Budowa bezprzewodowego bezbateryjnego przełącznika z obsługą Bluetooth dla produktów inteligentnych

Szybkie wdrażanie inteligentnych produktów połączonych zwiększyło zapotrzebowanie na przełączniki bezprzewodowe ułatwiające łączność. Przełączniki te, jako że są bezprzewodowe, eliminują potrzebę prowadzenia dodatkowego przewodu, a także mogą być montowane w dogodnym miejscu. Jednak najnowsze przełączniki bezprzewodowe są zasilane bateryjnie, co zwiększa koszty i złożoność projektu oraz zmusza użytkowników do zajmowania się wymianą baterii. Rozwiązaniem może być pozyskiwanie energii indukcyjnej z otoczenia.

W otoczeniu istnieje wiele źródeł energii, na przykład fotony, energia o częstotliwościach radiowych, drgania, różnice temperatur i ciśnienie. W artykule opisaliśmy modelową instalację pozyskiwania energii indukcyjnej z otoczenia, w której połączono części firm ON Semiconductor i ZF Electronics w nowatorskim podejściu opartym na technologii Bluetooth i otwartym protokole nadawczym Eddystone.

Projekt i powiązany zestaw rozwojowy łącznie zaopatrują moduł Bluetooth 5.0 o ultraniskiej mocy w całą energię potrzebną do bezprzewodowego przesyłana sygnałów do koncentratora obsługującego technologię Bluetooth lub produktu inteligentnego.

Konstrukcja zapewniająca ultraniskie zużycie energii

Zestaw rozwojowy BLE-SWITCH001-GEVB firmy ON Semiconductor łączy gotowy moduł Bluetooth 5.0 z mechanicznym przełącznikiem pozyskującym energię z otoczenia, zapewniając deweloperom błyskawiczne rozwiązanie w postaci przełącznika bezprzewodowego i bazę do tworzenia własnych projektów przełączników bezprzewodowych. W tym projekcie moduł AFIG-0007 pozyskujący energię indukcyjną z otoczenia firmy ZF Electronics zapewnia energię wystarczającą do zasilania układu SiP (system-in-package) Bluetooth 5 RSL10 firmy ON Semiconductor wystarczająco długo, aby przesyłać sygnały Bluetooth Low Energy (BLE). Po odebraniu sygnału odbiornik z obsługą technologii BLE w produkcie inteligentnym lub koncentratorze może wykonać powiązaną czynność w celu sterowania światłem, przekaźnikiem lub innym urządzeniem.

Kluczem do omawianej bezbateryjnej konstrukcji jest idealne dopasowanie pomiędzy zapotrzebowaniem na zasilanie modułu RSL10 do transmisji sygnału i zdolnością urządzenia AFIG-0007 do generowania energii wystarczającej do zaspokojenia tego zapotrzebowania.

Zaprojektowany, aby sprostać rosnącemu popytowi na łączność bezprzewodową niskiej mocy moduł RSL10 integruje wiele bloków funkcjonalnych, tworząc kompletne rozwiązanie Bluetooth 5 (ilustracja 1). Moduł zawiera zarówno rdzeń ARM^® Cortex^®-M3 do przetwarzania ogólnego, jak i 32-bitowy rdzeń cyfrowego procesora sygnałowego (DSP) LPDSP32 firmy ON Semiconductor do zastosowań specjalistycznych.

Ilustracja 1: moduł SiP (system-in-package) RSL10 firmy ON Semiconductor łączy w sobie wiele bloków funkcjonalnych, tworząc kompletne rozwiązanie Bluetooth 5.0 przy minimalnym zużyciu energii. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Moduł obsługuje procesory z wieloma urządzeniami peryferyjnymi i pamięcią, w tym 384kB pamięci flash, 76kB pamięci na oprogramowanie i 88kB pamięci na dane. Moduł zawiera układ front-end częstotliwości radiowej 2,4GHz do komunikacji Bluetooth, który obsługuje warstwę fizyczną Bluetooth (PHY) oraz kontroler pasma podstawowego obsługujący zaawansowane protokoły Bluetooth 5.0.

