Сейчас появляется все больше интеллектуальных устройств и необходимость их взаимодействия становится все более очевидной. В большинстве случаев разумным вариантом обеспечения связи будет беспроводная. И одним из основных элементов в этой области выступают выключатели питания освещения или бытовых приборов. Для многих интеллектуальных переключателей питания использующих беспроводную связь, требуется аккумулятор, что увеличивает размер и стоимость и не способствует удобству, поскольку аккумулятор необходимо заменять время от времени. Но с недавнего времени появилась возможность использовать свободную энергию в качестве источника питания.
Есть много источников свободно доступной энергии, таких как свет, электромагнитные поля, вибрации, перепады температуры и давления. Здесь будут описаны возможности, предлагаемые для генерации механической энергии и полупроводниковые решения от ON Semiconductor и ZF Electronics, которые были использованы для создания инновационной конструкции переключателя с интерфейсом Bluetooth и протоколом открытого маяка Eddystone. Вместе они образуют готовое к использованию системное решение со сверхнизким энергопотреблением с Bluetooth 5.0, для работы которого даже не требуется батарейка.
Конструкторский комплект ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB сочетает в себе модуль связи Bluetooth 5.0 с механическим переключателем, выполняющим сбор энергии, обеспечивая полное и готовое к использованию решение беспроводного переключателя. Источником питания является индукционный генератор AFF-0007 от ZF Electronics, дающий достаточную мощность для работы системы SiP RSL10 Bluetooth 5 (BLE). Принцип работы заключается в том, что нажатие клавиши в механическом переключателе, соединенном с индукционным генератором, приводит в действие передатчик на достаточно долгое время, чтобы можно было отправить сообщение на приемник по радио для управления светом или другим устройством.
Модуль RSL10 представляет собой законченное коммуникационное решение Bluetooth 5, которое объединяет несколько функциональных блоков. Он включает в себя как микроконтроллер Arm Cortex-M3 для общего управления работой, так и выделенный 32-битный цифровой сигнальный процессор (DSP) LPDSP32 для функций связи. Модуль имеет 384 КБ флэш-памяти, 76 КБ памяти программ и 88 КБ памяти данных. Для связи по Bluetooth он имеет встроенный приемопередатчик, поддерживающий Bluetooth (PHY), работающий на частоте 2,4 ГГц, и контроллер основной полосы частот, поддерживающий расширенные протоколы Bluetooth 5.0. Схема работает в широком диапазоне напряжений питания от 1,1 до 3,3 В и потребляет очень мало энергии. Согласно результатам теста ULPMark Embedded Microprocessor Benchmark (EEMB), RSL10 показал лучший результат в отрасли – 1090 баллов для источника питания 3 В и 1360 баллов для 2,1 В.
Здесь важна не столько мощность, необходимая для обработки повторяющихся длинных беспроводных транзакций, сколько очень короткая отправка сообщений, сопровождающая изменение состояния переключателя. В этом приложении используются функции маяка (навигации), содержащиеся в Bluetooth.
Маяки – это короткие сообщения, которые следуют протоколам широковещательной передачи Bluetooth, используемым для передачи идентификатора или другого небольшого объема данных каждому приемнику в пределах досягаемости. В сочетании с мобильными приложениями, функции маяка нашли широкое применение в розничной торговле, развлечениях, транспорте и других общественных местах, где отправляемый маяк может предоставлять информацию связанную с местонахождением и присутствием пользователя. В этом переключателе используется специальный тип, называемый Eddystone.
Маяк Eddystone соответствует открытому стандарту, который определяет формат и содержимое пакета данных длиной всего несколько байт. Это уникальный идентификатор устройства (UUID), URL-адрес или различные типы данных телеметрии (TLM), такие например как температура. Приемник, который находится в зоне действия маяка Eddystone, может выполнять желаемое действие на основе отправленных данных, например включать освещение или регулировать термостат.
Источник свободно доступной энергии
Маяк Eddystone передает только 10 мс, а общая энергия, необходимая для завершения передачи RSL10, составляет 100 мДж. Такие значения находятся в пределах возможностей генератора AFIG-0007.
AFIG-0007 включает катушку, окруженную металлическим сердечником, контактирующим с движущимся магнитом (слева). Когда пользователь нажимает подпружиненную кнопку, магнит перемещается (справа), так что полярность магнитного поля в катушке меняется на противоположную, в результате чего в обмотке генерируется импульс тока в соответствии с принципами магнитной индукции. Когда привод отпускается, пружинный магнитный блок возвращается в исходное положение, в результате чего возникает еще один энергетический импульс противоположной полярности.
Расчетный механический срок службы генератора составляет 1 миллион циклов, а размеры всего 20 х 7 х 15 мм, что позволяет использовать его во многих устройствах. AFIG-0007 выдает приблизительно 300 мДж энергии с каждым циклом активации нажатия и отпускания клавиши, а это намного больше чем требуется для передатчика RSL10.
Цикл нажатия позволяет отправлять два или три пакета маяка Eddystone. Важно отметить, что, помимо генератора и модуля связи, вся конструкция беспроводного коммутатора требует всего нескольких дополнительных компонентов.
Конструкция блока питания
Обычно схемы для получения свободно доступной энергии требуют использования повышающих преобразователей напряжения, потому что энергия подаваемая преобразователем слишком мала по сравнению со значениями, требуемыми микроконтроллером. В случае этой конструкции широкий диапазон питающих напряжений системы RSL10 (от 1,1 до 3,3 В), упрощает конструкцию цепи питания. Напряжение на выходе AFIG-007 выпрямляется мостом на диодах Шоттки NSR1030, фильтруется и стабилизируется с помощью простой схемы с стабилитроном SZMM3Z6V2ST1G, фильтром – накопительным конденсатором (C1) и стабилизатором LDO NCP170. Комплект BLE-SWITCH001-GEVB имеет размеры 23 х 23 мм и включает в себя генератор AFIG-007, модуль RSL10 и дополнительные элементы.
Средняя часть шириной 7 мм содержит основные элементы, а съемные боковые содержат программные интерфейсы, включая 10-контактный JTAG / SWD для подключения, например Tag-Connect TC2050-IDC. Также имеются контактные площадки и перемычки для подключения внешнего источника питания 3,3 В (Vout) для программирования и отладки с помощью подключенного программатора JTAG, такого как Segger Microcontroller Systems 8.16.28 J-Link Ultra+.
Конструкция переключателя
Радиомаяки могут быть обнаружены любым BLE-совместимым устройством в пределах досягаемости или отображены с помощью специального мобильного приложения для RSL10. Здесь можно использовать, например, комплект разработчика BDKGEVK BLE IoT, который обеспечивает прием сигнала маяка и прямое управление устройством, например светодиодом или более мощной схемой. В этом случае возможно соединение шагового двигателя D-STPR-GEVK с контроллером бесщеточного двигателя BLDC-GEVK.
После загрузки ПО в коммутатор можно отломать боковые части платы и оставить только основную часть с функциональными элементами.
