Concevoir un commutateur sans fil Bluetooth sans batterie pour les produits intelligents

Le déploiement rapide des produits connectés intelligents a accru la demande en commutateurs sans fil pour simplifier la connectivité. Comme ils sont sans fil, ces commutateurs suppriment la nécessité d'un câblage supplémentaire et permettent un placement pratique. Cependant, les commutateurs sans fil récents sont alimentés par batterie, ce qui augmente le coût et la complexité des conceptions et oblige les utilisateurs à remplacer les batteries. La solution pourrait se trouver dans la récupération d'énergie inductive.

Les sources d'énergie ambiante sont nombreuses, notamment les photons, l'énergie RF, les vibrations, les variations de température et la pression. Toutefois, cet article décrit une conception de référence de récupération d'énergie inductive, qui combine des composants d'ON Semiconductor et de ZF Electronics dans une approche innovante basée sur Bluetooth et le protocole ouvert de balise Eddystone.

Ensemble, la conception et le kit de développement associé fournissent un module Bluetooth 5.0 ultrabasse consommation, doté de la puissance nécessaire pour transmettre un signal sans fil à un produit intelligent ou à un concentrateur compatible Bluetooth.

Conception ultrabasse consommation

Le kit de développement BLE-SWITCH001-GEVB d'ON Semiconductor combine un module Bluetooth 5.0 prêt à l'emploi à un commutateur mécanique à récupération d'énergie pour fournir aux développeurs une solution immédiate pour un commutateur sans fil, ainsi qu'une base pour les conceptions de commutateur sans fil personnalisées. Cette conception intègre un récupérateur d'énergie inductive AFIG-0007 de ZF Electronics visant à fournir l'énergie nécessaire pour alimenter le module SiP (système en boîtier) Bluetooth 5 RSL10, le temps de transmettre les balises BLE (Bluetooth Low Energy). À la réception d'une balise, le récepteur compatible BLE d'un produit ou d'un concentrateur intelligent peut exécuter l'action associée pour commander une lampe, un relais ou un autre dispositif.

La clé de cette conception sans batterie repose sur la parfaite compatibilité entre les exigences d'alimentation du RSL10 pour la transmission de la balise et la capacité de l'AFIG-0007 à générer l'énergie nécessaire pour répondre à ces exigences.

Conçu pour répondre à la demande émergente en matière de connectivité sans fil basse consommation, le module RSL10 intègre plusieurs blocs fonctionnels pour fournir une solution Bluetooth 5 complète (Figure 1). Côté processeur, le module intègre un cœur Arm^® Cortex^®-M3 pour le traitement à usage général et le cœur de processeur de signaux numériques (DSP) LPDSP32 32 bits d'ON Semiconductor pour les applications spécialisées.

Figure 1 : Le module SiP RSL10 d'ON Semiconductor combine plusieurs blocs fonctionnels pour fournir une solution Bluetooth 5.0 complète avec une consommation énergétique minimale. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le module prend en charge ces processeurs avec plusieurs périphériques et mémoires, notamment une mémoire Flash de 384 Ko, une mémoire programme de 76 Ko et une mémoire de données de 88 Ko. En ce qui concerne les communications Bluetooth, le module inclut un circuit d'entrée RF de 2,4 GHz prenant en charge une couche physique (PHY) Bluetooth et un contrôleur de bande de base prenant en charge les protocoles Bluetooth 5.0 avancés.

Avec une vaste plage de tensions d'alimentation de fonctionnement de 1,1 V à 3,3 V, le RSL10 consomme des niveaux d'énergie exceptionnellement faibles. Selon la référence ultrabasse consommation (ULP) ULPMark d'Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMB), le RSL10 atteint un score de pointe de 1090 avec une alimentation de 3 V et de 1360 avec 2,1 V.

Dans de nombreuses applications, cependant, l'énergie nécessaire pour prendre en charge des transactions sans fil répétitives et de longue durée peut dépasser les limites des conceptions les plus écoénergétiques. La conception de référence d'ON Semiconductor répond à l'utilisation de transactions sans fil très courtes avec les protocoles à balises Bluetooth.

Les balises sont de courts messages qui suivent les protocoles d'annonce Bluetooth pour la diffusion d'un identifiant ou d'un autre élément de données court vers un écouteur disponible. Associées à des applications mobiles spécialisées, les balises sont largement utilisées dans le commerce de détail, le divertissement, les transports et d'autres lieux publics où une balise peut fournir des informations relatives à l'emplacement de l'utilisateur. La conception du commutateur sans fil d'ON Semiconductor utilise un type de balise spécial appelé balise Eddystone.

