Konstruktion eines batterielosen, Bluetooth-fähigen, drahtlos vernetzten Schalters für intelligente Produkte

Von Stephen Evanczuk

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die schnelle Bereitstellung von intelligenten vernetzten Produkten hat die Nachfrage nach drahtlos vernetzten Schaltern zur Erleichterung der Vernetzung angeheizt. Da es sich um drahtlose Geräte handelt, müssen keine Kabel verlegt werden und die Aufstellung ist unproblematisch. Allerdings sind die derzeit verbreiteten drahtlosen Schalter batteriebetrieben, was die Kosten und die Komplexität erhöht und die Benutzer mit dem Austausch von Batterien belastet. Als Lösung bietet sich möglicherweise die induktive Energiegewinnung an.

Es gibt in der Umgebung viele Energiequellen: Photonen, HF-Energie, Vibration, Temperaturdifferenzen und Druck. In diesem Artikel wird dagegen ein Referenzdesign für die induktive Energiegewinnung beschrieben, das Bauelemente von ON Semiconductor und ZF Electronics in einem neuen Ansatz auf Grundlage von Bluetooth und des offenen Eddystone-Beacon-Protokolls kombiniert.

Das Bauelement und das zugehörige Entwicklungskit bilden zusammen ein Bluetooth-5.0-Modul mit extrem geringem Energieverbrauch, das über genug Leistung zur drahtlosen Ansteuerung eines Bluetooth-fähigen Hubs oder eines anderen intelligenten Produkts verfügt.

Design für ultraniedrige Leistungsaufnahme

Das Entwicklungskit BLE-SWITCH001-GEVB von ON Semiconductor verbindet ein Bluetooth-5.0-Drop-in-Modul mit einem Energie gewinnenden mechanischen Schalter, der den Entwicklern eine unmittelbare Lösung für einen drahtlosen Schalter und eine Konstruktionsgrundlage für drahtlose Schalterdesigns bietet. In diesem Bauteil liefert ein induktiver Energie-Harvester AFIG-0007 von ZF Electronics so viel Energie, wie ein Bluetooth 5-SiP RSL10 von ON Semiconductor benötigt, um BLE-Beacons (Bluetooth Low Energy) zu übertragen. Sobald ein BLE-fähiger Empfänger in einem intelligenten Produkt oder in einem Hub das Beacon empfangen hat, kann die gewünschte Aktion, z. B. die Steuerung einer Lichtquelle, eines Relais oder eines anderen Geräts, durchgeführt werden.

Der Schlüssel zu dieser batterielosen Entwicklung liegt in der perfekten Übereinstimmung zwischen dem Energiebedarf des RSL10 für die Übertragung von Beacons und der Fähigkeit des AFIG-0007, diesen Bedarf zu decken.

Im Modul RSL10, das den steigenden Bedarf an drahtloser Vernetzung mit niedrigem Energieverbrauch decken soll, sind mehrere Funktionsblöcke integriert, die eine vollständige Bluetooth-5-Lösung bieten (Abbildung 1). Das Modul enthält zur Datenverarbeitung einen Arm®-Cortex®-M3-Core für allgemeine Zwecke sowie den eigenen digitalen 32-Bit-Signalprozessor-Core (DSP) LPDSP32 von ON Semiconductor für spezielle Anwendungen.

Schaltbild des RSL10-SiP-Moduls von ON Semiconductor

Abbildung 1: Das RSL10-SiP-Modul von ON Semiconductor verbindet mehrere Funktionsblöcke zu einer vollständigen Bluetooth-5.0-Lösung mit minimalem Energieverbrauch. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Das Modul unterstützt diese Prozessoren durch mehrere Peripherie- und Speicherkomponenten: 384 KB Flash, 76 KB Programmspeicher und 88 KB Datenspeicher. Das Modul verfügt für die Bluetooth-Kommunikation über ein 2,4-GHz-HF-Frontend, das die physische Bluetooth-Schicht (PHY) und einen Basisband-Controller umfasst, der die erweiterten Bluetooth-5.0-Protokolle unterstützt.

