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Construya un interruptor inalámbrico habilitado para Bluetooth sin batería para productos inteligentes

Por Stephen Evanczuk

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

El rápido despliegue de productos inteligentes conectados ha impulsado la demanda de interruptores inalámbricos para facilitar la conectividad. Al ser inalámbricos, estos interruptores eliminan la necesidad de conectar cables adicionales y también permiten una ubicación conveniente. Sin embargo, los interruptores inalámbricos recientes funcionan con batería, lo que le agrega costo y complejidad al diseño y obliga a los usuarios a lidiar con el reemplazo de la batería. La solución puede ser la recolección de energía inductiva.

Hay muchas fuentes de energía ambiental que incluyen fotones, energía de RF, vibración, diferenciales de temperatura y presión. Sin embargo, este artículo describirá un diseño de referencia de recolección de energía inductiva, combinando partes de ON Semiconductor y ZF Electronics en un enfoque novedoso basado en Bluetooth y el protocolo de baliza abierta Eddystone.

Juntos, el diseño y el kit de desarrollo asociado suministrarán un módulo Bluetooth 5.0 de potencia ultra baja con toda la potencia que necesita para enviar señales inalámbricas a un concentrador o producto inteligente con capacidad Bluetooth.

Diseño de potencia ultra baja

El kit de desarrollo BLE-SWITCH001-GEVB de ON Semiconductor combina un módulo Bluetooth 5.0 directo con un interruptor mecánico de recolección de energía que ofrece a los desarrolladores una solución inmediata para un interruptor inalámbrico y la base para los diseños personalizados de interruptores inalámbricos. En este diseño, un recolector de energía inductivo AFIG-0007 de ZF Electronics proporciona suficiente energía para poner en marcha un sistema en paquete (SiP) Bluetooth 5 RSL10 de ON Semiconductor durante el tiempo suficiente para transmitir balizas Bluetooth de baja energía (BLE). Al recibir una baliza, un receptor con capacidad BLE en un producto o concentrador inteligente puede realizar la acción asociada con controlar una luz, un relé u otro dispositivo.

La clave de este diseño sin batería es la coincidencia ideal que existe entre los requisitos de alimentación del RSL10 para la transmisión de balizas y la capacidad del AFIG-0007 de generar suficiente energía para cumplir esos requisitos.

El módulo RSL10, que está diseñado para satisfacer la demanda emergente de conectividad inalámbrica de baja potencia, integra múltiples bloques funcionales para proporcionar una solución Bluetooth 5 completa (Figura 1). Para el procesamiento, el módulo incluye tanto un núcleo Arm® Cortex®-M3 para el procesamiento de propósito general y el propio núcleo procesador de señal digital (DSP) de 32 bit LPDSP32 de ON Semiconductor para aplicaciones especializadas.

Diagrama del módulo RSL10 SiP de ON Semiconductor

Figura 1: El módulo RSL10 SiP de ON Semiconductor combina varios bloques funcionales para proporcionar una solución Bluetooth 5.0 completa y consume una potencia mínima. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El módulo es compatible con estos procesadores con múltiples periféricos y memoria, incluidos 384 kilobytes de flash, 76 kilobytes de memoria de programa y 88 kilobytes de memoria de datos. Para las comunicaciones de Bluetooth, el módulo incluye una interfaz de RF de 2.4 gigahertz (GHz) que admite la capa física de Bluetooth (PHY) y un controlador de banda base que admite protocolos avanzados de Bluetooth 5.0.

El RSL10, que puede operar en un amplio rango de voltaje de suministro de 1.1 a 3.3 voltios, consume niveles de potencia notablemente bajos. Mediante el uso de la referencia ULPMark de potencia ultra baja (ULP) del Embedded Microprocessor Benchmark (EEMB) Consortium, el RSL10 logra una puntuación líder en la industria de 1090 con un suministro de 3 voltios y 1360 cuando se opera fuera de un suministro de 2.1 voltios.

Sin embargo, en muchas aplicaciones inalámbricas, la potencia requerida para soportar transacciones inalámbricas repetitivas de larga duración puede probar los límites del diseño más eficiente en lo que respecta al consumo de energía. El diseño de referencia de ON Semiconductor aborda el uso de transacciones inalámbricas muy cortas que se hacen posibles mediante el uso de los protocolos de baliza Bluetooth.

Las balizas son mensajes cortos que siguen los protocolos de publicidad Bluetooth para transmitir un identificador u otro dato corto a cualquier oyente disponible. Junto con las aplicaciones móviles especializadas, las balizas han encontrado un uso generalizado en el comercio minorista, el entretenimiento, el transporte y otros lugares públicos donde una baliza podría proporcionar información relacionada con la ubicación del usuario. El diseño del interruptor inalámbrico de ON Semiconductor utiliza un tipo especial de baliza llamada baliza Eddystone.

Las balizas Eddystone siguen un estándar abierto que especifica el sobre y la carga útil de datos asociados con paquetes que solo tienen unos pocos bytes de longitud. Para las balizas Eddystone, los formatos de carga útil pueden especificar un ID único (UUID), una URL o diferentes tipos de datos de telemetría (TLM), como la temperatura (Figura 2).

