主题
P05 · YBO Air Switch — 设计附录(Level 2)
- Level-1 规格: P05-air-switch.md(本附录不改变任何 Level-1 值)
- 引用的基础文件: X01-ybo-can-protocol.md, X02-config-schema.md
- 状态: 草案 (t)
- 最后更新: 2026-08-31
1. 范围
- 本附录设计内容:板级框图、含 CR2450 脉冲电流网络与储能电容选型的按事件能量预算、动能校验、CC1354P10 构建与 nRF54L15 纯 BLE 贴装方案的引脚预算、按键/LED/NFC/电池电路、射频与天线方案、固件状态机(射频事件、配对、心跳)、诊断载荷、EOL 测试与 BOM 骨架。
- 保留在 Level-1:型号与 SKU、功能需求、电气限值(2.2–3.3 V 窗口、休眠 ≤3 µA、电池低电 ≤2.4 V)、候选芯片、电池预算总量、参照基准、验证计划、待决事项(
P05-air-switch.md§2、§4、§5、§7、§14、§15)。 - 本开关是
AIR-GW的端点,绝非YBO-CAN节点(X01-ybo-can-protocol.md§8):板上无 CAN 收发器、无节点 ID、无 X01 消息族。它仅复用 X01 §7 的概念——每设备 128 位密钥与 32 位单调计数器——承载于由网关终结的 AES-128 CCM Air 电报中(P05-air-gateway.md§4 FR-01/FR-02)。 - 工程路径:纽扣电池 SKU 采用从零自研的板卡(一块 PCB 同时覆盖 Air 2 / Air 4 及两种射频贴装方案);动能 SKU 为外购 EnOcean PTM 215B/216B 模块,无 YBO PCB(
P05-air-switch.md§2)。
2. 框图
CR2450 (keyed holder, coin-slot door, insulation pull-tab) ── TVS on contacts
├─ R_series 68 Ω *(t)* (Level-1 window 33–100 Ω) ──┬── VDD 2.2–3.3 V
│ └── C_bulk ≥470 µF low-leakage (§3)
┌─▼──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Radio SoC — CC1354P10 VQFN48 (dual-band) / nRF54L15 QFN48 (BLE-only) │
│ AES-128 CCM engine · key in secure storage · counter32 in NVM │
│ 4 × GPIO ◄─ key domes K1..K4 (edge wake, 100 Ω + 1 nF + ESD) │
│ 8 × GPIO ─► bi-colour LEDs (green/amber, series R, ≤2 mA, 50 ms) │
│ I2C + FD ◄─ NT3H2111 NFC tag (CC1354P10 build; on-chip NFC on nRF54) │
│ internal battery monitor + temperature sensor · SWD test pads │
└───────┬───────────────────────────────┬────────────────────────────────┘
│ 2.4 GHz: matching ─ IFA (PCB) │ sub-GHz: balun/match ─ SAW ─ LPF ─ PCB/chip antenna
▼ ▼
BLE 2.4 GHz EU-433 / EU-868 / US-915 (one profile populated)3. 电源预算(按事件)
单一非稳压电源轨:电池经 R_series 与 C_bulk 为 VDD 供电;两款 SoC 的工作范围分别为 1.8–3.8 V(CC1354P10, https://www.ti.com/product/CC1354P10 )/ 1.7–3.6 V(nRF54L15, https://www.nordicsemi.com/Products/nRF54L15 ),因此产品族窗口 2.2–3.3 V、欠压 2.0 V、启动 ≥2.5 V 维持引用值不变(P05-air-switch.md §5)。无稳压器、无散热路径——最坏连续电流为 25.8 mA,持续 5 ms。
| 事件 | 分段计算(除数据手册电流外均为 (t)) | 电荷 |
|---|---|---|
| 按键,sub-GHz 配置 | 唤醒+扫描+CCM 3 mA × 5 ms = 15 µC;TX +14 dBm 25.8 mA × 5 ms = 129 µC;ACK-RX 窗口 5.8 mA × 30 ms = 174 µC;状态推送 RX 时隙 5.8 mA × 20 ms = 116 µC | 射频 ≈0.43 mC |