Das RSL10 ist für einen großen Eingangsspannungsbereich von 1,1 bis 3,3 V ausgelegt und verbraucht bemerkenswert wenig Strom. Nach dem Ultra-Low-Power-Benchmark (ULP) ULPMark des Embedded Microprocessor Benchmark (EEMB) Consortiums erzielt das RSL10 die in der Branche führende Bewertung von 1090 mit einer 3V-Stromversorgung und 1360 mit einer 2,1V-Stromversorgung.

Bei vielen drahtlos vernetzten Anwendungen geht aber der für wiederholte drahtlose Transaktionen erforderliche Energiebedarf an die Grenzen jedes noch so energieeffizienten Designs. Das Referenzdesign von ON Semiconductor ist auf die sehr kurzen drahtlosen Transaktionen spezialisiert, die mit den Bluetooth-Beacon-Protokollen möglich sind.

Beacons sind kurze Nachrichten nach den Bluetooth-Advertising-Protokollen für den Broadcast einer Bezeichnung oder anderer kurzer Daten für beliebige verfügbare Listener. Zusammen mit speziellen Mobil-Apps haben Beacons große Verbreitung in den Bereichen Handel, Unterhaltung, Verkehr und in anderen öffentlichen Bereichen gefunden, in denen sie Informationen zum Standort von Benutzern liefern könnten. Beim drahtlosen Schalter von ON Semiconductor wird ein spezieller als Eddystone-Beacon bezeichneter Typ eingesetzt.

Eddystone-Beacons entsprechen einem offenen Standard, der die Hülle und die Nutzdaten von nur wenige Byte großen Paketen festlegt. Das Format der Nutzdaten von Eddystone-Beacons kann eine eindeutige ID (UUID), eine URL oder unterschiedliche Typen von Telemetriedaten (TLM), z. B. Temperatur, umfassen (Abbildung 2).

Diagramm: Eddystone-Standardformat (zum Vergrößern klicken)

Abbildung 2: Das Eddystone-Standardformat definiert die Hülle und die Nutzdaten eines Beacons mit nur wenigen Byte. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Beim Eintreffen eines Eddystone-Beacons kann die empfangende App Aktionen bezüglich der UUID durchführen, den Benutzer an die URL weiterleiten oder auf die Telemetriedaten reagieren.

Energy-Harvesting-Stromversorgung

Eine Übertragung eines Eddystone-Beacons kann nur 10 Millisekunden (ms) lang sein, und die zur Durchführung der Übertragung mit dem RSL10 mit seinem extrem niedrigen Energieverbrauch kann nur 100 Millijoule (mJ) betragen, was durchaus im Bereich des Energieerzeugungspotenzials des Energie-Harvesters AFIG-0007 liegt.

Innerhalb des AFIG-0007 befindet sich ein von einer Spule umgebener Eisenkern, der Kontakt zu einem Magnetblock hat (Abbildung 3 links). Wenn der Benutzer auf den gefederten Betätiger drückt, verschiebt sich der Magnetblock (Abbildung 3 rechts). Dadurch wird die Polarität des Magnetfelds der Spule umgekehrt, was nach dem Prinzip der magnetischen Induktion einen elektrischen Energieimpuls erzeugt. Wird der Betätiger losgelassen, springt der Magnetblock in seine ursprüngliche Position zurück und erzeugt so einen weiteren Energieimpuls mit entgegengesetzter Polung.

Schaltbild: Energie-Harvester AFIG-0007 von ZF Electronics

Abbildung 3: Wenn der Benutzer auf den Betätiger des Energie-Harvesters AFIG-0007 von ZF Electronics drückt, wechselt ein Magnetblock von seiner Ruheposition (links) in seine erweiterte Position (rechts) und generiert dabei beim Drücken und Loslassen des Betätigers jeweils einen Energieimpuls. (Bildquelle: ZF Electronics)

Mit einer Lebensdauer von 1.000.000 Schaltzyklen erfüllt das 20 x 7 x 15 mm große ZF-Bauteil die wesentlichen mechanischen und physikalischen Anforderungen an einen drahtlosen Schalter. Der AFIG-0007 erfüllt auch mit Leichtigkeit die Energieanforderungen für diese Art von Komponenten. Mit seiner Fähigkeit, bei jedem Aktivierungszyklus (Drücken und Loslassen) ca. 300 mJ zu generieren, liefert das ZF-Bauteil dem RSL10 Energie zur Übertragung von zwei Eddystone-Beacons. Neben diesen zwei Bauteilen sind für die Implementierung eines drahtlosen Schalters mit Stromversorgung durch Energy Harvesting nur wenige zusätzliche Komponenten erforderlich.

