בניית מתג אלחוט מאופשר-Bluetooth ללא-סוללה עבור מוצרים חכמים

הפרישה המהירה של מוצרים חכמים מחוברים תדלקה את הביקוש עבור מתגי אלחוט כדי להקל על החיבוריות. מעצם היותם אלחוטיים, מתגים אלה חוסכים את הצורך למתוח חוטים נוספים ומאפשרים גם מיקום נוח. עם זאת, מתגים אלחוטיים עדכניים הם מוזני סוללות ומוסיפים עלות ומורכבות לתכנון ומכריחים את המשתמשים להתמודד עם החלפת הסוללה. הפתרון עשוי להיות בצורת קצירת אנרגיה השראותית.

ישנם מקורות רבים של אנרגיית סביבה, כולל פוטונים, אנרגיית RF, רעידות, הפרשי טמפרטורה ולחץ. עם זאת, מאמר זה יתאר תכן ייחוס לקצירת אנרגיה השראותית המשלב חלקים מבית ON Semiconductor ומבית ZF Electronics בגישה חדשנית המבוססת על Bluetooth ופרוטוקול המשואות הפתוחות מסוג Eddystone‏.

ביחד, התכן וערכת הפיתוח הקשורה יספקו מודול Bluetooth 5.0 בהספק אולטרה-נמוך עם כל הדרוש לו כדי לאותת אלחוטית על רכזת Bluetooth או מוצר חכם.

תכן בהספק אולטרה-נמוך

ערכת הפיתוח BLE-SWITCH001-GEVB מבית ON Semiconductor משלבת מודול Bluetooth 5.0‏ תחליפי Drop-In עם מתג מכני לקצירת אנרגיה, ומספקת למפתחים פתרון מיידי עבור מתג אלחוט ובסיס לתכני מתגי אלחוט מותאמים-במיוחד. בתכן זה, קצירת האנרגיה ההשראותית של ה- AFIG-0007‏ מבית ZF Electronics מספקת די אנרגיה להפעלת המערכת-בתוך-מארז (SiP‏) Bluetooth 5‏ RSL10 מבית ON Semiconductor לזמן ארוך דיו כדי לשדר משואות (Bluetooth Low Energy (BLE‏. עם קליטת משואה, המקלט בעל יכולת BLE במוצר חכם או רכזת יכול לבצע את הפעולה הנלווית לבקרה על תאורה, ממסר או התקן אחר.

המפתח לתכן ללא-סוללה זה טמון בהתאמה האידיאלית הקיימת בין דרישות ההספק של ה- RSL10 עבור שידור משואות לבין יכולתו של ה- AFIG-0007 לייצר די אנרגיה כדי לעמוד בדרישות אלה.

מתוכנן על מנת לענות על הביקוש המתעורר לחיבוריות אלחוטית בהספק נמוך, מודול RSL10 משלב מספר בלוקים פונקציונליים כדי לספק פתרון Bluetooth 5 שלם (איור 1). עבור העיבוד, המודול כולל גם ליבת M3‏-®Cortex‏ ®Arm עבור עיבוד למטרות כלליות, כמו גם ליבת מעבד אותות דיגיטליים (DSP‏) Bit‏-32‏ LPDSP32‏ מבית ON Semiconductor עצמה עבור יישומים מיוחדים.

איור 1: מודול SiP‏ RSL10 מבית ON Semiconductor משלב מספר בלוקים פונקציונליים כדי לספק פתרון Bluetooth 5.0 שלם תוך צריכת הספק מינימלית. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

המודול תומך במעבדים אלה עם מספר רכיבים היקפיים וזיכרון, כולל Kbytes‏ 384‏ של זיכרון Flash‏, Kbytes‏ 76 של זיכרון תוכנית ו- Kbytes‏ 88 של זיכרון נתונים. עבור תקשורת Bluetooth, המודול כולל קצה-קדמי RF של 2.4 גיגה-הרץ (GHz) התומך בשכבה הפיזית (PHY) של ה- Bluetooth ובקר פס-בסיס התומך בפרוטוקולי Bluetooth 5.0 מתקדמים.

