Inteligentné inštalácie sú často vybavené bezdrôtovou technológiou a k nim sa vo veľa prípadoch hodí bezdrôtové tlačidlo. Existujúce bezdrôtové tlačidlá sú napájané batériami, čo zvyšuje náklady a núti používateľa, aby sa zaoberali výmenou batérií. Ide to aj inak, a to využitím indukčné energie počas stlačenia tlačidla.

Existuje veľa zdrojov energie, napríklad energia okolia vrátane fotónov, RF energia, vibrácie, teplotné rozdiely a tlak. Tento článok bude popisovať referenčnú konštrukciu s využitím indukčného získavania energie tzv. Nductive energy harvesting, ktorá kombinuje súčiastky od ON Semiconductor a ZF Electronics. Riešenie je založené na štandarde Bluetooth 5.0 a otvorenom beacon protokole od Eddystone.

Ultra nízky výkon

Vývojový kit ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB obsahuje Bluetooth 5.0 modul a mechanické tlačidlo, ktoré dokáže premeniť stlačenie tlačidla v elektrickú energiu. V tomto prevedení poskytuje induktor od ZF Electronics AFIG-0007 dostatočný výkon pre napájanie systému ON Semiconductor RSL10 Bluetooth 5 (SiP), aby vysielal Bluetooth beacons. Po prijatí Beacon sa môže na strane prijímača vykonať príslušná akcia, napríklad riadenie LED diódy či zopnutie relé.

Kľúčom pre toto riešenie spočíva v tom, že AFIG-0007 dokáže generovať dostatok energie, aby RSL10 dokázal vyslať beacon. Modul RSL10 poskytuje kompletné riešenie Bluetooth 5 (Obrázok 1). Obsahuje jadro Arm Cortex-M3 pre všeobecné použitie a 32-bitové jadro v procesore LPDSP32 pre špecializované aplikácie.

Obrázok 1: Modul RSL10 SiP od ON Semiconductor poskytuje kompletné riešenie Bluetooth 5.0 s minimálnou spotrebou. (Zdroj obrázka: ON Semiconductor)

Okrem týchto procesorov je na module tiež 384 kB Flash pamäť, 76 kB pamäť pre program a 88 kB pamäť pre dáta. Pre komunikáciu Bluetooth obsahuje modul 2,4 GHz koncový stupeň, ktorý priamo podporuje fyzickú vrstvu Bluetooth (PHY) a baseband kontrolér, ktorý podporuje pokročilé funkcie protokolu Bluetooth 5.0.

Je schopný pracovať v širokom rozsahu napájacieho napätia od 1,1 V až 3,3 V. S použitím vstavaného mikroprocesorového benchmarku (EEMB), ULPMark - ultra low power (RLP) dosahuje RSL10 špičkového skóre 1090 s 3 voltovým napájaním a 1360 pri prevádzke s napájaním 2,1V.

Beacon sú krátke správy, ktoré nadväzujú na protokol Bluetooth Advertising pre vysielanie identifikátora alebo iného krátkeho dátového súboru k akémukoľvek dostupnému poslucháčovi. Beacon spárované s mobilnou aplikáciou našli široké použitie v maloobchode, zábave, doprave a iné verejné miesta, kde beacon poskytuje informácie týkajúce sa polohy používateľa. ON Semiconductor používa špeciálny typ Beacon nazvaného beacon Eddystone.

Eddystone beacon vychádza z otvoreného štandardu, ktorý špecifikuje obálku a užitočné dáta (payload) o veľkosti niekoľko bytov. Formát užitočných dát je presne špecifikovaný a obsahuje jedinečný identifikátor (UUID), URL adresu alebo rôzne typy dát telemetrie (TLM), napríklad teplotu (obrázok 2).

Obrázok 2: Priemyselný štandard Eddystone definuje obálku Beaconu a užitočné dáta (payload) iba v niekoľkých bajtoch. (Zdroj obrázka: ON Semiconductor)

Zdroj energie

Prenos správy pri beacon Eddystone trvá cca 10 ms. Energia potrebná k prenosu správy je iba 100 mJ a to vďaka nízkej spotrebe RSL10. Tlačidlo AFIG-0007 po stlačení dokáže vygenerovať práve také množstvo energie.

Vnútri AFIG-0007 je cievka, ktorá má kovové jadro spojené s magnetickým blokom (obrázok 3, vľavo). Keď používateľ stlačí pružinový mechanizmus, magnetické bloky sa posunú (obrázok 3, vpravo). Táto akcia vyvolá zmenu polarity magnetického poľa cievkou, čo vedie k vytvoreniu pulzu elektrickej energie. Uvoľnení tlačidla spôsobí, že sa magnetický blok vráti späť do svojej pôvodnej polohy, čo má za následok ďalší impulz energie, ale s opačnou polaritou.

Obrázok 3: Mechanické usporiadanie pri stlačení a uvoľnení tlačidla AFF-0007 od spoločnosti ZF Electronics (Zdroj obrázka: ZF Electronics)

Životnosť dosahuje 1 000 000 spínacích cyklov. Rozmery AFIG-0007 sú 20 x 7 x 15 mm, čo je ideálna veľkosť do bezdrôtových zariadení. Dokáže generovať približne 300 mJ pri každom stlačení a uvoľnení tlačidla. Tým pokryje energetické požiadavky na prenos dvoch alebo troch správ beacon Eddystone.

