智能互聯(lián)產(chǎn)品的快速部署推動了對無線開關的需求，并促進了設備的互聯(lián)。由于是無線開關，因此不需要另外連接電線，而且方便布置。然而，由于近些年采用的無線開關都是電池供電型開關，無形中增加了設計成本和復雜性，并且用戶還需要進行電池更換。解決方案可能要依賴電感形式的能量收集。

環(huán)境能量有很多來源，包括光子、射頻能量、振動、溫差和壓力。然而，本文將介紹一個電感式能量收集參考設計；該設計采用一種基于藍牙和Eddystone開放式信標協(xié)議的新穎方法，使用了ONSemiconductor和ZFElectronics兩家公司的零件。

通過將該設計和相關開發(fā)套件配套在一起，將能為超低功耗藍牙5.0模塊提供以無線方式向支持藍牙的中樞或智能產(chǎn)品發(fā)送信號所需的全部電能。

超低功耗設計

ONSemiconductor的BLE-SWITCH001-GEVB開發(fā)套件將直接替代藍牙5.0模塊與能量收集機械開關結合在一起，為開發(fā)人員提供了一種即時的無線開關解決方案，并為定制無線開關設計奠定了基礎。在此設計中，ZFElectronics的AFIG-0007電感式能量采集器將為ONSemiconductor的RSL10藍牙5系統(tǒng)級封裝（SiP）提供充足電能，使之足以傳輸?shù)凸乃{牙（BLE）信標。接收到信標之后，智能產(chǎn)品或中樞中支持BLE的接收器就可以執(zhí)行相關操作，以控制燈、繼電器或其他設備。

這種無電池設計的關鍵在于，RSL10對信標傳輸?shù)墓β室笈cAFIG-0007產(chǎn)生足夠電能以滿足這些要求的能力之間能否完美匹配。

RSL10模塊專為滿足低功耗無線連接的新興需求而設計，它集成了多個功能塊，可提供完整的藍牙5解決方案（圖1）。為進行處理，該模塊配有兩個內核，一個是負責通用處理的Arm?Cortex?-M3內核，另一個是針對特定應用的ONSemiconductor自有LPDSP3232位數(shù)字信號處理器（DSP）內核。

該模塊使用多個外設和存儲器（包括384KB閃存、76KB程序存儲器和88KB數(shù)據(jù)存儲器）來支持上述處理器。為進行藍牙通信，該模塊配有支持藍牙物理層（PHY）的2.4千兆赫（GHz）射頻前端，以及支持高級藍牙5.0協(xié)議的基帶控制器。

RSL10能夠在1.1-3.3伏的寬電源電壓范圍內運行，并且耗電量極低。使用嵌入式微處理器基準評測（EEMB）協(xié)會的ULPMark超低功耗（ULP）基準，RSL10在3伏電源下運行時可達到行業(yè)領先的1090分，在2.1伏電源下運行時可達到1360分。

然而在許多無線應用中，支持重復長時間無線事務處理所需的電力可能會考驗這一最高能效設計的極限。ONSemiconductor的參考設計解決了如何利用藍牙信標協(xié)議實現(xiàn)了較短的無線事務處理時間。

信標是符合藍牙廣告協(xié)議的短消息，用于向任何可用的偵聽器廣播標識符或其他短數(shù)據(jù)片段。通過與專用移動應用配合使用，信標在零售、娛樂、交通運輸和其他公共場合得到了廣泛應用，提供與用戶位置相關的信息。ONSemiconductor的無線開關設計使用一種特殊的信標，稱為Eddystone信標。

Eddystone信標遵循一個開放標準，該標準規(guī)定了與數(shù)據(jù)包（長度僅為幾字節(jié)）相關的包絡和數(shù)據(jù)有效載荷。對于Eddystone信標，有效載荷格式可以指定一個唯一的ID（UUID）、一個URL或不同類型的遙測（TLM）數(shù)據(jù)，如溫度（圖2）。

在找到Eddystone信標后，接收應用就能執(zhí)行與該UUID相關的操作，并將用戶發(fā)送到該URL，或者對遙測數(shù)據(jù)作出適當響應。

能量收集來源

Eddystone信標的傳輸時間可能短至10毫秒（ms），并且使用超低功耗的RSL10，完成這種傳輸所需的能量可低至100毫焦（mJ），這一數(shù)值完全在AFIG-0007能量采集器的發(fā)電能力范圍內。

在AFIG-0007內，線圈圍繞在與磁塊接觸的金屬磁芯周圍（圖3，左圖）。當用戶按下彈簧式致動器時，磁塊會發(fā)生移動（圖3，右圖）。此項操作會使通過線圈的磁場極性發(fā)生逆轉，從而根據(jù)磁感應原理產(chǎn)生電能脈沖。松開致動器會使磁塊彈回原始位置，產(chǎn)生另一個具有相反極性的能量脈沖。