| 按键,BLE(nRF54L15) | 唤醒+CCM 10 µC;TX 4.8 mA × 3 信道 × 0.7 ms ≈ 10 µC;ACK 扫描 3.4 mA × 8 ms ≈ 27 µC;状态时隙 ≈7 µC | 射频 ≈54 µC |
| LED 反馈 | 2 次脉冲(待定 + 已确认)× 2 mA × 50 ms | ≈0.2 mC |
| 心跳(30 min) | 唤醒 10 µC;sub-GHz TX 25.8 mA × 2 ms ≈ 52 µC(BLE ≈20 µC);不等待 ACK——由网关监护(P05-air-gateway.md §9) | ≈52 µC |
| 重发(每次,≤2 次) | 随机退避后重复 TX + ACK-RX | ≈0.30 mC |
对照 Level-1 表格的年度细化(P05-air-switch.md §5,均落在其向上取整的事件小计 ≈4 mAh/yr 之内):sub-GHz 按键 30 次/天 × ≈0.63 mC(射频 + LED)≈ 2.9 mAh/yr,计划值 ≈3.0;心跳 48 次/天 × 52 µC ≈ 0.25 mAh/yr,计划值 ≈0.24;BLE 按键射频 ≈50 µC(计划值)+ 0.2 mC LED ≈ 0.8 mAh/yr。休眠 ≤3 µA → ≈26 mAh/yr,自放电 ≈6 mAh/yr,与引用值一致;3 年合计 ≈108 mAh,相对于 Energizer 标称的 620 mAh(https://data.energizer.com/pdfs/cr2450.pdf )。
Sleep floor (CC1354P10 build, target ≤3 µA, P05-air-switch.md FR-10):
SoC standby 0.98 µA (RTC on) + NFC tag idle ≈0.2 µA *(t)* (field-powered; FD pull-up leakage only)
+ C_bulk leakage ≤1 µA *(t)* (drives the capacitor-technology decision, §11)
+ brown-out monitor ≈0.1 µA + board leakage ≈0.3 µA *(t)* → ≈2.6 µA ✓
nRF54L15 build: 0.7 µA System OFF + 100 µF *(t)* cap ≤0.3 µA → ≈1.3 µA ✓CR2450 pulse rule and bulk-capacitor sizing (+14 dBm sub-GHz TX):
Energizer pulse rating: 9 mA (2.7 V across 300 Ω, 2 s) — https://data.energizer.com/pdfs/cr2450.pdf
C_bulk ≥ I_TX × t_TX / ΔV_max = 25.8 mA × 5 ms / 0.3 V ≈ 430 µF → ≥470 µF (Level-1 §5)
TX droop at 470 µF: 129 µC / 470 µF ≈ 0.27 V (matches Level-1 ≈0.28 V)
R_series = 68 Ω *(t)*: recharge peak ≈ 0.27 V / 68 Ω + I_sleep ≈ 4.3 mA ≤ 5 mA average rule; τ = 32 ms
ACK-RX 30 ms window: cell supplies ≈4 mA through R, cap nets ≈54 µC → +0.11 V; worst stack ≤0.3 V ✓
(EVT criterion: VDD droop ≤0.3 V at -20 °C with aged cell — P05-air-switch.md §14)
nRF54L15 build: 4.8 mA peak < 9 mA pulse rating → 100 µF *(t)*, no rule needed (Level-1 §7)Kinetic variant (option B) energy-per-actuation check:
ECO 200 harvester inside PTM 215B: 120–210 µJ at 2 V per actuation —
https://www.enocean.com/wp-content/uploads/downloads-produkte/en/products/enocean_modules/eco-200/data-sheet-pdf/ECO_200_Data_Sheet_June2021.pdf
One actuation funds one advertising event (redundant sub-telegrams on BLE ch 37/38/39, 0.4 dBm)
— module-internal power management, not a YBO design variable (PTM 215B user manual, P05-air-switch.md §7).