Moduł RSL10 jest zdolny do pracy w szerokim zakresie napięć zasilania (od 1,1 do 3,3V), a jego poziom zużycia energii jest niezwykle niski. W teście porównawczym ULPMark urządzeń o ultraniskim poborze mocy (ULP) opracowanym przez organizację Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC) moduł RSL10 osiąga wiodący w branży wynik 1090 przy zasilaniu 3V i 1360 przy zasilaniu 2,1V.

Jednak w wielu zastosowaniach bezprzewodowych moc wymagana do obsługi powtarzających się, długotrwałych transakcji bezprzewodowych może wystawić na próbę ograniczenia nawet najbardziej energooszczędnych projektów. Projekt referencyjny firmy ON Semiconductor służy do obsługi bardzo krótkich transakcji bezprzewodowych, które są możliwe dzięki protokołom sygnału Bluetooth.

Sygnały w tej technologii to krótkie komunikaty, które są zgodne z protokołami rozgłaszania Bluetooth w celu nadania identyfikatora lub innego krótkiego fragmentu danych do dowolnego dostępnego urządzenia nasłuchującego. W połączeniu ze specjalistycznymi aplikacjami mobilnymi takie sygnały znalazły szerokie zastosowanie w handlu detalicznym, rozrywce, transporcie i innych obiektach użyteczności publicznej, w których mogą one dostarczać informacje związane z lokalizacją użytkownika. Konstrukcja przełącznika bezprzewodowego firmy ON Semiconductor wykorzystuje specjalny typ sygnału zwanego sygnałem Eddystone.

Sygnały Eddystone są zgodne z otwartym standardem, który określa kopertę i ładunek danych związane z pakietami o długości zaledwie kilku bajtów. W przypadku sygnałów Eddystone formaty ładunku mogą określać unikalny identyfikator (UUID), adres URL lub różne typy danych telemetrycznych (TLM), jak np. temperatura (ilustracja 2).

Ilustracja 2: standardowy branżowy format Eddystone definiuje kopertę sygnału i ładunek w zaledwie kilku bajtach. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Po wykryciu sygnału Eddystone aplikacja odbierająca może wykonać operację skojarzoną z danym identyfikatorem UUID, odesłać użytkownika do danego adresu URL lub odpowiednio odpowiedzieć na dane telemetryczne.

Źródło energii pozyskiwanej z otoczenia

Transmisje sygnałów Eddystone mogą trwać zaledwie 10ms, a dzięki modułowi RSL10 ultraniskiej mocy energia potrzebna do zakończenia tej transmisji może wynosić zaledwie 100mJ, co mieści się w zakresie możliwości modułu do pozyskiwania energii z otoczenia AFIG-0007.

W module AFIG-0007 metalowy rdzeń stykający się z blokiem magnetycznym otacza cewka (ilustracja 3, po lewej). Gdy użytkownik naciśnie aktuator sprężynowy, blok magnetyczny zmienia położenie (ilustracja 3, po prawej). Takie działanie odwraca polaryzację pola magnetycznego przenikającego przez cewkę, wywołując impuls elektryczny zgodnie z zasadami indukcji magnetycznej. Zwolnienie aktuatora powoduje, że blok magnetyczny odskakuje z powrotem do swojego pierwotnego położenia, generując kolejny impuls o przeciwnej polaryzacji.

