스마트 제품을 위한 무배터리 Bluetooth 지원 무선 스위치 구축

스마트 연결 제품의 신속한 배포로 인해 연결 간소화를 위한 무선 스위치의 수요를 부채질하고 있습니다. 무선 기술의 개발로 인해 스위치를 더 이상 선으로 연결할 필요가 없으므로 편리하게 배치할 수 있습니다. 하지만 최신 무선 스위치는 배터리로 구동되므로 설계 비용과 복잡성이 증가하고 사용자가 배터리를 교체해야 합니다. 해결책은 유도 에너지 수확에 있습니다.

광자, RF 에너지, 진동, 온도 차이, 압력 등 다양한 주변 에너지 소스가 있습니다. 하지만 이 기사에서는 Bluetooth와 Eddystone 개방형 비콘 프로토콜을 기반으로 하는 새로운 접근법으로 ON Semiconductor와 ZF Electronics의 부품을 결합하여 유도 에너지 수확 참조 설계를 설명합니다.

또한 설계 및 관련 개발 키트에서는 초저전력 Bluetooth 5.0 모듈을 통해 Bluetooth 지원 허브 또는 스마트 제품에 무선 신호를 보내는 데 필요한 모든 전력을 공급합니다.

초저전력 설계

ON Semiconductor의 BLE-SWITCH001-GEVB 개발 키트는 드롭인 Bluetooth 5.0 모듈을 에너지 수확 기계 스위치와 결합하여 개발자에게 무선 스위치를 위한 즉각적 솔루션과 맞춤형 무선 스위치 설계를 위한 토대를 제공합니다. 이 설계에서 ZF Electronics의 AFIG-0007 유도 에너지 수확은 Bluetooth 저에너지(BLE) 비콘을 전송하는 데 충분한 길이의 ON Semiconductor RSL10 Bluetooth 5 시스템 인 패키지(SiP)를 구동하는 데 충분한 에너지를 제공합니다. 비콘이 수신되면 스마트 제품 또는 허브의 BLE 지원 수신기에서 관련 작업을 수행하여 조명, 계전기 또는 기타 장치를 제어할 수 있습니다.

이 배터리 없는 설계의 핵심은 비콘 전송에 대한 RSL10의 전력 요구 사항과 이러한 요구 사항을 충족하는 데 충분한 에너지를 발생할 수 있는 AFIG-0007의 성능이 이상적으로 일치하는 데 있습니다.

저전력 무선 연결에 대한 새로운 수요를 충족하도록 설계된 RSL10 모듈은 다양한 기능 블록을 통합하여 완전한 Bluetooth 5 솔루션을 제공합니다(그림 1). 처리를 위해 모듈에는 범용 처리를 위한 Arm^® Cortex^®-M3 코어와 특수 응용 분야를 위한 ON Semiconductor의 자체 LPDSP32 32비트 디지털 신호 프로세서(DSP) 코어가 모두 포함되어 있습니다.

그림 1: ON Semiconductor의 RSL10 SiP 모듈은 여러 기능 블록을 결합하여 최소한의 전력을 소비하면서 완전한 Bluetooth 5.0 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

이 모듈은 384KB 플래시, 76KB 프로그램 메모리, 88KB 데이터 메모리를 비롯하여 다양한 주변 장치와 메모리를 통해 이러한 프로세서를 지원합니다. Bluetooth 통신의 경우 이 모듈에는 Bluetooth 물리층(PHY)을 지원하는 2.4GHz RF 프런트 엔드와 고급 Bluetooth 5.0 프로토콜을 지원하는 기저대역 컨트롤러가 포함되어 있습니다.

1.1V ~ 3.3V의 폭넓은 공급 전압 범위에서 작동할 수 있는 RSL10은 현저하게 낮은 수준의 전력을 소비합니다. EEMB(Embedded Microprocessor Benchmark) 콘소시엄의 ULPMark 초저전력(ULP) 벤치마크를 사용하여 RSL10은 3V 공급에서 업계 최고인 1,090점을 나타내고, 2.1V 공급에서 작동할 때에는 1,360점에 도달했습니다.

하지만 다양한 무선 응용 분야에서 경쟁력 있는 장기 무선 트랜잭션을 지원하는 데 필요한 전력을 통해 가장 전력 효율적인 설계의 한계를 테스트할 수 있습니다. ON Semiconductor의 참조 설계에서는 매우 짧은 무선 트랜잭션을 활용하여 Bluetooth 비콘 프로토콜을 사용할 수 있습니다.

