Bygg en batterifri Bluetooth-aktivert trådløs bryter for smarte produkter

Den raske distribusjonen av smarte tilkoblede produkter har ført til et behov for trådløse brytere for å lette tilkobling. Disse bryterne er trådløse, og eliminerer behovet for å streng ekstra ledning, og gir også praktisk plassering. Imidlertid er de siste trådløse bryterne batteridrevne, og tilfører design og kostnader og tvinger brukere til å håndtere batteribytte. Løsningen kan ligge i form av høsting av induktiv energi.

Det er mange kilder til omgivelsesenergi, inkludert fotoner, RF-energi, vibrasjoner, temperaturdifferensialer og trykk. Imidlertid vil denne artikkelen beskrive en referanseutforming for induksjon av energiinnsamling, som kombinerer deler fraPÅ Semiconductor ogZF Electronics i en ny tilnærming basert på Bluetooth og Eddystone open beacon-protokollen.

Sammen vil design og tilhørende utviklingssett levere en Bluetooth 5.0-modul med ultra-lav effekt med all den kraften den trenger for å trådløst signalisere et Bluetooth-kompatibelt hub eller smart produkt.

Ultra-low-power design

ON SemiconductorBLE-SWITCH001-GEVB utviklingssett kombinerer en drop-in Bluetooth 5.0-modul med en mekanisk bryter for høsting av energi, og gir utviklere en umiddelbar løsning for en trådløs bryter og grunnlaget for tilpassede trådløse bryterdesign. I dette designet, en ZF ElectronicsAFIG-0007 induktiv energihøster gir tilstrekkelig energi til å drive en ON SemiconductorRSL10 Bluetooth 5 system-in-package (SiP) lenge nok til å overføre Bluetooth lavenergi (BLE) fyrtårn. Ved mottak av et fyrtårn kan en BLE-kompatibel mottaker i et smart produkt eller nav utføre den tilhørende handlingen for å kontrollere et lys, et relé eller en annen enhet.

Nøkkelen til denne batteriløse designen ligger i den ideelle matchen som eksisterer mellom RSL10s strømkrav for fyrtrafikkoverføring og AFIG-0007s evne til å generere tilstrekkelig energi til å oppfylle disse kravene.

RSL10-modulen er designet for å dekke behovet for trådløs tilkobling med lav effekt, og integrerer flere funksjonelle blokker for å gi en komplett Bluetooth 5-løsning (figur 1). For behandling inkluderer modulen både enVæpne^® Cortex^® -M3-kjerne for generell prosessering, og ON Semiconductors egen LPDSP32 32-bits digitale signalprosessor (DSP) -kjerne for spesialiserte applikasjoner.

Figur 1: ON Semiconductors RSL10 SiP-modul kombinerer flere funksjonelle blokker for å gi en komplett Bluetooth 5.0-løsning mens du bruker minimalt med strøm. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Modulen støtter disse prosessorene med flere eksterne enheter og minne, inkludert 384 kbps flash, 76 kbps programminne og 88 kbytes dataminne. For Bluetooth-kommunikasjon inkluderer modulen en 2,4 gigahertz (GHz) RF-frontend som støtter det fysiske Bluetooth-laget (PHY) og en basebåndkontroller som støtter avanserte Bluetooth 5.0-protokoller.

I stand til å operere over et bredt forsyningsspenningsområde på 1,1 til 3,3 volt, bruker RSL10 bemerkelsesverdig lave nivåer. Bruke det innebygde mikroprosessorbenchmark-konsortiet (EEMB)ULPMark ultra-low-power (ULP) benchmark, oppnår RSL10 en bransjeledende poengsum på 1090 med en 3 volt forsyning og 1360 når den driver en 2,1 volt forsyning.

I mange trådløse applikasjoner kan imidlertid kraften som kreves for å støtte gjentatte langvarige trådløse transaksjoner teste grensene for den mest energieffektive designen. ON Semiconductor referanse design adresserer bruk av svært korte trådløse transaksjoner som er muliggjort ved hjelp av Bluetooth beacon protokoller.

