Bouw een batterijloze en draadloze switch met Bluetooth voor slimme producten

De snelle ontwikkeling van van slimme, op systemen aangesloten producten heeft geleid tot een groeiende vraag naar draadloze switches, om de connectiviteit te vergemakkelijken. Aangezien deze switches draadloos zijn, vereisen ze geen extra bedrading en kunnen ze gemakkelijk geplaatst worden. De recent op de markt verschenen draadloze switches werken echter op batterijen, iets wat de kosten en de ontwerpcomplexiteit verhoogt en gebruikers bovendien voor het probleem stelt van batterijen die moeten worden vervangen. De oplossing kan wellicht gevonden worden in inductieve energy-harvesting, oftewel energie oogsten door inductie.

De omgeving bevat vele vormen van energie, zoals fotonen, RF-energie, trilling, temperatuurverschillen en druk. In dit artikel wordt een referentie-ontwerp voor inductieve energy-harvesting beschreven waarvoor onderdelen van ON Semiconductor en ZF Electronics werden gecombineerd, in een innovatieve benadering op basis van Bluetooth en het open-beacon-protocol van Eddystone.

Het ontwerp en de bijbehorende ontwikkelingskit leveren samen een Bluetooth 5.0-module met ultralaag energieverbruik op, die over alle energie beschikt die nodig is om signalen naar een Bluetooth-hub of slim product te sturen.

Ontwerp met ultralaag energieverbruik

De ontwikkelingskit BLE-SWITCH001-GEVB van ON Semiconductor combineert een drop-in Bluetooth 5.0-module met een mechanische switch met systeem voor energy-harvesting, die ontwikkelaars voorziet van een directe oplossing voor een draadloze switch en daarmee het fundament voor persoonlijk aangepaste draadloze switch-ontwerpen. In dit ontwerp levert een AFIG-0007 inductieve energy-harvester van ZF Electronics voldoende energie om een RSL10 Bluetooth 5 system-in-package (SiP) van ON Semiconductor lang genoeg van voeding te voorzien om Bluetooth low energy (BLE)-beacons over te dragen. Na ontvangst van een beacon kan een met BLE compatibele ontvanger in een slim product of hub de actie uitvoeren die nodig is om een lamp, relais of andere inrichting aan te sturen.

De sleutel tot dit batterijloze ontwerp ligt in de ideale match tussen de energiebehoefte van de RSL10 voor beacon-overdracht en het vermogen van de AFIG-0007 om voldoende energie te genereren om aan deze behoefte te voldoen.

De RSL10-module, ontworpen om tegemoet te komen aan de stijgende vraag naar energiezuinige, draadloze connectiviteit, integreert meerdere functionele blokken om een complete Bluetooth 5-oplossing te bieden (Afbeelding 1). Voor de verwerking omvat de module zowel een Arm^® Cortex^®-M3 core voor algemene verwerkingen als de eigen LPDSP32 32-bits digitale signaalprocessor (DSP) core voor specialistische toepassingen van ON Semiconductor.

Afbeelding 1: de RSL10 SiP-module van ON Semiconductor combineert meerdere functionele blokken om een complete Bluetooth 5.0-oplossing met minimaal energieverbruik te bieden. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De module ondersteunt deze processors met diverse randapparaten en geheugens, waaronder 384 Kbytes flash, 76 Kbytes programmageheugen en 88 Kbytes datageheugen. Voor Bluetooth-communicatie bevat de module een 2,4 gigahertz (GHz) RF front-end die de fysieke laag van Bluetooth (physical layer - PHY) ondersteunt, alsmede een baseband-controller die geavanceerde Bluetooth 5.0-protocollen ondersteunt.

De RSL10 is in staat om met een breed voedingsspanningsbereik te werken (1,1 tot 3,3 volt) en heeft een opmerkelijk laag niveau van energieverbruik. Door gebruik te maken van de ULPMark ultra-low-power (ULP) benchmark van het Embedded Microprocessor Benchmark (EEMB) Consortium, behaalt de RSL10 een toonaangevende score van 1090 met een voeding van 3 volt en 1360 bij werking op een voeding van 2,1 volt.

In veel draadloze toepassingen kan de energie, die nodig is om repetitieve, langdurige draadloze transacties te ondersteunen, de grenzen van zelfs het meest energiezuinige ontwerp danig op de proef stellen. Het referentie-ontwerp van ON Semiconductor richt zich op het gebruik van zeer korte draadloze transacties die mogelijk worden gemaakt met behulp van Bluetooth-beacon-protocollen.

