打造智慧型產品用的免電池藍牙功能無線開關

智慧型連線產品的快速部署，帶動了無線開關的需求，以利進行連線。這些開關屬於無線裝置，因此無需連接額外的電線，並可放置在便利的位置。但是，目前的無線開關是靠電池供電，這不僅增加設計成本與複雜度，也迫使使用者因應電池更換的問題。解決之道可能在於打造電感式能源採集方案。

環境中具有許多能量來源，包括光子、RF 能量、振動、溫差及壓力等。不過，本文將介紹電感式能源採集的公版設計。此設計以藍牙和 Eddystone 開放式信標協定為基礎，並以創新方式結合 ON Semiconductor 與 ZF Electronics 的零件。

使用此設計搭配相關的開發套件，便可供應必要的電力給超低功耗藍牙 5.0 模組，以無線方式發送訊號給藍牙功能的中樞或智慧產品。

超低功耗設計

ON Semiconductor 的 BLE-SWITCH001-GEVB 開發套件結合立即可用的藍牙 5.0 模組與能源採集型機械式開關，不僅能為開發人員提供立即可用的無線開關解決方案，也奠定客製化無線開關設計的基礎。在此設計中，ZF Electronics 的 AFIG-0007 電感式能源採集器可供應充裕的能量，足以供電給 ON Semiconductor 的 RSL10 藍牙 5 系統級封裝 (SiP) 足夠的時間，以便傳送低功耗藍牙 (BLE) 信標。在收到信標後，智慧型產品或中樞內的 BLE 功能接收器會執行相關動作來控制燈光、繼電器或其他裝置。

這種免電池設計的關鍵在於，RSL10 對信標傳輸的功率需求，與 AFIG-0007 產生充足能量以滿足這些需求的能力，達到了理想的匹配。

RSL10 模組專為滿足低功率無線連線的全新需求而設計，而且整合了多個功能區塊，可提供完整的藍牙 5 解決方案 (圖 1)。在處理能力上，此模組包含 Arm^® Cortex^®-M3 核心，可提供一般用途處理能力，也含有 ON Semiconductor 專屬的 LPDSP32 32 位元數位訊號處理器 (DSP) 核心，可滿足特殊應用需求。

圖 1：ON Semiconductor 的 RSL10 SiP 模組結合了多個功能區塊，能以最低功耗提供完整的藍牙 5.0 解決方案。(圖片來源：ON Semiconductor)

此模組可透過多個周邊裝置與記憶體支援這些處理器，包括 384 KB 的快閃記憶體、76 KB 的程式記憶體，以及 88 KB 的數據記憶體。針對藍牙通訊，模組內含支援藍牙實體層 (PHY) 的 2.4 GHz RF 前端，以及支援進階藍牙 5.0 協定的基頻控制器。

RSL10 能在寬廣的 1.1 V 至 3.3 V 電源電壓範圍內運作，而且功耗極低。在嵌入式微處理器基準 (EEMB) 聯盟的 ULPMark 超低功率 (ULP) 基準測試中，RSL 10 在 3 V 電源電壓下達到領先業界的分數 (1090 分)，在 2.1 V 的電源電壓下則達到 1360 分。

然而，在許多無線應用中，支援重複性、長持續時間無線交易所需的電力，可以測出最省電設計的極限所在。ON Semiconductor 的公版設計可透過藍牙信標協定實現超短時間的無線交易。

信標是遵循藍牙廣告協定的短訊息，可向任何可用的監聽器廣播辨識符或其他較短的數據片段。信標搭配專門的行動應用程式後，可廣泛用於零售、娛樂、運輸以及其他公共場所，提供與使用者位置相關的資訊。ON Semiconductor 的無線開關設計採用一種特殊類型的信標，稱為 Eddystone 信標。

Eddystone 信標遵循開放式標準，可指定與短封包 (長度僅有數個位元組) 相關的包封和資料酬載。對於 Eddystone 信標，酬載格式可以指定唯一識別碼 (UUID)、URL 或不同類型的遙測 (TLM) 數據，如溫度等 (圖 2)。

圖 2：業界標準的 Eddystone 格式僅以幾個位元組定義信標包封與酬載。(圖片來源：ON Semiconductor)

在發現 Eddystone 信標後，接收端應用便能夠執行與該 UUID 有關的動作，帶領使用者前往該 URL，或針對遙測數據做出適當回應。

能源採集式電源

Eddystone 信標的傳輸時間可短至 10 ms，而超低功率 RSL10 完成傳輸所需的能量可低至 100 mJ，完全處於 AFIG-0007 能源採集器的發電能力範圍內。

在 AFIG-0007 內部，線圈圍繞著一個與磁塊接觸的金屬核心 (圖 3 左)。當使用者按下裝有彈簧的致動器時，磁塊即會移動 (圖 3 右)。這個動作會反轉通過線圈的磁場極性，並根據磁電感原理產生電能脈衝。放開致動器會讓磁塊彈回原來的位置，產生極性相反的另一次能量脈衝。

圖 3：當使用者按下 ZF Electronics 的 AFIG-0007 能源採集器內建的致動器時，磁塊會從靜止位置 (左) 移動到延伸位置 (右)，在初次按下致動器時產生一次能量脈衝，並於放開時產生另一次能量脈衝。(圖片來源：ZF Electronics)