מסוגל לפעול מתחום מתחי הספקה רחב של 1.1 עד 3.3 וולט, ה- RSL10 צורך רמות הספק נמוכות להפליא. עם הבנצ'מרק של הספק אולטרה-נמוך (ULP‏) ULPMark‏ מבית EEMB‏, ה- RSL10‏ משיג ציון של 1090 מוביל-בתעשייה עם הספקת-כוח של 3 וולט, ו- 1360 כאשר הוא פועל מהספקת-כוח של 2.1 וולט.

לעומת זאת, ביישומי אלחוט רבים, ההספק הנדרש לתמיכה בטרנסקציות אלחוטיות חוזרות ונשנות לאורך זמן יכול לאתגר את מגבלות התכן עם נצילות ההספק הגבוהה ביותר. תכן הייחוס מבית ON Semiconductor מתמודד עם השימוש בטרנסקציות אלחוטיות קצרות ביותר המתאפשרות באמצעות פרוטוקולי המשואה של Bluetooth‏.

משואות (Beacons) הן הודעות קצרות העוקבות אחר פרוטוקולי פרסום Bluetooth עבור שידור פומבי מזהה או יחידות נתונים לכל מאזין זמין. בשילוב עם יישומים ניידים מיוחדים, למשואות יש שימוש נרחב בקמעונאות, בידור, תחבורה ומקומות ציבוריים אחרים בהם משואה עשויה לספק מידע הקשור למיקום המשתמש. תכן מתגי האלחוט מבית ON Semiconductor משתמש בסוג מיוחד של משואות הנקרא משואת Eddystone‏.

משואות Eddystone משתמשות בתקן פתוח המציין את המעטפת ואת תוכן הנתונים המשויכים למנות (Packets‏) שאורכן בייטים ספורים בלבד. עבור משואות Eddystone, פורמטים של התוכן יכולים לציין מזהה ייחודי (UUID‏), כתובת URL או סוגים שונים של נתוני טלמטריה (TLM‏) כגון טמפרטורה (איור 2).

איור 2: פורמט Eddystone סטנדרטי בתעשייה מגדיר מעטפת משואות ותוכן במספר בייטים בלבד. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

כאשר נקלטת משואת Eddystone, האפליקציה המקבלת יכולה לבצע פעולות המשויכות לאותו UUID, לשלוח את המשתמש לכתובת ה- URL‏ או להגיב כראוי לנתוני הטלמטריה.

מקורות הספקת קצירת אנרגיה

שידורי משואות Eddystone‏ יכולים להיות קצרים עד כדי 10 מילי-שניות (ms‏), ועם ה- RSL10 בהספק אולטרה-נמוך, האנרגיה הנדרשת להשלמת שידור זה יכולה להיות קטנה עד כדי 100 מילי-ג'אול (mJ), שהיא בתוך יכולות ייצור ההספק של קצירת האנרגיה של ה- AFIG-0007‏.

בתוך ה- AFIG-0007, סליל מקיף ליבת מתכת במגע עם בלוק מגנטי (איור 3, משמאל). כאשר המשתמש לוחץ על המפעיל (Actuator) הקפיצי, הבלוק המגנטי זז (איור 3 מימין). פעולה זו הופכת את הקוטביות של השדה המגנטי דרך הסליל, וכתוצאה מכך מושרה פולס של אנרגיה חשמלית בהתאם לעקרונות ההשראות המגנטית. שחרור המפעיל גורם לבלוק המגנטי לחזור חזרה למקומו המקורי, וכתוצאה מכך מושרה פולס אנרגיה אחר עם קוטביות הפוכה.