Beacons zijn korte berichten die volgen op Bluetooth advertentie-protocollen om een ID of ander klein stukje data naar een willekeurige beschikbare luisteraar uit te zenden. In combinatie met speciale mobiele apps worden beacons op grote schaal toegepast in winkels, op entertainment-locaties, in vervoersmiddelen en op andere openbare locaties waar een beacon informatie met betrekking tot de locatie van de gebruiker kan verstrekken. Het ontwerp van de draadloze switch van ON Semiconductor gebruikt een speciaal type beacon dat Eddystone-beacon wordt genoemd.

Eddystone-beacons volgen een open standaard die de envelop- en data-payload specificeert die bij pakketten hoort die slechts enkele bytes lang zijn. Voor Eddystone-beacons kunnen payload-formaten een unieke ID (UUID), een URL of verschillende soorten van telemetriegegevens (TLM) zoals de temperatuur specificeren (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: het industiestandaard Eddystone-formaat definieert een beacon-envelop en payload in slechts een paar bytes. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Wanneer een Eddystone-beacon wordt gevonden, kan een ontvangende app acties uitvoeren die aan die UUID zijn gekoppeld, de gebruiker naar die URL sturen of op de juiste manier op de telemetriegegevens reageren.

Voedingsbron met energy-harvesting

De overdracht van Eddystone-beacons kan zeer kort zijn, slechts 10 milliseconden (ms), en met de ultra-zuinige RSL10 bedraagt de energie die voor zo'n overdracht nodig is slechts 100 millijoules (mJ), wat ruim binnen de capaciteiten ten aanzien van energie-opwekking van de AFIG-0007 energy-harvester blijft.

In de AFIG-0007 zit een spoel die rond een metalen kern gewikkeld is en die in contact is met een magnetisch blok (Afbeelding 3, links). Wanneer de gebruiker op een veerbelaste actuator drukt, verschuift het magnetische blok (Afbeelding 3, rechts). Hierdoor wordt de polariteit van het magnetische veld door de draadspoel omgekeerd, hetgeen resulteert in een puls van elektrische energie, volgens de principes van magnetische inductie. Wanneer de actuator wordt losgelaten, veert het magnetische blok terug naar zijn oorspronkelijke positie, hetgeen resulteert in nog een elektrische energiepuls met tegengestelde polariteit.

Afbeelding 3: wanneer de gebruiker op de actuator van de AFIG-0007 energy-harvester van ZF Electronics drukt, verschuift een magnetisch blok vanuit zijn ruststand (links) naar zijn uitgeschoven stand (rechts); hierbij wordt zowel bij het indrukken van de actuator als bij het loslaten ervan een energiepuls gegenereerd. Bron afbeelding: ZF Electronics)

Met een verwachte levensduur van 1.000.000 schakelcycli voldoet de 20 x 7 x 15 millimeter (mm) metende ZF aan de voornaamste mechanische en fysieke vereisten voor het ontwerp van een draadloze switch. De AFIG-0007 kan ook gemakkelijk in de energiebehoeften voor dit ontwerp voorzien. Met zijn vermogen om bij iedere activeringscyclus (indrukken en loslaten) ongeveer 300 mJ te genereren, voorziet de ZF de RSL10 van voldoende energie om twee of drie Eddystone-beacons over te dragen. Naast deze twee onderdelen vereist de implementatie van het draadloze switch-ontwerp slechts een paar aanvullende componenten om het circuit van de zelf energie oogstende (energy-harvesting) voeding te completeren.

Het ontwerp van voedingen met energy-harvesting

Op energy-harvesting gebaseerde voedingscircuits vereisen combinaties van spanningsconvertors en spoelen om de gegenereerde spanningsniveaus op de exacte niveaus te brengen die een microcontroller nodig heeft. Voor dit ontwerp vereenvoudigt het brede voedingsspanningsbereik van de RSL10 (1,1 tot 3,3 volt) het ontwerp van het voedingscircuit. De uitgang van de AFIG-007 wordt gelijkgericht door een NSR1030 Schottky full-bridge gelijkrichter en vastgeklemd met een eenvoudig circuit bestaande uit een SZMM3Z6V2ST1G Zenerdiode, een filter-/opslagcondensator (C1) en een NCP170 low drop-out (LDO) regelaar, allemaal van ON Semiconductor (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: ontwikkelaars kunnen de RSL10 van ON Semiconductor voeden met behulp van een eenvoudig voedingscircuit dat de gelijkgerichte uitgang van de AFIG-007 energy-harvester van ZF Electronics vastklemt. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De BLE-SWITCH001-GEVB-kit van ON Semiconductor combineert de AFIG-007 en het bovenstaande voedingscircuit met de RSL10 op een printplaat van 23 x 23 mm (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: de BLE-SWITCH001-GEVB printplaat van ON Semiconductor plaatst de functionele component in het middengedeelte van een printplaat van 23 x 23 mm (links). Verwijderbare vleugels houden ontwikkelingsinterfaces vast, waaronder een JTAG-interface met 10 pennen, toegankelijk vanaf de onderzijde (rechts). (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Terwijl het 7 mm brede middengedeelte de kerncomponenten bevat, bieden de verwijderbare zijvleugels ontwikkelingsinterfaces waaronder een JTAG/SWD-interface met 10 pennen voor een standaard adapter, zoals de Tag-Connect TC2050-IDC. Samen met de interface met 10 pennen bieden de zijvleugels stiftlijsten voor een draadbrug en een externe voedingsbron van 3,3 volt (Vout) voor programmering en debugging met behulp van een aangesloten JTAG programmeur, zoals de 8.16.28 J-LINK ULTRA+ van Segger Microcontroller Systems.