Consequences: press and release each transmit; no LED, no heartbeat, no battery telemetry (Level-1 §2).4. 接口与引脚预算
CC1354P10 RGZ VQFN48:26 个 GPIO,4 UART / 4 SPI / 2 I2C(https://www.ti.com/product/CC1354P10 ):
| 外设 | 引脚数 | 功能 |
|---|---|---|
| GPIO,可唤醒 | 4 | 按键弹片 K1–K4(Air 2 使用 2 个);直连线路,组合键按同时到达的边沿判读——4 键无需矩阵 |
| GPIO | 8 | 4 × 双色 LED(绿/琥珀),每个晶粒一个串联电阻 |
| I2C0 + GPIO | 3 | NT3H2111 NFC tag:SDA、SCL、FD(场检测唤醒) |
| GPIO(RF) | 3 | Sub-GHz 频段/射频开关控制 (t) + 天线调谐测试挂钩(§6) |
| SWD | 2 | 仅 Tag-Connect 产线焊盘(P05-air-switch.md §6) |
| 合计 | 20 | 26 个中富余 6 个;Air 2 释放 2 个按键 + 4 个 LED 引脚;不占用 ADC 引脚——电池电压与温度来自内部电池监测器和片上传感器 |
nRF54L15 纯 BLE 贴装方案的差异(QFN48,31 个 GPIO):
| 项目 | CC1354P10 构建 | nRF54L15 构建 |
|---|---|---|
| NFC | 分立 NT3H2111 tag IC + I2C/FD(3 引脚) | 片上 NFC-A,专用 NFC1/NFC2 引脚接环形天线;NT3H2111 不贴装 |
| Sub-GHz 前端 | Balun + SAW + LPF + 天线,按配置贴装 | 无——焊盘不贴装,无射频控制 GPIO |
| 储能电容 | ≥470 µF + 68 Ω (t) | 100 µF + 68 Ω (t)(峰值 4.8 mA) |
| 引脚占用 | 26 个中占 20 | 31 个中占 14 |
外部连接器:无(纯无线,P05-air-switch.md §6)。仅有的对外接口是 CR2450 电池座、NFC/QR 调试面和 6 焊盘 Tag-Connect SWD 封装(装配后不可触及 (t))。
5. 分模块电路设计
5.1 按键弹片阵列
- 金属按压弹片(≥100 k 次操作等级,匹配 FR-17)置于硅胶/薄膜面板之下;弹片外环接 GND,中心接带内部上拉的 GPIO;固件去抖 10 ms(Level-1 §5),下降沿唤醒,卡键防护见 §7。
- 每条线路:100 Ω 串联 + 1 nF 对地 + TPD1E10B06 ESD 钳位(±30 kV IEC 61000-4-2, https://www.ti.com/product/TPD1E10B06 )——与
P06-key-design.md§2 采用相同网络以保持产品族通用性。
5.2 LED 驱动
- GPIO 经串联电阻驱动各 LED 晶粒;R = (VDD_min − V_F) / I = (2.4 − 2.0 V) / 2 mA = 200 Ω (t)(绿色)——反馈在 2.4 V 电池低电点仍保持可见;琥珀色晶粒阻值在 EVT 按 V_F 微调。
- 每晶粒 ≤2 mA,50 ms 脉冲,绝不常亮(Level-1 §5);固件同一时刻最多点亮一个 LED (t),以约束 C_bulk 上的脉冲负载。双色构建将 Level-1 的"红色电池低电"状态呈现为琥珀色双闪 (t)——采用 RGB 可消除该折衷(§11)。
5.3 NFC 调试标签(CC1354P10 构建)