איור 3‏: כאשר המשתמש לוחץ על המפעיל (Actuator) המובנה בתוך קוצר האנרגיה AFIG-0007‏ מבית ZF Electronics, הבלוק המגנטי נע ממיקום המנוחה שלו (משמאל) למיקום האחר שלו (מימין), תוך יצירת פולס של אנרגיה אחד עם דחיפת המפעיל ופולס נוסף עם שחרורו. (מקור התמונה: ZF Electronics)

עם תוחלת חיים של 1,000,000 מחזורי מיתוג, המתג בגודל של x 7 x 15‏ 20 מילימטר (מ"מ) תואם לדרישות המכניות והפיזיות העיקריות עבור תכני מתגי אלחוט. ה- AFIG-0007 תואם בקלות גם לדרישות האנרגיה עבור תכן זה. עם היכולת שלו לייצר כ- mJ‏ 300 בכל מחזור הפעלה של לחיצה ושחרור, המתג מספק ל- RSL10 די הספק עבור שידור שתיים או שלוש משואות Eddystone. מלבד שני חלקים אלו, מימוש של תכן מתג אלחוט דורש רק כמה רכיבים נוספים כדי להשלים את מעגל הספקת-הכוח של קצירת אנרגיה.

תכן ספק-כוח של קצירת אנרגיה

בדרך כלל מעגלי הספקת-כוח של קצירת אנרגיה דורשים שילובים של ממירי מתח וסלילים כדי להביא את רמות המתח שנוצר לרמות המדויקות הנדרשות על ידי מיקרו-בקר. עבור תכן זה, תחום הספקת-הכוח הרחב של 1.1 עד 3.3 וולט של ה- RSL10 מפשט את תכנון מעגלי הספקת-הכוח. יציאת ה- AFIG-0007 מיושרת על ידי מיישר גשר-מלא שוטקי (Schottky‏) NSR1030‏ ומהודקת על ידי מעגל פשוט המורכב מדיודת זנר (Zener‏) SZMM3Z6V2ST1G‏, קבל סינון/אחסון (C1), ומייצב עם מפל-מתח נמוך NCP170‏, הכול מבית ON Semiconductor (איור 4‏).

איור 4: המפתחים יכולים להזין את ה- RSL10 מבית ON Semiconductor באמצעות מעגל הספקת-כוח פשוט המהדק את היציאה המיוצבת מקוצר האנרגיה AFIG-0007 מבית ZF Electronics‏. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

ערכת BLE-SWITCH001-GEVB מבית ON Semiconductor משלבת את ה- AFIG-0007 ואת מעגל הספקת-הכוח לעיל עם ה- RSL10 על לוח בגודל 23 x‏ 23 מ"מ (איור 5).

איור 5: לוח BLE-SWITCH001-GEVB מבית ON Semiconductor מציב את הרכיב הפונקציונלי על החלק המרכזי של לוח בגודל x 23‏ 23 מ"מ (משמאל). כנפיים ניתנות-להסרה מחזיקות ממשקי פיתוח, כולל ממשק JTAG עם 10 פינים הנגיש מלמטה (מימין). (מקור התמונה: ON Semiconductor)

בעוד שהקטע המרכזי ברוחב 7 מ"מ מכיל את רכיבי הליבה, כנפי הצד הניתנות-להסרה מספקות ממשקי פיתוח הכוללים ממשק JTAG/SWD עם 10 פינים עבור מתאם סטנדרטי, כגון ה- TC2050-IDC‏ מבית Tag-Connect. לצד ממשק 10 פינים, הכנפיים הצדדיות מספקות פסי-פינים עבור מגשר ומקור הספקת-כוח חיצוני של 3.3 וולט (Vout) עבור תכנות וניפוי באגים באמצעות מתכנת JTAG מחובר, כגון ה- +J-Link Ultra‏ 8.16.28‏ מבית Segger Microcontroller Systems‏.

פיתוח המתג

לוח BLE-SWITCH001-GEVB מגיע טעון-מראש עם קושחה המשדרת משואת Eddystone כל 20 שניות עד שהמערכת ממצה את האנרגיה מהפעלה אחת של המתג. עבור יישום לדוגמה זה, התכן משדר תחילה מסגרת URL‏-Eddystone המכילה את ה- URL‏ “https://onsemi.com/idk“. בעקבות מסגרת ראשונית זו, התכן משדר מסגרות Eddystone-TLM, המכילות נתוני טלמטריה כולל מתח ההספקה של המתג, זמן הפעולה שלו ומספר המנות (Packets‏) ששודרו עד כה.