Ontwikkeling van switches

De BLE-SWITCH001-GEVB printplaat wordt afgeleverd met firmware die om de 20 ms een Eddystone-beacon verzendt, net zolang tot het systeem de energie van een enkele switch-activering heeft verbruikt. Voor deze voorbeeldtoepassing verzendt het ontwerp eerst een Eddystone-URL frame met de URL “https://onsemi.com/idk“. Volgend op dit initiële frame verzendt het ontwerp Eddystone-TLM frames, die telemetriegegevens bevatten waaronder de voedingsspanning van de switch, de inschakeltijd en het totale aantal pakketten dat tot op heden werd verzonden.

De RSL10 Eddystone sample-software van ON Semiconductor illustreert de basale ontwerppatronen voor het bouwen van frames en het overdragen ervan (Lijst 1). Zoals getoond roepen ontwikkelaars een functie EddyService_Env_Initialize() op om een Eddystone-omgeving struct, eddy_env_tag, te laden met de payload voor een Eddystone-URL frame. Om de beacon te verzenden roepen ontwikkelaars _GATTC_WriteReqInd() op, die het pakket vormt, de gegevens versleutelt met de AES versleutelingsaccelerator van de RSL10, en bericht vervolgens verzendt (ke_msg_send()) naar een wachtrij voor overdracht. Lagere servicelagen halen berichten uit de wachtrij op, vormen pakketten en verzenden deze.

Kopieer
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(…)

Lijst 1: de voorbeeldcode van ON Semiconductor illustreert basale ontwerppatronen voor het definiëren van de payload voor een Eddystone-URL frame en voor het verzenden van het gecompleteerde frame. (Bron code: ON Semiconductor)

De overgedragen beacons kunnen worden gedetecteerd door een willekeurige host die compatibel is met BLE in het bereik of weergegeven op een zich in de nabijheid bevindend mobiel toestel dat gebruik maakt van een beacon-app zoals de RSL10 mobile app van ON Semiconductor. Om apparaten aan te sturen met de draadloze switch kunnen ontwikkelaars de op de RSL10 gebaseerde BDK-GEVK BLE IoT ontwikkelingskit van ON Semiconductor gebruiken om beacons te verwerken en de bijbehorende acties uit te voeren. Ontwikkelaars kunnen bijvoorbeeld een met een draadloze switch aangestuurde lamp implementeren door de BDK-GEVK basisprintplaat te combineren met het D−LED−B−GEVK ballastbord met dubbele led van ON Semiconductor. Bij het ontworpen van door een motor aangedreven toepassingen, kunnen ontwikkelaars de basisprintplaat combineren met de BLDC-GEVK driver-printplaat voor borstelloze DC-motors van ON Semiconductor of met de D-STPR-GEVK driver-printplaat voor stappenmotors.

Om de draadloze switch te implementeren kunnen ontwikkelaars eenvoudig de twee vleugels eraf klikken, hierdoor blijft een enkele groep van 7 x 23 mm over die alle functionele componenten bevat (Afbeelding 6).

Figuur 6: Na het verwijderen van de twee vleugels van de ON Semiconductor dev board (links), kunnen ontwikkelaars de 7 x 23 mm assemblage gemakkelijk in een tuimelschakelaar plaatsen (rechts). (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Omdat de ZF-actuator aan de achterzijde van de assemblage zit, kan hij onder een tuimelschakelaar worden geplaatst.

Conclusie

Draadloze switches bieden een onderhoudsvrije oplossing voor de snel groeiende vraag naar regeling van slimme producten. Voor conventionele draadloze ontwerpen zijn de energiebehoeften dusdanig dat een batterij nodig is voor de werking, hetgeen de kosten en ontwerpcomplexiteit verhoogt en gebruikers voor het probleem stelt van batterijen die moeten worden vervangen. Een referentie-ontwerp van ON Semiconductor elimineert deze problemen grotendeels door gebruik te maken van energy-harvesting (energie oogsten) om een ultra-energiezuinige Bluetooth 5.0-module te voeden met alle energie die nodig is om signalen naar een Bluetooth-hub of slim product te sturen.