Ilustracja 3: kiedy użytkownik naciśnie aktuator wbudowany w moduł do pozyskiwania energii z otoczenia AFIG-0007 firmy ZF Electronics, blok magnetyczny przesunie się z położenia spoczynkowego (po lewej) do położenia wysuniętego (po prawej), generując jeden impuls energii przy pierwszym naciśnięciu aktuatora i kolejny przy jego zwolnieniu. (Źródło ilustracji: ZF Electronics)

Przy przewidywanej żywotności wynoszącej 1 milion cykli przełączania, moduł ZF o wymiarach 20 x 7 x 15mm spełnia kluczowe mechaniczne i fizyczne wymagania dotyczące projektowania przełączników bezprzewodowych. Moduł AFIG-0007 z łatwością spełnia również wymagania energetyczne omawianego projektu. Dzięki zdolności do generowania około 300mJ energii w każdym cyklu naciśnięcia i zwolnienia, moduł ZF RSL10 zapewnia wystarczającą moc do przesłania dwóch lub trzech sygnałów Eddystone. Oprócz tych dwóch części, wdrożenie projektu przełącznika bezprzewodowego wymaga tylko kilku dodatkowych komponentów uzupełniających obwód zasilania urządzenia do pozyskiwania energii z otoczenia.

Projekt modułu do pozyskiwania energii z otoczenia

Zazwyczaj obwody zasilania urządzeń do pozyskiwania energii z otoczenia wymagają kombinacji przetworników napięcia i cewek, aby doprowadzić generowane napięcie do dokładnie tych poziomów, których wymaga mikrokontroler. W tym przypadku szeroki zakres napięć zasilania modułu RSL10 - od 1,1 do 3,3V upraszcza projekt obwodu zasilania. Wyjście modułu AFIG-007 jest prostowane prostownikiem pełnomostkowym Schottky’ego NSR1030 i ograniczane prostym obwodem zawierającym diodę Zenera SZMM3Z6V2ST1G, kondensator filtrujący/magazynujący (C1) i regulator LDO NCP170, przy czym wszystkie wymienione komponenty pochodzą od firmy ON Semiconductor (ilustracja 4).

Ilustracja 4: deweloperzy mogą zasilać moduł RSL10 firmy ON Semiconductor za pomocą prostego obwodu zasilającego, który ogranicza wyprostowany sygnał wyjściowy z modułu AFIG-007 do pozyskiwania energii z otoczenia firmy ZF Electronics. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Zestaw BLE-SWITCH001-GEVB firmy ON Semiconductor łączy w sobie moduł AFIG-007 i wyżej wspomniany obwód zasilania z modułem RSL10 na płytce o wymiarach 23 x 23mm (ilustracja 5).

Ilustracja 5: komponent funkcjonalny znajduje się w środkowej części płytki 23 x 23mm (po lewej) na płytce BLE-SWITCH001-GEVB firmy ON Semiconductor. Demontowalne skrzydełka przytrzymują złącza rozwojowe, w tym 10-wtykowe złącze JTAG dostępne od dołu (po prawej). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Podczas gdy sekcja środkowa o szerokości 7mm zawiera główne komponenty, demontowalne skrzydełka boczne zapewniają złącza rozwojowe, w tym 10-wtykowe złącze JTAG/SWD do standardowego adaptera, takiego jak TC2050-IDC firmy Tag-Connect. Wraz z 10-wtykowym złączem, boczne skrzydełka stanowią listwy dla mostka i zewnętrznego źródła zasilania 3,3V do programowania i debugowania za pomocą podłączonego programatora JTAG, takiego jak 8.16.28 J-LINK ULTRA firmy Segger Microcontroller Systems.

Rozwój przełączników

Płytka BLE-SWITCH001-GEVB jest dostarczana z fabrycznie wgranym oprogramowaniem układowym, które przesyła sygnał Eddystone co 20ms, dopóki system nie wyczerpie energii z pojedynczej aktywacji przełącznika. W przypadku tego przykładowego zastosowania układ najpierw przesyła ramkę Eddystone-URL zawierającą adres URL „https://onsemi.com/idk”. Po tej początkowej ramce układ przesyła ramki Eddystone-TLM, które zawierają dane telemetryczne, w tym dane dotyczące napięcia zasilania przełącznika, jego czasu pracy i całkowitej liczby przesłanych dotychczas pakietów.