這個尺寸為 20 x 7 x 15 mm 的 ZF 元件，預期使用壽命為 1,000,000 次開關循環，符合無線開關設計的關鍵機械與物理要求。此外，AFIG-0007 也能輕鬆滿足這種設計的能源要求。這款 ZF 元件在每次按壓與放開循環都能產生約 300 mJ 的能量，可為 RSL10 提供足以發送兩或三個 Eddystone 信標的電力。除了這兩個零件之外，無線開關設計只需要幾個額外的元件，即可完成能源採集電源供應器電路。

能源採集電源供應器的設計

通常，能源採集電源供應電路需要搭配電壓轉換器與線圈一同使用，才能將產生的電壓位準精確地轉變為微控制器所需位準。在此設計中，RSL10 的電壓範圍寬達 1.1 至 3.3 V，可簡化供應電路的設計。AFIG-007 的輸出由 NSR1030 肖特基全橋整流器進行整流，並以 SZMM3Z6V2ST1G 齊納二極體、濾波／儲能電容 (C1) 及 NCP170 低壓降 (LDO) 穩壓器組成的簡易電路進行箝制，而且這些元件全都來自 ON Semiconductor (圖 4)。

圖 4：開發人員可使用簡單的電源供應電路供電給 ON Semiconductor 的 RSL10；此供應電路會箝制 ZF Electronics 的 AFIG-007 能源採集器的整流輸出。(圖片來源：ON Semiconductor)

ON Semiconductor 的 BLE-SWITCH001-GEVB 套件將 AFIG-007 以及上述供應電路和 RSL10 結合在一個 23 x 23 mm 的電路板上 (圖 5)。

圖 5：ON Semiconductor 的 BLE-SWITCH001-GEVB 電路板將功能元件放在 23 x 23 mm 電路板的中心區塊 (左)。可拆卸側翼則容納開發介面，包括可從底部存取的 10 引腳 JTAG 介面 (右)。(圖片來源：ON Semiconductor)

核心元件位於 7 mm 寬的中心區塊，而開發介面則在可拆卸側翼上，包括可供標準轉接器 (如 Tag-Connect 的 TC2050-IDC) 使用的 10 引腳 JTAG/SWD 介面。除了 10 引腳介面外，側翼還提供排針座，可連接跳接線及外接式 3.3 V 電源 (Vout)，如此即可使用連接的 JTAG 編程工具 (如 Segger Microcontroller Systems 的 8.16.28 J-LINK ULTRA+) 進行編程與除錯。

開關的開發

BLE-SWITCH001-GEVB 電路板預載的韌體每 20 ms 會發送一次 Eddystone 信標，直到系統耗盡開關單次啟動的能量為止。在此範例應用中，此設計會先發送一個包含網址「https://onsemi.com/idk」的 Eddystone-URL 訊框。在這個初始訊框之後，設計會發送內含遙測數據的 Eddystone-TLM 訊框，數據包括開關的供應電壓、運作時間，以及截至目前為止發送的封包總數。

ON Semiconductor 的 RSL10 Eddystone 範例軟體展示了建立並發送訊框的基本設計模式 (清單 1)。如清單所示，開發人員調用 EddyService_Env_Initialize() 函數來載入 Eddystone 環境結構體 eddy_env_tag，同時使用 Eddystone-URL 訊框的酬載。若要發送信標，開發人員需調用 Eddy_GATTC_WriteReqInd() 來建立封包，使用 RSL10 的 AES 加密加速器對數據進行加密，然後將訊息發送 (ke_msg_send()) 到傳輸佇列。較低的服務層會擷取已佇列的訊息、建立封包並發送訊息。

複製
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(…)

清單 1：ON Semiconductor 的範例程式碼展示基本的設計模式，可針對 Eddystone-URL 訊框定義酬載並發送已完成的訊框。(程式碼來源：ON Semiconductor)

發送的信標可由任何在範圍內且支援 BLE 的主機進行偵測，或由附近的行動裝置，透過 ON Semiconductor 的 RSL10 行動應用程式等信標應用程式進行顯示。若要使用無線開關控制裝置，開發人員可以使用基於 ON Semiconductor RSL10 的 BDK-GEVK BLE 物聯網開發套件，來處理信標並執行相關動作。例如，開發人員可使用無線開關，並搭配 BDK-GEVK 基板以及 ON Semiconductor 的 D-LED-B-GEVK 雙 LED 安定器板，來控制燈光。設計馬達驅動的應用時，開發人員可在基板上搭配 ON Semiconductor 的 BLDC-GEVK 無刷 DC 馬達驅動器板或 D-STPR-GEVK 步進馬達驅動器板。

最後，若要部署無線開關，開發人員僅需斷開兩翼，留下單一個包含所有功能元件的 7 x 23 mm 組件即可 (圖 6)。

圖 6：拆下 ON Semiconductor 開發板 (左) 的雙翼後，即可輕鬆將 7 x 23 mm 的組件置放在翹板座中 (右)。(圖片來源：ON Semiconductor)

由於 ZF 致動器位於組件的後方，因此可置放在翹板開關或開關座下。

結論

無線開關提供免維護的解決方案，可滿足控制智慧型產品的快速增長需求。但是傳統無線設計需要電池提供操作所需的電力，這不僅增加設計的成本和複雜度，也迫使使用者必須處理電池的管理和更換作業。ON Semiconductor 的公版設計可明顯減輕麻煩，使用能源採集技術供電給超低功耗的藍牙 5.0 模組，可提供所需的全部能量，用無線方式向支援藍牙的中樞或智慧型產品發送訊號。