Diagrama del formato Eddystone estándar de la industria (haga clic para ampliar)

Figura 2: El formato Eddystone estándar de la industria define un sobre de baliza y una carga útil en solo unos pocos bytes. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Al encontrar una baliza Eddystone, una aplicación receptora puede realizar acciones asociadas con ese UUID, enviar al usuario a esa URL o responder adecuadamente a los datos de telemetría.

Fuente de alimentación para la recolección de energía

Las transmisiones de baliza Eddystone pueden ser tan cortas como 10 milisegundos (ms) y, con el RSL10 de potencia ultrabaja, la energía requerida para completar esa transmisión puede ser tan poca como 100 milijulios (mJ), lo cual está dentro de las capacidades de generación de energía del recolector de energía AFIG-0007.

Dentro del AFIG-0007, una bobina rodea un núcleo de metal que está en contacto con un bloque magnético (Figura 3, a la izquierda). Cuando el usuario presiona un actuador accionado por resorte, el bloque magnético se desplaza (Figura 3, a la derecha). Esta acción invierte la polaridad del campo magnético a través de la bobina de cable, lo que resulta en un pulso de energía eléctrica de acuerdo con los principios de la inducción magnética. La liberación del actuador hace que el bloque magnético vuelva a su posición original, lo que resulta en otro pulso de energía con la polaridad opuesta.

Diagrama del recolector de energía AFG-0007 de ZF Electronics

Figura 3: Cuando el usuario presiona un actuador incorporado en el recolector de energía AFIG-0007 de ZF Electronics, un bloque magnético se mueve desde su posición de reposo (izquierda) a su posición extendida (derecha), y se genera un pulso de energía con el impulso inicial del actuador y otro con su liberación. (Fuente de la imagen: ZF Electronics)

Con una vida útil de 1,000,000 ciclos de conmutación, el ZF de 20 x 7 x 15 milímetros (mm) cumple con los requisitos mecánicos y físicos clave para el diseño del interruptor inalámbrico. El AFIG-0007 también cumple fácilmente con los requisitos de energía para este diseño. Con su capacidad para generar aproximadamente 300 mJ con cada ciclo de activación de presionar y liberar, el ZF proporciona al RSL10 la potencia suficiente para transmitir dos o tres balizas Eddystone. Además de estas dos partes, la implementación del diseño del interruptor inalámbrico requiere solo unos pocos componentes adicionales para completar el circuito de fuente de alimentación de recolección de energía.

Diseño de la fuente de alimentación de la recolección de energía

Normalmente, los circuitos de alimentación de recolección de energía requieren combinaciones de convertidores de voltaje y bobinas para llevar los niveles de voltaje generados a niveles precisos requeridos por un microcontrolador. Para este diseño, el amplio rango de alimentación de 1.1 a 3.3 voltios del RSL10 simplifica el diseño del circuito de alimentación. La salida del AFIG-007 se rectifica con un puente rectificador completo Schottky NSR1030 y se sujeta con un circuito simple que comprende un diodo Zener SZMM3Z6V2ST1G, un condensador de filtrado/almacenamiento (C1) y un regulador de baja caída (LDO) NCP170, todo de ON Semiconductor (Figura 4).

Diagrama del RSL10 de ON Semiconductor

Figura 4: Los desarrolladores pueden poner en marcha el RSL10 de ON Semiconductor mediante un simple circuito de fuente de alimentación que sujeta la salida rectificada del recolector de energía de ZF Electronics AFIG-007. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El kit BLE-SWITCH001-GEVB de ON Semiconductor combina el AFIG-007 y el circuito de alimentación anterior con el RSL10 en una placa de 23 x 23 mm (Figura 5).

Imagen de la placa BLE-SWITCH001-GEVB de ON Semiconductor

Figura 5: La placa BLE-SWITCH001-GEVB de ON Semiconductor coloca el componente funcional en la sección central de una placa de 23 x 23 mm (izquierda). Las alas desmontables sostienen las interfaces de desarrollo, incluida una interfaz JTAG de 10 pines accesible desde la parte inferior (derecha). (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Mientras que la sección central de 7 mm de ancho contiene los componentes principales, las alas laterales desmontables proporcionan interfaces de desarrollo que incluyen una interfaz JTAG/SWD de 10 pines para un adaptador estándar, como el Tag-Connect TC2050-IDC. Junto con la interfaz de 10 pines, las alas laterales proporcionan cabeceras para un puente y una fuente de alimentación externa de 3.3 voltios (Vout) para la programación y depuración utilizando un programador JTAG conectado, como los Sistemas de Segger Microcontroller 8.16.28 J-LINK ULTRA +.

Desarrollo del interruptor

La placa BLE-SWITCH001-GEVB viene precargada con firmware que transmite una baliza Eddystone cada 20 ms hasta que el sistema agota la energía de la activación de un solo interruptor. Para esta aplicación de muestra, el diseño primero transmite un marco Eddystone-URL que contiene la URL “https://onsemi.com/idk”. Siguiendo este marco inicial, el diseño transmite marcos Eddystone-TLM, que contienen datos de telemetría que incluyen el voltaje de alimentación del interruptor, su tiempo de actividad y la cantidad total de paquetes transmitidos hasta la fecha.