Przykładowe oprogramowanie Eddystone modułu RSL10 firmy ON Semiconductor ilustruje podstawowe wzorce projektowe dotyczące tworzenia ramek i ich przesyłania (listing 1). Deweloper wywołuje funkcję EddyService_Env_Initialize(), aby załadować strukturę środowiska Eddystone, eddy_env_tag, z ładunkiem dla ramki Eddystone-URL. Aby wysłać sygnał, deweloper wywołuje funkcję Eddy_GATTC_WriteReqInd(), która buduje pakiet, szyfruje dane za pomocą akceleratora szyfrowania AES RSL10, a następnie wysyła komunikat (ke_msg_send()) do kolejki transmisji. Niższe warstwy usług pobierają wiadomości w kolejce, tworzą pakiety i przesyłają je.

Kopiuj
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: przykładowy kod od firmy ON Semiconductor ilustruje podstawowe wzorce projektowe do definiowania ładunku dla ramki Eddystone-URL i wysyłania ukończonej ramki. (Źródło kodu: ON Semiconductor)

Przesyłane sygnały mogą być wykrywane przez dowolnego hosta znajdującego się w zasięgu i obsługującego technologię BLE lub wyświetlane na pobliskim urządzeniu mobilnym za pomocą odpowiedniej aplikacji, takiej jak ON RSL10 mobile app firmy ON Semiconductor. Aby sterować urządzeniami za pomocą przełącznika bezprzewodowego, deweloperzy mogą do przetwarzania sygnałów i wykonywania powiązanych działań wykorzystać zestaw rozwojowy BLE IoT BDK-GEVK oparty na module RSL10 firmy ON Semiconductor. Deweloperzy mogą na przykład wdrożyć oświetlenie sterowane za pomocą przełącznika bezprzewodowego, łącząc płytkę bazową BDK-GEVK z płytką balastową z dwiema diodami LED D-LED-B-GEVK firmy ON Semiconductor. Projektując układy napędzane silnikiem, deweloperzy mogą łączyć płytkę bazową z płytką sterownika silnika bezszczotkowego prądu stałego BLDC-GEVK lub płytką sterownika silnika krokowego D-STPR-GEVK firmy ON Semiconductor.

Wreszcie, aby wdrożyć przełącznik bezprzewodowy, deweloperzy mogą po prostu odłamać dwa skrzydełka, pozostawiając pojedynczy zespół o wymiarach 7 x 23mm zawierający wszystkie komponenty funkcjonalne (ilustracja 6).

Ilustracja 6: po zdjęciu dwóch skrzydełek z płytki rozwojowej firmy ON Semiconductor (po lewej) deweloperzy mogą łatwo umieścić zespół o wymiarach 7 x 23 mm w obudowie przełącznika (po prawej). (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Ponieważ aktuator ZF znajduje się z tyłu zespołu, można go umieścić pod przełącznikiem kołyskowym lub obudową przełącznikową.

Podsumowanie

Przełączniki bezprzewodowe stanowią bezobsługowe rozwiązanie odpowiadające na szybko rosnące zapotrzebowanie w zakresie sterowania produktami inteligentnymi. Jednak konwencjonalne układy bezprzewodowe wymagają do działania baterii, co zwiększa koszty i złożoność projektu oraz zmusza użytkowników do obsługi baterii i ich wymiany. Projekt referencyjny firmy ON Semiconductor w dużej mierze eliminuje te problemy, wykorzystując energię pozyskaną z otoczenia w celu pokrycia pełnego zapotrzebowania energetycznego modułu Bluetooth 5.0 ultraniskiej mocy do bezprzewodowego przesyłania sygnałów do koncentratora obsługującego technologię Bluetooth lub produktu inteligentnego.