Les balises Eddystone appliquent une norme ouverte spécifiant l'enveloppe et la charge utile de données associées à des paquets d'une longueur de seulement quelques octets. Pour les balises Eddystone, les formats de charge utile peuvent spécifier un identifiant unique (UUID), une URL ou différents types de données télémétriques (TLM) comme la température (Figure 2).

Figure 2 : Le format Eddystone standard définit l'enveloppe et la charge utile dans seulement quelques octets. (Source de l'image : ON Semiconductor)

En détectant une balise Eddystone, une application de réception peut exécuter les actions associées à l'UUID, diriger l'utilisateur vers l'URL ou répondre aux données télémétriques selon le cas.

Source d'alimentation à récupération d'énergie

Les transmissions de balises Eddystone peuvent ne durer que 10 ms, et avec le RSL10 ultrabasse consommation, l'énergie nécessaire à leur exécution peut se limiter à 100 mJ, une valeur largement comprise dans les capacités de génération de puissance du récupérateur d'énergie AFIG-0007.

L'AFIG-0007 comprend une bobine entourant un cœur métallique en contact avec un bloc magnétique (Figure 3, à gauche). Lorsque l'utilisateur appuie sur l'actionneur à ressort, le bloc magnétique se déplace (Figure 3, à droite). Cette action inverse la polarité du champ magnétique dans la bobine de fil, ce qui entraîne une impulsion d'énergie électrique selon les principes d'induction magnétique. En relâchant l'actionneur, le bloc magnétique revient à sa position initiale, ce qui entraîne une autre impulsion d'énergie de polarité inverse.

Figure 3 : Lorsque l'utilisateur appuie sur l'actionneur intégré au récupérateur d'énergie AFIG-0007 de ZF Electronics, un bloc magnétique se déplace de sa position initiale (à gauche) vers sa position étendue (à droite), générant une impulsion d'énergie avec la pression initiale de l'actionneur et une autre avec son relâchement. (Source de l'image : ZF Electronics)

Avec une durée de vie de 1 000 000 cycles de commutation, le ZF de 20 mm x 7 mm x 15 mm répond aux principales exigences physiques et mécaniques d'une conception de commutateur sans fil. Et l'AFIG-0007 répond parfaitement aux exigences énergétiques de cette conception. Grâce à sa capacité à générer environ 300 mJ à chaque cycle d'activation par pression et relâchement, le ZF fournit au RSL10 une puissance suffisante pour transmettre deux ou trois balises Eddystone. Outre ces deux composants, l'implémentation de la conception du commutateur sans fil ne requiert que quelques composants supplémentaires pour compléter le circuit d'alimentation à récupération d'énergie.

Conception d'une alimentation à récupération d'énergie

En général, les circuits d'alimentation à récupération d'énergie nécessitent des combinaisons de convertisseurs de tension et de bobines pour ajuster les niveaux de tension générés aux niveaux précis requis par le microcontrôleur. Pour cette conception, la vaste plage d'alimentation de 1,1 V à 3,3 V du RSL10 simplifie la conception du circuit d'alimentation. La sortie de l'AFIG-0007 est régulée par un redresseur Schottky en pont complet NSR1030, et fixée avec un circuit simple comprenant une diode Zener SZMM3Z6V2ST1G, un condensateur de filtrage/stockage (C1) et un régulateur à faible chute de tension (LDO) NCP170, tous des produits d'ON Semiconductor (Figure 4).

Figure 4 : Les développeurs peuvent alimenter le RSL10 d'ON Semiconductor à l'aide d'un circuit d'alimentation simple qui fixe la sortie redressée du récupérateur d'énergie AFIG-0007 de ZF Electronics. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le kit BLE-SWITCH001-GEVB d'ON Semiconductor combine l'AFIG-0007 et le circuit d'alimentation présenté ci-dessus avec le RSL10 sur une carte de 23 mm x 23 mm (Figure 5).