- NXP NT3H2111(NTAG I2C plus):ISO/IEC 14443-3 Type A T2T、2 kB EEPROM、场检测输出、I2C 主机端口(https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/NT3H2111_2211.pdf );面板后方的 PCB 蚀刻环形天线。
- EEPROM 仅存放设备 ID + 公开调试令牌;生产后写锁定;私钥永不写入标签(FR-12)。FD 引脚将 SoC 唤醒进入服务模式。
5.4 电池输入网络
- 带防呆的 CR2450 电池座,弹簧正极触点;无串联二极管(电压裕量,Level-1 §5);触点两端跨接双向 TVS;R_series 68 Ω (t),后接 §3 的 C_bulk。启动门限:C_bulk 经 R_series 预充期间,SoC 在 2.5 V 以下保持复位(Level-1 §5 浪涌规则);欠压闭锁 2.0 V。
- 电池门:硬币槽开启、防丢失、终端用户免工具可开——EU 2023/1542 Art. 11(https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2023/1542/oj );儿童防护遵循 Energizer 硬币/工具指南(Level-1 §6);绝缘拉片在 PVT 阶段装入以保证货架寿命(§9)。
5.5 射频前端
- 2.4 GHz:SoC 射频端口 → 分立或 IPC 匹配 → 印制倒 F 天线。
- Sub-GHz(仅贴装一个配置):SoC PA → balun/匹配 → 按配置选用的 SAW(433.92 / 868 / 915 MHz)→ LC 谐波低通 → 天线。+14 dBm 为纽扣电池的上限(Level-1 §7)。
- 外壳失谐设计规则:匹配值只能依据最终外壳安装在代表性墙体材料(GRP、木材、金属框架)上的 VNA 测量冻结——绝不在裸板上冻结(
P05-air-switch.md§8、PRODUCT-PLAN.md §P5 复用边界)。每个天线馈点均保留一个 pi 型网络封装。
5.6 ESD 与防护
- 无对外电气接口:ESD 路径为按键面板(经薄膜的空气放电)、电池门和 NFC 面;电池触点与按键线路设 TVS,NFC 环路内设串联电阻;目标 ±8 kV 接触 / ±15 kV 空气 (t),按 EN 301 489 要求(Level-1 §11)。电池门处 IP54 密封圈(Cockpit IP67 仍属 T2,Level-1 §2)。
6. 射频与天线方案(≤26 mA 脉冲下热设计无关——按附录模板规则替换)
| 频段 | 天线 (t) | 尺寸/净空 (t) | 说明 |
|---|---|---|---|
| 2.4 GHz BLE | 印制倒 F 天线 | ≈15 × 6 mm,≥5 mm 接地净空 | 所有 SKU;板顶边缘,远离电池座 |
| EU-868 / US-915 | 蜿蜒印制 IFA | ≈60 mm 板上 ≈30 × 8 mm 禁布区 | 地平面是主辐射体;匹配遵循 §5.5 规则 |
| EU-433 | 芯片天线 + 加载 | λ/4 = 173 mm 无法在 60 mm 板上印制;预计 −6…−10 dB 效率损失 | 该损失与距离目标的对比作为 §6 第 9 项配置选择(M8)的输入——此处仅记录,不做决定 |
| NFC 13.56 MHz | 蚀刻环形天线 | 面板后方,避开电池弹片区 | 仅标签侧 |
失谐测试挂钩:每个天线馈点带一个焊桥串联焊盘,可将馈线切换到 u.FL 测试封装 (t)——用于 EVT/DVT 的 VNA 失谐测试和 PVT 传导射频测试(§9),量产时该封装开路并桥接至天线。
7. 固件架构
无 RTOS:基于 RTC + GPIO 唤醒的事件驱动循环;任务为按键扫描(唤醒时)、射频事件、心跳调度器(RTC,30 min)、NFC/服务处理、电池监测(每次心跳采样)。启动遵循 Level-1 §9:安全启动、签名镜像、防回滚、单槽 + 恢复镜像。