Stromversorgung durch Energy Harvesting

Schaltungen für die Stromversorgung durch Energy Harvesting benötigen typischerweise eine Kombination von Spannungswandlern und Spulen, um die generierten Spannungen auf den von einem Mikrocontroller benötigten Pegel zu bringen. In diesem Falle vereinfacht der Eingangsspannungsbereich des RSL10 von 1,1 bis 3,3 V die Entwicklung des Stromversorgungskreises. Der Ausgang des AFIG-007 wird durch einen Schottky-Vollbrückengleichrichter NSR1030 gleichgerichtet und mit einer einfachen Schaltung bestehend aus einer Zener-Diode SZMM3Z6V2ST1G, einem Filter-/Speicherkondensator (C1) und einem LDO-Regler NCP170 (alle Bauteile von ON Semiconductor) begrenzt (Abbildung 4).

Schaltbild des RSL10 von ON Semiconductor

Abbildung 4: Der RSL10 von ON Semiconductor kann über eine einfache Versorgungsschaltung gespeist werden, die den gleichgerichteten Ausgang des Energie-Harvesters AFIG-007 von ZF Electronics begrenzt. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Im Kit BLE-SWITCH001-GEVB von ON Semiconductor ist ein AFIG-007 und die obige Versorgungsschaltung mit dem RSL10 auf einer 23 x 23 mm großen Platine kombiniert (Abbildung 5).

Schaltbild der Platine BLE-SWITCH001-GEVB von ON Semiconductor

Abbildung 5: Auf der Platine BLE-SWITCH001-GEVB von ON Semiconductor befinden sich die funktionellen Komponenten in der Mitte einer 23 x 23 mm großen Platine (links). Auf den abnehmbaren Seitenteilen befinden sich die Entwicklungsschnittstellen, darunter die von unten zugängliche 10-Pin-JTAG-Schnittstelle (rechts). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Während sich die zentralen Komponenten im 7 mm breiten mittleren Bereich befinden, liegen in den abnehmbaren Seitenteilen die Entwicklungsschnittstellen, darunter eine 10-Pin-JTAG/SWD-Schnittstelle für einen Standardadapter wie den TC2050-IDC von Tag-Connect. Neben der 10-Pin-Schnittstelle befinden sich auf den Seitenteilen Steckleisten für einen Jumper und eine externe 3,3V-Stromquelle (Vout) zum Programmieren und Debuggen mit einem angeschlossenen JTAG-Programmer, z. B. dem 8.16.28 J-LINK ULTRA+ von Segger Microcontroller Systems.

Entwicklung des Schalters

Auf der Platine BLE-SWITCH001-GEVB ist Firmware vorinstalliert, die so lange alle 20 ms ein Eddystone-Beacon überträgt, bis die Energie aus einer Aktivierung des Schalters aufgebraucht ist. In dieser Beispielanwendung wird zuerst ein Eddystone-URL-Frame mit der URL “https://onsemi.com/idk“ übertragen. Nach diesem Einleitungs-Frame werden Eddystone-TLM-Frames mit Telemetriedaten übermittelt, die die Versorgungsspannung des Schalters, die Uptime-Dauer und die Gesamtzahl der bisher übermittelten Pakete enthalten.

Die Eddystone-Beispielsoftware von ON Semiconductor für den RSL10 veranschaulicht die grundlegenden Entwicklungsmuster für den Aufbau und die Übermittlung der Frames (Listing 1). Wie unten vorgeführt wird mit dem Aufruf der Funktion EddyService_Env_Initialize() eine Eddystone-Umgebungsstruktur eddy_env_tag mit den Nutzdaten für ein Eddystone-URL-Frame geladen. Zum Senden des Beacons wird die Funktion Eddy_GATTC_WriteReqInd() aufgerufen, die das Paket aufbaut, die Daten mithilfe der AES-Verschlüsselungsbeschleunigung des RSL10 verschlüsselt und die Nachricht dann mit ke_msg_send() in eine Übertragungswarteschlange stellt. Auf unteren Verarbeitungsschichten werden die in der Warteschlange stehenden Nachrichten dann abgerufen, verpackt und übertragen.