El software de muestra RSL10 Eddystone de ON Semiconductor ilustra los patrones de diseño básicos para construir marcos y transmitirlos (Listado 1). Como se muestra, los desarrolladores llaman a una función EddyService_Env_Initialize() para cargar una estructura de entorno Eddystone, eddy_env_tag, con la carga útil para un marco Eddystone-URL. Para enviar la baliza, los desarrolladores llaman a Eddy_GATTC_WriteReqInd () que construye el paquete, cifra los datos utilizando el acelerador de cifrado AES de RSL10 y luego envía (ke_msg_send ()) el mensaje a una cola de transmisión. Las capas de servicio más bajas recuperan los mensajes en cola, crean paquetes y los transmiten.

Copiar struct eddy_env_tag eddy_env;   void EddyService_Env_Initialize(void) {        /* Restablecer el entorno del administrador de aplicaciones */        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; /* Configurar la potencia de salida de radio de RF */     Eddy_GATTC_WriteReqInd(…)
.
.
.
valptr = (uint8_t *) &eddy_env.advtxpower_value;        .
.
.
/* Habilitar y configurar el bloque de banda base */        BBIF->CTRL = BB_CLK_ENABLE | BBCLK_DIVIDER_8 | BB_WAKEUP;        /* Copia en la memoria de intercambio */        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);        /* Configurar el motor AES-128 para el cifrado con la clave y la memoria         * zona */        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);        /* Ejecutar el bloque de cifrado AES-128 */        Sys_AES_Cipher();        /* Acceso al texto cifrado en la dirección EM_BLE_ENC_CIPHER_OFFSET */        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(…) 

Listado 1: El código de muestra de ON Semiconductor ilustra patrones de diseño básicos para definir la carga útil de un marco Eddystone-URL y enviar el marco completado. (Fuente del código: ON Semiconductor)

Las balizas transmitidas pueden ser detectadas por cualquier host con capacidad BLE en el rango o mostrarse en un dispositivo móvil cercano mediante una aplicación de baliza, como la aplicación móvil RSL10 de ON Semiconductor. Para controlar dispositivos con el interruptor inalámbrico, los desarrolladores pueden usar el kit de desarrollo BDK-GEVK BLE IoT basado en RSL10 de ON Semiconductor para procesar balizas y realizar acciones asociadas. Por ejemplo, los desarrolladores pueden implementar una luz controlada con un interruptor inalámbrico combinando la placa base BDK-GEVK con la placa de balasto de LED dual ON Semiconductor D-LED-B-GEVK. Al diseñar aplicaciones impulsadas por motor, los desarrolladores pueden combinar la placa base con la placa impulsora del motor de CC sin escobillas BLDC-GEVK de ON Semiconductor o la placa impulsora del motor paso a paso D-STPR-GEVK.

Finalmente, para implementar el interruptor inalámbrico, los desarrolladores pueden simplemente quitar las dos alas y dejar un único ensamblaje de 7 x 23 mm que contiene todos los componentes funcionales (Figura 6).

Imagen de la placa de desarrollo de ON Semiconductor y del típico interruptor de tecla basculante en blanco

Figura 6: Después de quitar las dos alas de la placa de desarrollo de ON Semiconductor (izquierda), los desarrolladores pueden colocar fácilmente el ensamblaje de 7 x 23 mm en un interruptor de tecla basculante en blanco típico (derecha). (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Debido a que el actuador ZF se encuentra en la parte posterior del conjunto, se puede colocar debajo de un interruptor de tecla basculante en espacios en blanco, como el GIL-2000-2010 de CW Industries.

Conclusión

Los interruptores inalámbricos ofrecen una solución sin mantenimiento para la creciente demanda de control de productos inteligentes. Sin embargo, para los diseños inalámbricos convencionales, los requisitos de energía necesitan una batería para su funcionamiento, lo que agrega costo y complejidad al diseño y obliga a los usuarios a lidiar con la administración y el reemplazo de la batería. Un diseño de referencia de ON Semiconductor elimina en gran medida estos problemas, ya que utiliza la recolección de energía para suministrar un módulo Bluetooth 5.0 de potencia ultra baja con toda la potencia que necesita para señalar de forma inalámbrica un concentrador o producto inteligente con capacidad Bluetooth.

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Acerca de este autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk tiene más de 20 años de experiencia escribiendo para y sobre la industria de electrónica en un amplio rango de temas, entre ellos hardware, software, sistemas y aplicaciones, que incluyen IoT. Se doctoróen neurociencias (redes neuronales) y trabajó en la industria aeroespacial en sistemas seguros con distribución masiva y métodos de aceleración de algoritmos. Actualmente, cuando no escribe artículos sobre tecnología e ingeniería, trabaja en aplicaciones de aprendizaje profundo sobre sistemas de reconocimiento y recomendaciones.

Acerca de este editor

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