Beacons er korte meldinger som følger Bluetooth Advertising-protokoller for å kringkaste en identifikator eller annen kort data til en tilgjengelig lytter. Parret med spesialiserte mobilapper, har fyrtårn funnet utbredt bruk i detaljhandel, underholdning, transport og andre offentlige arenaer der et fyrtårn kan gi informasjon relatert til brukerens plassering. ON Semiconductor trådløse bryterdesign bruker en spesiell type fyrtårn kalt et Eddystone fyrtårn.

Eddystone-fyrtårn følger en åpen standard som spesifiserer konvolutt og datanyttelast assosiert med pakker som bare er noen få byte lange. For Eddystone-fyrtårn kan nyttelastformater spesifisere en unik ID (UUID), en URL eller forskjellige typer telemetridata (TLM), for eksempel temperatur (figur 2).

Figur 2: Bransjestandarden Eddystone-format definerer en fyrkonvolutt og nyttelast på bare noen få byte. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Ved å finne et Eddystone-fyrtårn kan en mottaksapp utføre handlinger tilknyttet UUID, sende brukeren til den URLen, eller svare riktig på telemeturdataene.

Kilde til energihøsting

Eddystone fyroverføringer kan være så korte som 10 millisekunder (ms), og med RSL10 med ekstremt lav effekt, kan energien som kreves for å fullføre denne overføringen være så lite som 100 millijoules (mJ), noe som ligger godt innenfor kapasiteten for kraftproduksjon av AFIG-0007 energihøster.

Innenfor AFIG-0007 omgir en spole en metallkjerne i kontakt med en magnetblokk (figur 3 til venstre). Når brukeren trykker på en fjærbelastet aktuator, forskyves magnetblokken (figur 3 til høyre). Denne handlingen reverserer magnetfeltets polaritet gjennom trådspolen, noe som resulterer i en puls av elektrisk energi i henhold til prinsippene for magnetisk induksjon. Frigjøring av aktuatoren får magnetblokken til å springe tilbake til sin opprinnelige posisjon, noe som resulterer i en ny energipuls med motsatt polaritet.

Figur 3: Når brukeren trykker på en aktuator innebygd i ZF Electronics 'AFIG-0007 energihøster, beveger en magnetblokk seg fra hvileposisjonen (til venstre) til den utvidede posisjonen (høyre), og genererer en energipuls med det første skyvet på aktuator og en annen med utgivelsen. (Bildekilde: ZF Electronics)

Med en forventet levetid på 1 000 000 koblingssykluser, samsvarer 20 x 7 x 15 millimeter (mm) ZF viktige mekaniske og fysiske krav til trådløs bryterdesign. AFIG-0007 samsvarer også enkelt med energikravene til dette designet. Med sin evne til å generere omtrent 300 mJ for hver aktiveringssyklus for trykk og slipp, gir ZF RSL10 tilstrekkelig kraft til å overføre to eller tre Eddystone-fyrtårn. I tillegg til disse to delene, krever implementering av den trådløse bryterdesignen bare noen få ekstra komponenter for å fullføre strømforsyningskretsen for energi.

Energi høsting strømforsyning design

Vanligvis krever energihøstingforsyningskretser kombinasjoner av spenningsomformere og spoler for å bringe genererte spenningsnivåer til nøyaktige nivåer som kreves av en mikrokontroller. For denne utformingen forenkler RSL10s brede forsyningsområde på 1,1 til 3,3 volt forsyningskretsdesignen. Utgangen fra AFIG-007 utbedres med enNSR1030 Schottky fullbro likeretter og fastspent med en enkel krets som består av enSZMM3Z6V2ST1G Zener-diode, en filtrerings- / lagringskondensator (C1) og enNCP170 LDO-regulator (low dropout), alt fra ON Semiconductor (figur 4).

Figur 4: Utviklere kan drive ON Semiconductor RSL10 ved hjelp av en enkel strømforsyningskrets som klemmer den utbedrede utgangen fra ZF Electronics AFIG-007 energihøster. (Bildekilde: ON Semiconductor)

ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB-settet kombinerer AFIG-007 og den ovennevnte forsyningskretsen med RSL10 på et 23 x 23 mm-kort (figur 5).

