-GEVB-kortet leveres forudindlæst med firmware, der sender et Eddystone-beacon hver 20. ms, indtil systemet udtømmer energien fra en enkelt switch-aktivering. Til denne applikationseksempel sender designet først en Eddystone-URL-frame, der indeholder URL'en "https://onsemi.com/idk". Efter denne indledende frame sender designet Eddystone-TLM-frames, som indeholder telemetridata, herunder switchens forsyningsspænding, dens oppe-tid og det samlede antal pakker, der er sendt.

ON Semiconductor's RSL10 Eddystone eksempelsoftware illustrerer de grundlæggende designmønstre for at bygge frames og overførsel af dem (liste 1). Som vist kalder udviklere en funktion EddyService_Env_Initialize () for at indlæse en Eddystone-miljøstruktur, eddy_env_tag, med data for en Eddystone-URL-frame. For at sende beacon'et, kalder udviklere funktionen Eddy_GATTC_WriteReqInd() som bygger pakken, krypterer data ved hjælp af RSL10's AES krypteringsaccelerator, og derefter sender (ke_msg_send ()) meddelelsen til en transmissionskø. Lavere servicelag henter meddelelser i kø, opbygger pakker og sender dem.

Kopier
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(…)

Liste 1: ON Semiconductor eksempelkode illustrerer grundlæggende designmønstre for at definere data for en Eddystone-URL-frame og sende den færdige frame. (Kodekilde: ON Semiconductor)

De transmitterede beacons kan detekteres af enhver BLE-kompatibel host inden for rækkevidde eller vises på en nærliggende mobilenhed ved hjælp af en beacon-app, såsom ON Semiconductor RSL10 mobilapp. For at styre enheder med den trådløse switch, kan udviklere bruge ON Semiconductor RSL10-baserede BDK-GEVK BLE IoT-udviklingskit, til at behandle beacons og udføre tilknyttede handlinger. F.eks. kan udviklere implementere et lys styret med en trådløs switch ved at kombinere BDK-GEVK basiskort med ON Semiconductor D−LED−B−GEVK dual LED ballastkort. Når du designer motordrevne applikationer, kan udviklerne kombinere basiskortet med en ON Semiconductor BLDC-GEVK børsteløse DC-motordriverkort eller D-STPR-GEVK stepmotor-driverkort.

Endelig, for at implementere den trådløse switch, kan udviklere simpelthen fjerne de to sidepaneler og efterlade en enkelt 7 x 23 mm samling, der indeholder alle de funktionelle komponenter (figur 6).

Figur 6: Efter at have fjernet de to sidepaneler fra ON Semiconductor udviklingskortet (til venstre), kan udviklere nemt placere 7 x 23 mm-samlingen i et vippekontaktholder (til højre). (Billedkilde: ON Semiconductor)

Da ZF-aktuatoren ligger bagers på enheden, kan den placeres under en vippekontakt eller kontaktholder.

Konklusion

Trådløse switche tilbyder en vedligeholdelsesfri løsning til hurtigt stigende efterspørgsel efter styring af smart-produkter. For konventionelle trådløse designs kræver enheden dog et batteri til drift, hvilket øger omkostningerne og kompleksiteten til designet og tvinger brugerne til at håndtere batteristyring og udskiftning. Et referencedesign fra ON Semiconductor eliminerer i vid udstrækning disse problemer ved at bruge energiindvinding til at levere et ultra-lav-effekt Bluetooth 5.0-modul med al den strøm, det har brug for til trådløst at signalere et Bluetooth-kompatibelt hub eller smart-produkt.