비콘은 식별자 또는 기타 짧은 데이터 조각을 사용 가능한 수신기에 전달하기 위해 Bluetooth 광고 프로토콜을 따라 전송되는 짧은 메시지입니다. 특수 모바일 앱과 결합된 비콘은 사용자 위치 관련 정보를 제공할 수 있는 소매, 엔터테인먼트, 운수, 기타 공공 부문에서 광범위하게 사용되고 있습니다. ON Semiconductor의 무선 스위치 설계에서는 Eddystone 비콘이라는 특수한 유형의 비콘을 사용합니다.

Eddystone 비콘은 길이가 몇 바이트에 불과한 패킷과 연결되는 엔벨로프 및 데이터 페이로드를 지정하는 개방형 표준을 따릅니다. Eddystone 비콘의 경우 페이로드 형식을 통해 고유한 ID(UUID), URL 또는 다양한 유형의 원격 측정(TLM) 데이터(예: 온도)를 지정할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 산업 표준 Eddystone 형식은 단 몇 바이트의 크기로 비콘 엔벨로프 및 페이로드를 정의합니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

Eddystone 비콘이 있으면 수신 앱은 해당 UUID와 관련된 작업을 수행하거나, 사용자를 해당 URL로 연결하거나, 원격 측정 데이터에 적절히 응답할 수 있습니다.

에너지 수확 공급 소스

Eddystone 비콘은 10ms 만에 빠르게 전송될 수 있으며, 초저전력 RSL10을 사용할 경우 전송을 완료하는 데 필요한 에너지는 100mJ에 불과하며 이는 AFIG-0007 에너지 수확기의 발전 성능 범위 내에 있습니다.

AFIG-0007에서는 코일이 자기 블록과 접촉하는 금속 코어를 둘러싸고 있습니다(그림 3, 왼쪽). 사용자가 스프링 작동식 액추에이터를 누르면 자기 블록이 이동합니다(그림 3, 오른쪽). 이 작업에서는 와이어 코일을 통해 자기장의 극성이 반전되어 자기 유도의 원리에 따라 전기 에너지 펄스가 발생됩니다. 액추에이터를 해제하면 자기 블록이 원래 위치로 되돌아가서 반대 극성을 가진 다른 에너지 펄스를 발생합니다.

그림 3: 사용자가 ZF Electronics의 AFIG-0007 에너지 수확에 내장된 액추에이터를 누르면 자기 블록이 안정 위치(왼쪽)에서 확장 위치(오른쪽)로 이동하며, 액추에이터를 처음 누를 때와 해제할 때 각각 다른 에너지 펄스를 생성합니다. (이미지 출처: ZF Electronics)

기대 수명이 1,000,000 스위칭 사이클인 20mm x 7mm x 15mm ZF는 무선 스위치 설계에 대한 주요 기계 및 물리적 요구 사항을 충족합니다. 또한 AFIG-0007은 이 설계에 대한 에너지 요구 사항을 쉽게 충족합니다. 누르고 해제할 때마다 약 300mJ을 생성할 수 있는 ZF는 RSL10에 2개 또는 3개의 Eddystone 비콘을 전송하는 데 충분한 전력을 제공합니다. 이러한 두 부품 이외에 무선 스위치 설계를 구현하기 위해 몇 가지 추가 부품만 있으면 에너지 수확 전원 공급 장치 회로를 완성할 수 있습니다.

에너지 수확 전원 공급 장치 설계

일반적으로 에너지 수확 공급 회로에서는 마이크로 컨트롤러에서 요구되는 정밀한 수준의 전압을 생성하기 위해 전압 컨버터와 코일을 조합해야 합니다. 이 설계의 경우 RSL10의 폭넓은 1.1V ~ 3.3V 공급 범위로 인해 공급 회로 설계가 간소화됩니다. AFIG-007의 출력은 NSR1030 쇼트키 풀브리지 정류기로 정류되고 ON Semiconductor의 SZMM3Z6V2ST1G 제너 다이오드, 필터링/스토리지 커패시터(C1), NCP170 저드롭아웃(LDO) 조정기로 구성되는 간단한 회로를 통해 고정됩니다(그림 4).

그림 4: 개발자는 ZF Electronics의 AFIG-007 에너지 수확기에서 정류된 출력을 고정하는 간단한 전원 공급 장치 회로를 사용하여 ON Semiconductor RSL10을 구동할 수 있습니다. (이미지 출처: ON Semiconductor)

ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB 키트는 23mm x 23mm 기판에서 AFIG-007 및 위의 전원 공급 장치 회로를 RSL10과 결합합니다(그림 5).