ZF能量采集器尺寸為20x7x15毫米（mm），預期壽命為1，000，000次開關循環(huán)，符合無線開關設計的關鍵機械和物理要求。AFIG-0007還能輕松滿足此設計的能源要求。ZF能夠在每個按下和松開致動循環(huán)中產(chǎn)生約300mJ的能量，這為RSL10提供了充足的電力來傳輸兩到三個Eddystone信標。除這兩個零件外，無線開關設計的實現(xiàn)只需添加其他少量元件便可完成能量收集電源電路。

能量收集電源電路設計

通常情況下，能量收集電源電路需要組合使用電壓轉換器和線圈，以使產(chǎn)生的電壓電平達到微控制器所需的精確電平。在此設計中，RSL10的1.1至3.3伏寬供電范圍簡化了電源電路的設計。AFIG-007的輸出由NSR1030肖特基全橋整流器進行整流，并由一個簡單電路進行箝位，該電路包括一個SZMM3Z6V2ST1G齊納二極管、一個濾波/儲能電容器（C1）以及一個NCP170低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，所有這些零件都來自ONSemiconductor（圖4）。

ONSemiconductor的BLE-SWITCH001-GEVB套件將AFIG-007以及上述電源電路與RSL10集成在一個大小為23x23mm的電路板上（圖5）。

7mm寬的中心區(qū)域包含了核心組件，而可拆卸翼板則提供了多個開發(fā)接口，包括一個用于標準適配器（如Tag-Connect的TC2050-IDC）的10引腳JTAG/SWD接口。除了10引腳接口外，該側翼板還提供了用于跳線和外部3.3伏電源（Vout）的針座，以便使用連接的JTAG編程器（例如SeggerMicrocontrollerSystems的8.16.28J-LINKULTRA+）進行編程和調試。

開關電路設計

BLE-SWITCH001-GEVB電路板已預裝固件，每20ms發(fā)送一次Eddystone信標，直到系統(tǒng)耗盡單次開關致動產(chǎn)生的電量。在此應用示例中，設計首先發(fā)送一個包含URL“https://onsemi.com/idk”的Eddystone-URL幀。發(fā)送完這個初始幀之后，該設計會傳輸內含遙測數(shù)據(jù)的EddystoneTLM幀，其中包括開關的電源電壓、正常運行時間以及到目前為止所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總數(shù)。

ONSemiconductor的RSL10Eddystone示例軟件展示了構建和發(fā)送幀的基本設計模式（清單1）。如清單1所示，開發(fā)人員調用函數(shù)EddyService_Env_Initialize（）將針對Eddystone-URL幀的有效載荷加載到Eddystone環(huán)境結構eddy_env_tag。為了發(fā)送信標，開發(fā)人員調用了Eddy_GATTC_WriteReqInd（）函數(shù)，該函數(shù)用于構建封裝，利用RSL10的AES加密加速器對數(shù)據(jù)進行加密，然后將消息發(fā)送（ke_msg_send（））到傳輸隊列。較低的服務層用于檢索排隊的消息，構建數(shù)據(jù)包，和進行傳輸。

傳輸?shù)男艠丝杀环秶鷥热魏沃С諦LE的主機檢測到，或者被附近使用信標應用的移動設備（如ONSemiconductor的RSL10移動應用）顯示。若要通過無線開關控制設備，開發(fā)人員可以使用ONSemiconductor基于RSL10的BDK-GEVKBLE物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)套件來處理信標并執(zhí)行相關操作。例如，開發(fā)人員可將BDK-GEVK基板和ONSemiconductor的D-LED-B-GEVK雙LED鎮(zhèn)流器板結合使用，利用無線開關實現(xiàn)對燈的控制。在設計電機驅動型應用時，開發(fā)人員可以將基板與ONSemiconductor的BLDC-GEVK無刷直流電機驅動器板或D-STPR-GEVK步進電機驅動器板組合在一起。

最后部署無線開關時，開發(fā)人員只需將兩個翼板拆下，只留一個包含所有功能器件的7x23mm組件即可（圖6）。

由于ZF致動器位于組件的后端，因此在像CWIndustriesGIL-2000-2010這樣的空殼中可以放置在搖臂開關下面。

總結

無線開關為快速增長的智能產(chǎn)品控制需求提供了一種免維護的解決方案。然而，由于傳統(tǒng)的無線設計需要電池才能運行，因而增加了設計成本和復雜性，且用戶也不得不處理電池管理和更換事宜。ONSemiconductor的參考設計在很大程度上解決了這些問題，這種設計利用能量收集技術，為超低功耗藍牙5.0模塊提供了所需的全部電能，能以無線方式向支持藍牙的中樞或智能產(chǎn)品發(fā)送信號。