智能互聯產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。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 開放式信標協議的新穎方法，使用了 ON Semiconductor 和 ZF Electronics 兩家公司的零件。

通過將該設計和相關開發套件配套在一起，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品發送信號所需的全部電能。

超低功耗設計

ON Semiconductor 的 BLE-SWITCH001-GEVB 開發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，ZF Electronics 的 AFIG-0007 電感式能量采集器將為 ON Semiconductor 的 RSL10 藍牙 5 系統級封裝 (SiP) 提供充足電能，使之足以傳輸低功耗藍牙 (BLE) 信標。接收到信標之后，智能產品或中樞中支持 BLE 的接收器就可以執行相關操作，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 對信標傳輸的功率要求與 AFIG-0007 產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 ON Semiconductor 自有 LPDSP32 32 位數字信號處理器 (DSP) 內核。

圖 1：ON Semiconductor 的 RSL10 SiP 模塊集成了多個功能塊，提供了一個完整的藍牙 5.0 解決方案，并且耗電量極低。（圖片來源：ON Semiconductor）

該模塊使用多個外設和存儲器（包括 384 KB 閃存、76 KB 程序存儲器和 88 KB 數據存儲器）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。ON Semiconductor 的參考設計解決了如何利用藍牙信標協議實現了較短的無線事務處理時間。

信標是符合藍牙廣告協議的短消息，用于向任何可用的偵聽器廣播標識符或其他短數據片段。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。ON Semiconductor 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，該標準規定了與數據包（長度僅為幾字節）相關的包絡和數據有效載荷。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) 數據，如溫度（圖 2）。

圖 2：行業標準 Eddystone 格式僅用幾個字節來定義信標包絡和有效載荷。（圖片來源：ON Semiconductor）

在找到 Eddystone 信標后，接收應用就能執行與該 UUID 相關的操作，并將用戶發送到該 URL，或者對遙測數據作出適當響應。

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)，這一數值完全在 AFIG-0007 能量采集器的發電能力范圍內。

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，磁塊會發生移動（圖 3，右圖）。此項操作會使通過線圈的磁場極性發生逆轉，從而根據磁感應原理產生電能脈沖。松開致動器會使磁塊彈回原始位置，產生另一個具有相反極性的能量脈沖。

圖 3：當用戶按下 ZF Electronics 的 AFIG-0007 能量采集器內置的致動器時，磁塊會從停留位置（左圖）移動到開離位置（右圖），按下致動器會產生一個能量脈沖，松開致動器會產生另一個能量脈沖。（圖片來源：ZF Electronics）

ZF 能量采集器尺寸為 20 x 7 x 15 毫米 (mm)，預期壽命為 1,000,000 次開關循環，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中產生約 300 mJ 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) 穩壓器，所有這些零件都來自 ON Semiconductor（圖 4）。

圖 4：開發人員可以使用簡單的電源電路為 ON Semiconductor 的 RSL10 供電，該電路可箝制 ZF Electronics 的 AFIG-007 能量采集器的整流輸出。（圖片來源：ON Semiconductor）

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

圖 5：ON Semiconductor 的 BLE-SWITCH001-GEVB 電路板將功能組件放置在 23 x 23 mm 電路板的中心區域（左圖）。可拆卸翼板用于放置開發接口，包括一個可從底部接入的 10 引腳 JTAG 接口（右圖）。（圖片來源：ON Semiconductor）

7 mm 寬的中心區域包含了核心組件，而可拆卸翼板則提供了多個開發接口，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 Segger Microcontroller Systems 的 ink-ULTRA/899-1010-ND/3202485">8.16.28 J-link ULTRA+）進行編程和調試。

開關開發

BLE-SWITCH001-GEVB 電路板已預裝固件，每 20 ms 發送一次 Eddystone 信標，直到系統耗盡單次開關致動產生的電量。在此應用示例中，設計首先發送一個包含 URL“https://onsemi.com/idk”的 Eddystone-URL 幀。發送完這個初始幀之后，該設計會傳輸內含遙測數據的 Eddystone TLM 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的數據包總數。

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

副本 struct eddy_env_tag eddy_env;   void EddyService_Env_Initialize(void) {                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;      Eddy_GATTC_WriteReqInd(…)...valptr = (uint8_t *) &eddy_env.advtxpower_value;        ...        BBIF->CTRL = BB_CLK_ENABLE | BBCLK_DIVIDER_8 | BB_WAKEUP;                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);                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);                Sys_AES_Cipher();                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 示例代碼展示了定義 Eddystone-URL 幀的有效載荷和發送已完成幀的基本設計模式。（代碼來源：ON Semiconductor）

傳輸的信標可被范圍內任何支持 BLE 的主機檢測到，或者被附近使用信標應用的移動設備（如 ON Semiconductor 的 RSL10 移動應用）顯示。若要通過無線開關控制設備，開發人員可以使用 ON Semiconductor 基于 RSL10 的 BDK-GEVK BLE 物聯網開發套件來處理信標并執行相關操作。例如，開發人員可將 BDK-GEVK 基板和 ON Semiconductor 的 D-LED-B-GEVK 雙 LED 鎮流器板結合使用，利用無線開關實現對燈的控制。在設計電機驅動型應用時，開發人員可以將基板與 ON Semiconductor 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，開發人員只需將兩個翼板拆下，只留一個包含所有功能器件的 7 x 23 mm 組件即可（圖 6）。

圖 6：從 ON Semiconductor 的開發板上拆下兩個翼板后（左圖），開發人員可以輕松將 7 x 23 mm 組件放入典型搖臂開關空殼（右圖）中。（圖片來源：ON Semiconductor）

由于 ZF 致動器位于組件的后端，因此在像 CW Industries GIL-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品控制需求提供了一種免維護的解決方案。然而，由于傳統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。ON Semiconductor 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品發送信號。