Kopieren
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: Der Beispielcode von ON Semiconductor veranschaulicht die Entwurfsmuster zum Festlegen der Nutzdaten für einen Eddystone-URL-Frame und zum Senden des fertigen Frame. (Codequelle: ON Semiconductor)

Die übertragenen Beacons können von jedem sich innerhalb der Reichweite befindenden BLE-fähigen Host erkannt werden oder auf einem in der Nähe befindlichen Mobilgerät mithilfe einer Beacon-App wie der RSL10 Mobile-App angezeigt werden. Zur Steuerung von Geräten mit dem drahtlosen Schalter können die Beacons mithilfe des RSL10-basierten BLE-IoT-Entwicklungskits BDK-GEVK von ON Semiconductor verarbeitet und weitere Aktionen durchgeführt werden. Zum Beispiel könnte eine Lichtsteuerung mit einem drahtlosen Schalter über eine Kombination der Basisplatine BDK-GEVK und der Zweifach-Treiberplatine für LEDs mit Vorschaltgerät D−LED−B−GEVK von ON Semiconductor implementiert werden. Zur Entwicklung von Anwendungen mit Motoransteuerung kann die Basisplatine mit der Treiberplatine für bürstenlose Gleichstrommotoren BLDC-GEVK oder mit der Treiberplatine für Schrittmotoren D-STPR-GEVK von ON Semiconductor kombiniert werden.

Zur Bereitstellung des drahtlosen Schalters können die Seitenteile einfach abgenommen werden, sodass nur eine 7 x 23 mm große Baugruppe mit den funktionellen Komponenten übrig bleibt (Abbildung 6).

Bild: Entwicklungsplatine von ON Semiconductor mit typischem Wippschalter-Leergehäuse

Abbildung 6: Nach Abnehmen der beiden Seitenteile der Entwicklungsplatine von ON Semiconductor (links) kann die 7 x 23 mm große Baugruppe leicht in einem typischen Wippschalter-Leergehäuse untergebracht werden (rechts). (Bildquelle: ON Semiconductor)

Da sich der ZF-Betätiger im hinteren Teil der Baugruppe befindet, kann er unter einem Wippschalter mit Leergehäuse wie dem GIL-2000-2010 von CW Industries angebracht werden.

Fazit

Drahtlose Schalter stellen eine wartungsfreie Lösung für den schnell steigenden Bedarf nach intelligenten Steuerungsprodukten dar. Herkömmliche drahtlose Übertragungskomponenten müssen leider mit einer Batterie betrieben werden. Dies führt zu höheren Kosten und zusätzlicher Komplexität, da die Benutzer sich um die Batterien und deren Austausch kümmern müssen. Ein Referenzdesign von ON Semiconductor löst diese Probleme zum größten Teil. Dort wird ein Bluetooth 5.0-Modul mit extrem geringem Energieverbrauch mittels Energiegewinnung mit Strom versorgt, der ausreicht, um drahtlose Signale an einen Bluetooth-fähigen Hub oder ein anderes intelligentes Produkt zu senden.

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Über den Autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk hat mehr als 20 Jahre Erfahrung im Schreiben für und über die Elektronikindustrie zu einem breiten Spektrum von Themen wie Hardware, Software, Systeme und Anwendungen einschließlich des IoT. Er promoviertein Neurowissenschaften über neuronale Netzwerke und arbeitete in der Luft- und Raumfahrtindustrie an massiv verteilten sicheren Systemen und Methoden zur Beschleunigung von Algorithmen. Derzeit, wenn er nicht gerade Artikel über Technologie und Ingenieurwesen schreibt, arbeitet er an Anwendungen des tiefen Lernens (Deep Learning) zu Erkennungs- und Empfehlungssystemen.

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