תוכנת הדוגמה Eddystone‏ של ה- RSL10 מבית ON Semiconductor מדגימה את תבניות התכן הבסיסיות עבור בניית מסגרות ושידורן (רשימה 1). כפי שמוצג, המפתחים קוראים לפונקציה ()EddyService_Env_Initialize‏ לטעינת מבנה סביבת Eddystone‏, eddy_env_tag, עם התוכן עבור מסגרת Eddystone URL. כדי לשלוח את המשואה, המפתחים קוראים ל- ()Eddy_GATTC_WriteReqInd שבונה את המנה, מצפין את הנתונים באמצעות מאיץ ההצפנה AES של ה- RSL10 ואז שולח את ההודעה (()ke_msg_send) לתור השידור. שכבות שירות תחתונות יותר שולפות הודעות מהתור, בונות מנות ומשדרות אותן.

העתק
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(…)

רשימת קוד 1: הקוד לדוגמה מבית ON Semiconductor ממחיש את תבניות התכן הבסיסיות עבור הגדרת התוכן למסגרת Eddystone-URL ושליחת המסגרת המושלמת. (מקור הקוד: ON Semiconductor)

את המשואות המשודרות ניתן לגלות על ידי כל מארח בעל יכולת BLE שבתוך הטווח או להציג אותן בהתקן סלולרי סמוך באמצעות אפליקציית משואות כגון האפליקציה הניידת RSL10 מבית ON Semiconductor. כדי לבקר התקנים עם מתג אלחוט, המפתחים יכולים להשתמש בערכת הפיתוח IoT‏ BLE‏ BDK-GEVK‏ מבוססת RSL10‏ מבית ON Semiconductor כדי לעבד משואות ולבצע פעולות קשורות. לדוגמה, המפתחים יכולים לממש אור המבוקר באמצעות מתג אלחוט על ידי שילוב לוח הבסיס BDK-GEVK עם לוח משנק (Ballast‏) LED‏ כפול D−LED−B−GEVK‏ מבית ON Semiconductor. בעת תכנון יישומי דוחפי מנועים, המפתחים יכולים לשלב את לוח הבסיס עם לוח דוחף מנועי DC‏ ללא-מברשות BLDC-GEVK‏ או לוח דוחף מנועי צעד D-STPR-GEVK‏, שניהם מבית ON Semiconductor‏.

לבסוף, כדי להתקין את מתג האלחוט, המפתחים יכולים פשוט לנתק את שתי הכנפיים ולהשאיר מכלל יחיד בגודל x 23‏ 7 מ"מ המכיל את כל הרכיבים הפונקציונליים (איור 6).

איור 6: לאחר הסרת שתי הכנפיים מלוח הפיתוח מבית ON Semiconductor (משמאל), המפתחים יכולים למקם בקלות את מכלל x 23‏ 7 מ"מ בגוף מתג הנדנדה (מימין). (מקור התמונה: ON Semiconductor)

מכיוון שהמפעיל נמצא בחלק האחורי של המכלל, הוא יכול להיות ממוקם מתחת למתג הנדנדה.

סיכום

מתגי אלחוט מציעים פיתרון ללא-תחזוקה לביקוש הגדל במהירות עבור בקרת מוצרים חכמים. עם זאת, עבור תכני אלחוט קונבנציונליים, דרישות ההספק מחייבות סוללה עבור הפעולה אשר מוסיפה עלות ומורכבות לתכן ומאלצת את המשתמשים להתמודד עם ניהול והחלפת הסוללה. תכן הייחוס מבית ON Semiconductor חוסך במידה רבה בעיות אלו, הודות לשימוש בקצירת אנרגיה כדי לספק למודול Bluetooth 5.0‏ בהספק אולטרה-נמוך את כל ההספק שהוא צריך כדי לשלוח אלחוטית אותות לרכזת או מוצר חכם בעלי יכולת Bluetooth‏.