Figur 5: ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB-kortet plasserer funksjonskomponenten på midtdelen av et 23 x 23 mm-kort (til venstre). Avtakbare vinger holder utviklingsgrensesnitt, inkludert et 10-pinners JTAG-grensesnitt tilgjengelig fra bunnen (til høyre). (Bildekilde: ON Semiconductor)

Mens den 7 mm brede midtdelen inneholder kjernekomponentene, gir de avtakbare sidevingene utviklingsgrensesnitt, inkludert et 10-pinners JTAG / SWD-grensesnitt for en standard adapter, for eksempelTag-ConnectTC2050-IDC . Sammen med det 10-pinners grensesnittet gir sidevingene overskrifter for en genser og en ekstern 3,3 volt forsyningskilde (Vout) for programmering og feilsøking ved hjelp av en tilkoblet JTAG-programmerer, for eksempelSegger Microcontroller Systems8.16.28 J-LINK ULTRA + .

Bytt utvikling

BLE-SWITCH001-GEVB-kortet leveres forhåndslastet med firmware som overfører et Eddystone-fyr hvert 20. ms til systemet tømmer energien fra en enkelt bryteraktivering. For dette eksempelprogrammet sender designen først en Eddystone-URL-ramme som inneholder URL-en “https://onsemi.com/idk“. Etter denne innledende rammen sender designen Eddystone-TLM-rammer, som inneholder telemetridata inkludert bryterens forsyningsspenning, oppetid og totalt antall pakker som er sendt til dags dato.

PÅ Semiconductors RSL10Eddystone prøveprogramvare illustrerer de grunnleggende designmønstrene for å bygge rammer og overføre dem (Listing 1). Som vist, kaller utviklere en funksjon EddyService_Env_Initialize () for å laste en Eddystone-miljøstruktur, eddy_env_tag, med nyttelasten for en Eddystone-URL-ramme. For å sende fyrtårnet, ringer utviklere Eddy_GATTC_WriteReqInd () som bygger pakken, krypterer dataene ved hjelp av RSL10s AES-krypteringsakselerator, og sender deretter (ke_msg_send ()) meldingen til en overføringskø. Lavere tjenestelag henter meldinger i kø, bygger pakker og overfører dem.

Kopi
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(…)

Listing 1: ON Semiconductor sample code illustrerer grunnleggende designmønstre for å definere nyttelasten for en Eddystone-URL-ramme og sende den fullførte rammen. (Kildekilde: ON Semiconductor)

De overførte fyrene kan oppdages av en hvilken som helst BLE-kompatibel vert innen rekkevidde, eller vises på en nærliggende mobilenhet ved hjelp av en beacon-app som ON SemiconductorRSL10 mobilapp . For å kontrollere enheter med den trådløse bryteren, kan utviklere bruke ON Semiconductor RSL10-basertBDK-GEVK BLE IoT utviklingssett for å behandle fyrtårn og utføre tilhørende handlinger For eksempel kan utviklere implementere et lys som styres med en trådløs bryter ved å kombinere BDK-GEVK-grunnkortet med ON Semiconductor D − LED − B − GEVK dual LED-forkoblingskort. Ved utforming av motordrevne applikasjoner kan utviklere kombinere grunnkortet med ON SemiconductorBLDC-GEVK børsteløst DC-driverkort ellerD-STPR-GEVK stepper motor driver board.

Til slutt, for å distribuere den trådløse bryteren, kan utviklere ganske enkelt snappe av de to vingene, og etterlate en enkelt 7 x 23 mm montering som inneholder alle de funksjonelle komponentene (figur 6).

Figur 6: Etter å ha fjernet de to vingene fra ON Semiconductor dev-kortet (til venstre), kan utviklere enkelt plassere 7 x 23 mm-enheten i et vippearm (høyre). (Bildekilde: ON Semiconductor)

Fordi ZF-aktuatoren ligger på baksiden av enheten, kan den plasseres under vippebryter eller bryteremne.

Konklusjon

Trådløse brytere tilbyr en vedlikeholdsfri løsning for raskt voksende etterspørsel etter å kontrollere smarte produkter. For konvensjonelle trådløse design, krever imidlertid strømkrav et batteri for drift, noe som øker kostnadene og kompleksiteten til designet og tvinger brukerne til å håndtere batteristyring og utskifting. En referansedesign fra ON Semiconductor eliminerer i stor grad disse problemene ved å bruke energihøsting for å forsyne en Bluetooth 5.0-modul med ultra-lav effekt med all den kraften den trenger for å signalisere et hub eller smart produkt trådløst.