Návrh zdroja energie (harvesting power supply)

Aby sme získali kompletný napájací zdroj so správnou úrovňou napätia, ktoré vyhovuje mikroprocesoru, musíme pripojiť niekoľko súčiastok (meniče napätia a kondenzátory). RSL10 môžeme napájať napätím od 1,1 V do 3,3 V, čo celý návrh značne zjednodušuje. Výstup AFIG-0007 sa usmerní pomocou Schottkyho kompletného mostíka NSR1030. Za mostíkom nasleduje Zenerova dióda SZMM3Z6V2ST1G a filtračný kondenzátor (C1). Potom prichádza na rad low-drop regulátor NCP170 (LDO) od ON Semiconductor (Obrázok 4).

Obrázok 4: Vývojári môžu napájať RSL10 pomocou jednoduchého napájacieho obvodu, kde ako zdroj energie je použité tlačidlo AFIG-007od ZF Electronics. (Zdroj obrázka: ON Semiconductor)

Modul BLE-SWITCH001-GEVB je kompletný napájací zdroj s tlačidlom AFIG-0007. Zapojenie modulu je zobrazené na obrázku 4. Modul obsahuje tiež procesor RLS10 a to všetko na doske s rozmermi 23 x 23 mm (obrázok 5).

Obrázok 5: Doska BLE-SWITCH001-GEVB od ON Semiconductor obsahuje funkčnú komponent, ktorá je umiestnená v strednej časti dosky (vľavo). Na druhej strane na odlamovacou časti je 10-pinového rozhrania JTAG (vpravo). (Zdroj obrázka: ON Semiconductor)

Stredová časť je široká 7 mm a obsahuje kompletnú napájací zdroj a procesor RLS10. Vznikne po odlomenie bočných častí, ktoré obsahujú 10-pinové rozhranie JTAG / SWD TC2050-IDC  od Tag-Connect a pinheader pre jumper a pre pripojenie externého napájacieho zdroja 3.3 V (V_out). K doske je možné pomocou konektora pripojiť JTAG programátor Segger Microcontroller Systems -  8.16.28 J-LINK ULTRA +.

Vývoj firmware

Vvývojová doska BLE-SWITCH001-GEVB je dodávaná s predinštalovaným firmvérom, ktorý prenáša beacon Eddystone každých 20 ms, kým sa nevyčerpá energiu z tlačidla. Ukážková aplikácia najprv prenáša rámec Eddystone-URL obsahujúce URL adresu "https://onsemi.com/idk". Po tomto počiatočnom rámci prenesie Eddystone-Rámce TLM, ktoré obsahujú telemetrické údaje (veľkosť napájacieho napätia, jeho doby nábehu a celkový počet doteraz prenesených paketov).

Ukážkový softvér RSL10 Eddystone obsahuje základné vzory pre vytváranie rámcov a ich prenos (Výpis 1). Po zavolaní funkcie EddyService_Env_Initialize () sa načíta štruktúra eddy_env_tag s užitočnými dátami (payload) pre rámec Eddystone-URL. Pre odoslanie Beacon slúži funkcia Eddy_GATTC_WriteReqInd (), ktorý zostavuje paket, šifruje dáta pomocou akcelerátora AES v RSL10 a potom odošle pomocou ke_msg_send () správu do fronty. Nižšie vrstvy načítavajú správy z fronty, zostavujú pakety a zabezpečuje ich prenos.

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(…)

Výpis 1: Vzorky kód ON Semiconductor obsahuje základné vzory pre zostavenie rámca Eddystone-URL a jeho následné odoslanie. (Zdroj kódu: ON Semiconductor)

Vysielané Beacon môžu byť detekované ľubovoľným BLE zariadením v dosahu alebo ich môžeme zobrazovať na mobilnom telefóne pomocou aplikácie ON Semiconductor RSL10 (link is external). Pre overenie prijmem Beacon môžeme využiť vývojovú sadu BDK-GEVK BLE IoT (link is external), ktorá umožňuje príjem Beacon a vykonať príslušnú akciu. Napríklad možno ovládať duálny LED bezdrôtovým tlačidlom, a to kombináciou základnej dosky BDK-GEVK s doskou D - LED - B - GEVK, ktorá obsahuje duálny LED diódu. Pre aplikácie pre bezkefové DC motory môžu vývojári skombinovať základnú dosku s driverom DCDC BLDC-GEVK, alebo D-STPR-GEVK pre riadenie krokového motora. Po odlomení bočných častí vznikne zostava s veľkosťou 7 x 23 mm, ktorá obsahuje všetky funkčné komponenty (obrázok 6).

Obrázok 6: Po odstránení dvoch bočných častí z dosky ON Semiconductor dev (vľavo), môžeme ľahko umiestniť zostavu 7 x 23 mm do typického kolískového tlačidla (vpravo). (Zdroj obrázka: ON Semiconductor)

Pretože akčný člen ZF leží v zadnej časti, môže byť umiestnený pod kolískovým tlačidlom GIL-2000-2010 od CW Industries.

Záver

Bezdrôtové tlačidlá ponúka flexibilné použitie a spĺňajú požiadavky pre riadenie inteligentných produktov. Bežné bezdrôtové zariadenia sú napájané z batérií čo zvyšuje náklady a núti používateľa, aby si strážili stav batérie a mysleli na včasnú výmenu. Referenčný návrh od ON Semiconductor tieto problémy do značnej miery eliminuje. Pomocou špeciálneho tlačidla dokáže premeniť mechanickú energiu stlačenia na elektrickú energiu a upraviť ju pre modul RSL10, ktorý obsahuje Bluetooth 5.0. Vďaka nízkej spotrebe modulu dokáže vysielať Beacon do okolia a bezdrôtovo komunikovať s ostatnými zariadeniami.

Článok vyšiel v origináli "Build a Battery-Free Bluetooth-Enabled Wireless Switch for Smart Products" na webe DigiKey.com, autorom je Stephen Evanczuk