그림 5: ON Semiconductor BLE-SWITCH001-GEVB 기판은 23mm x 23mm 기판의 가운데 섹션에 기능 부품을 배치합니다(왼쪽). 분리형 윙에는 하부에서 접근 가능한 10핀 JTAG 인터페이스를 비롯한 개발 인터페이스가 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: ON Semiconductor)

7mm 폭 가운데 섹션에는 코어 부품이 포함되어 있고, 분리형 측면 윙에서는 표준 어댑터용 10핀 JTAG/SWD 인터페이스를 비롯한 개발 인터페이스를 제공합니다(예: Tag-Connect TC2050-IDC). 10핀 인터페이스와 함께 측면 윙에는 점퍼용 헤더와 연결된 JTAG 프로그래밍 장치를 통한 프로그래밍 및 디버깅을 위한 외부 3.3V 전원 공급 장치(Vout)가 제공됩니다(예: Segger Microcontroller Systems 8.16.28 J-LINK ULTRA+).

스위치 개발

BLE-SWITCH001-GEVB 기판은 시스템에서 단일 스위치 작동 에너지가 고갈될 때까지 20ms마다 Eddystone 비콘을 전송하는 펌웨어가 사전 로드되어 있습니다. 이 샘플 응용 분야의 설계에서는 먼저 “https://onsemi.com/idk“ URL이 포함된 Eddystone-URL 프레임을 전송합니다. 이 초기 프레임에 이어 스위치의 공급 전압, 가동 시간, 현재까지 전송된 총 패킷 수를 비롯한 원격 측정 데이터가 들어 있는 Eddystone-TLM 프레임을 전송합니다.

ON Semiconductor의 RSL10 Eddystone 샘플 소프트웨어는 프레임을 빌드하여 전송하는 기본 설계 패턴을 보여줍니다(목록 1). 보시는 바와 같이 개발자는 EddyService_Env_Initialize() 기능을 호출하여 Eddystone-URL 프레임에 대한 페이로드와 함께 Eddystone 환경 구조 eddy_env_tag를 로드합니다. 비콘을 전송하기 위해 개발자는 패키지를 빌드하고 RSL10의 AES 암호화 가속기를 사용하여 데이터를 암호화한 후 (ke_msg_send()) 메시지를 전송 대기열에 전송하는 Eddy_GATTC_WriteReqInd()를 호출합니다. 아래쪽 서비스 계층에서는 대기 중인 메시지를 검색하고 패킷을 빌드하여 전송합니다.

복사
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(…)

목록 1: ON Semiconductor 샘플 코드는 Eddystone-URL 프레임에 대한 페이로드를 정의하고 완성된 프레임을 전송하는 기본 설계 패턴을 보여줍니다. (코드 출처: ON Semiconductor)

전송된 비콘은 범위 내에 있는 BLE 지원 호스트에서 감지되거나 비콘 앱(예: ON Semiconductor RSL10 모바일 앱)을 사용하는 주변 모바일 장치에 표시됩니다. 무선 스위치로 장치를 제어하기 위해 개발자는 ON Semiconductor RSL10 기반 BDK-GEVK BLE IoT 개발 키트를 사용하여 비콘을 처리하고 연결된 작업을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 개발자는 BDK-GEVK 기본 기판과 ON Semiconductor DLEDBGEVK 듀얼 LED 밸러스트 기판을 결합하여 무선 스위치로 제어되는 조명을 구현할 수 있습니다. 모터 구동 응용 제품을 설계할 때 개발자는 기본 기판을 ON Semiconductor의 BLDC-GEVK 브러시리스 DC 모터 구동기 기판 또는 D-STPR-GEVK 스테퍼 모터 구동기 기판과 결합할 수 있습니다.

마지막으로 무선 스위치를 배포하기 위해 개발자는 두 윙을 끄고 모든 기능 부품을 포함하는 단일 7mm x 23mm 조립품을 유지할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: ON Semiconductor 개발 기판(왼쪽)에서 두 윙을 분리한 후 개발자는 7mm x 23mm 조립품을 로커 블랭크에 쉽게 채울 수 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: ON Semiconductor)

ZF 액추에이터는 조립품의 후면에 있으므로 로커 스위치 또는 스위치 블랭크 아래에 배치될 수 있습니다.

결론

무선 스위치는 유지보수가 필요 없는 솔루션을 제공하므로 스마트 제품 제어를 위한 빠르게 성장하는 수요를 충족합니다. 하지만 기존 무선 설계의 경우 작동하는 데 배터리가 필요하므로 설계 비용과 복잡성이 증가하고 사용자가 배터리를 관리하고 교체해야 합니다. ON Semiconductor의 참조 설계에서는 에너지 수확을 활용하여 초저전력 Bluetooth 5.0 모듈을 통해 Bluetooth 지원 허브 또는 스마트 제품에 무선 신호를 보내는 데 필요한 모든 전력을 공급하여 이러한 문제를 해결했습니다.