Figure 5 : La carte BLE-SWITCH001-GEVB d'ON Semiconductor place le composant fonctionnel sur la section centrale de la carte de 23 mm x 23 mm (à gauche). Des ailettes amovibles contiennent les interfaces de développement, notamment une interface JTAG à 10 broches accessible par le bas (à droite). (Source de l'image : ON Semiconductor)

Si la section centrale de 7 mm de large contient les composants principaux, les ailettes latérales amovibles fournissent les interfaces de développement, notamment une interface JTAG/SWD à 10 broches pour un adaptateur standard, comme le TC2050-IDC de Tag-Connect. Outre l'interface à 10 broches, les ailettes latérales fournissent les embases pour un raccordement et une source d'alimentation externe de 3,3 V (Vout) pour la programmation et le débogage avec un programmateur JTAG connecté, comme le 8.16.28 J-LINK ULTRA+ de Segger Microcontroller Systems.

Développement du commutateur

La carte BLE-SWITCH001-GEVB est fournie avec un micrologiciel préchargé qui transmet une balise Eddystone toutes les 20 ms jusqu'à épuisement de l'énergie d'une activation du commutateur par le système. Pour cette application d'exemple, la conception transmet d'abord une trame Eddystone-URL contenant l'URL « https://onsemi.com/idk ». Après cette trame initiale, la conception transmet des trames Eddystone-TLM, qui contiennent les données télémétriques, notamment la tension d'alimentation du commutateur, son temps de fonctionnement et le nombre total de paquets transmis jusqu'à cette période.

Le logiciel d'exemple Eddystone RSL10 d'ON Semiconductor illustre les modèles de conception de base pour la construction de trames et leur transmission (Liste 1). Comme illustré, les développeurs appellent une fonction EddyService_Env_Initialize() pour charger la structure d'environnement Eddystone eddy_env_tag, avec la charge utile pour une trame Eddystone-URL. Pour envoyer la balise, les développeurs appellent la fonction Eddy_GATTC_WriteReqInd() qui crée les paquets, chiffre les données à l'aide de l'accélérateur de cryptage AES du RSL10 et envoie (ke_msg_send()) à une file d'attente de transmission. Les couches de service inférieures récupèrent les messages en file d'attente, créent les paquets et les transmettent.

Copier
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 : Le code d'exemple d'ON Semiconductor illustre les modèles de conception de base pour définir la charge utile d'une trame Eddystone-URL et envoyer la trame complète. (Source du code : ON Semiconductor)

Les balises transmises peuvent être détectées par un hôte compatible BLE à leur portée ou affichées sur un dispositif mobile à proximité avec une application de balise telle que l'application mobile RSL10 d'ON Semiconductor. Pour commander les dispositifs avec le commutateur sans fil, les développeurs peuvent utiliser le kit de développement IoT BLE BDK-GEVK basé sur RSL10 d'ON Semiconductor pour traiter les balises et exécuter les actions associées. Par exemple, les développeurs peuvent implémenter une lampe commandée par un commutateur sans fil en combinant une carte de base BDK-GEVK à une carte de ballast LED double D−LED−B−GEVK d'ON Semiconductor. Pour la conception d'applications motorisées, les développeurs peuvent combiner la carte de base avec une carte de variateur moteur CC sans balais BLDC-GEVK d'ON Semiconductor ou une carte de variateur moteur pas-à-pas D-STPR-GEVK.

Enfin, pour déployer le commutateur sans fil, les développeurs peuvent simplement enlever les deux ailettes, en ne laissant qu'un seul assemblage de 7 mm x 23 mm contenant tous les composants fonctionnels (Figure 6).

Figure 6 : Après avoir enlevé les deux ailettes de la carte de développement d'ON Semiconductor (à gauche), les développeurs peuvent facilement placer l'assemblage de 7 mm x 23 mm dans un espace d'interrupteur à bascule (à droite). (Source de l'image : ON Semiconductor)

Comme l'actionneur ZF se trouve à l'arrière de l'assemblage, il peut être placé sous un interrupteur à bascule ou un espace vide.

Conclusion

Les commutateurs sans fil fournissent une solution sans maintenance pour répondre à la demande croissante de contrôle des produits intelligents. Les conceptions sans fil conventionnelles, cependant, exigent une batterie pour répondre aux besoins en énergie, ce qui augmente le coût et la complexité des conceptions et oblige les utilisateurs à gérer et à remplacer les batteries. Une conception de référence d'ON Semiconductor permet d'éliminer en grande partie ces problèmes, en exploitant la récupération d'énergie pour fournir à un module Bluetooth 5.0 ultrabasse consommation toute l'énergie dont il a besoin pour transmettre un signal sans fil à un produit intelligent ou à un concentrateur compatible Bluetooth.