射频事件状态机(以 sub-GHz 为例;BLE 相同,时序按 §3 的 BLE 数值):
| 状态 | 事件 | 下一状态 | 动作 |
|---|---|---|---|
| SLEEP | 按键边沿 | TX | 去抖 10 ms,判别手势,counter++(先写后发),构建 CCM 电报 |
| SLEEP | 心跳定时器 | TX-HB | 采样电池/温度,发送心跳,不等待 ACK,返回 SLEEP |
| SLEEP | NFC 场检测 | SERVICE | 打开 BLE 服务/配对会话(见配对流程) |
| TX | TX 完成 | ACK-RX | 打开 30 ms (t) 接收窗口 |
| ACK-RX | 有效 ACK | LED-PENDING | LED 脉冲(待定),在命令后 ≈100 ms (t) 调度状态推送 RX 时隙 |
| ACK-RX | 窗口为空,重发次数 <2 | TX | 随机退避,禁止以相同 counter 值重发——每次尝试使用新 counter |
| ACK-RX | 窗口为空,重发次数 =2 | LED-FAULT | 琥珀色闪烁(FR-03),不产生审计记录,SLEEP |
| LED-PENDING | 收到状态推送 | LED-CONFIRM | 仅显示网关确认的回读状态(FR-02),SLEEP |
| LED-PENDING | 时隙内无推送 | LED-REVERT | 回退到最近确认状态,琥珀色单闪(Level-1 §10),SLEEP |
配对流程(网关窗口遵循 P05-air-gateway.md §4 FR-13):
| 状态 | 事件 | 下一状态 | 动作 |
|---|---|---|---|
| FACTORY | 产线密钥注入 | UNPAIRED | 唯一 128 位密钥存入安全存储,counter 置 0,NFC 锁定 |
| UNPAIRED | Studio/Mate 扫描 QR/NFC,打开 BLE 会话 | PAIR-WAIT | 出示调试令牌;密钥交换仅在网关的 ≤60 s 窗口内进行(FR-09) |
| UNPAIRED | 网关按钮 + 长按按键 ≥5 s (t) | PAIR-WAIT | 后备路径,同样受窗口规则约束 |
| PAIR-WAIT | 交换完成 | PAIRED | 网关存储密钥 + counter;绑定写入网关 NVM(Level-1 §3) |
| PAIR-WAIT | 窗口超时/拒绝 | UNPAIRED | 不存在明文回退路径(FR-09) |
| PAIRED | 服务会话(窗口内 NFC/BLE) | SERVICE | 诊断读出、OTA、重新配对 |
密钥/计数器存储:密钥存于 SoC 安全存储(CC1354P10 TrustZone/OTP;nRF54L15 KMU);counter32 每 64 次递增持久化一次 (t),并在启动时前跳 64——即 X01 §7 的 256 增量规则在开关尺度上的对应——确保欠压复位绝不重复 counter 值(FR-08)。
OTA-over-BLE 策略:更新仅在配对/服务模式下接受 (t)(由 NFC 触碰或安装商 app 打开),电池 ≥2.7 V(Level-1 §9),镜像签名 + 防回滚,更新失败时上一镜像仍可启动(FR-16)。正常运行中不监听 OTA——保证 ≤3 µA 休眠指标名副其实。
| 故障 | 检测 | 响应 |
|---|---|---|
| 2 次重发后仍无 ACK | ACK-RX 窗口为空 | 琥珀色闪烁;重发计数计入下一次心跳 |
| 电池 ≤2.4 V | 按键/心跳时的电池监测 | 每次按键琥珀色双闪 (t);心跳标志 → 网关 "battery low" 事件 |
| counter 接近 2^32(30 次/天不可能达到,仍作防护) | 阈值 2^32 − 2^16 (t) | 冻结 TX,琥珀色;仅可通过配对重新注入密钥 |
| NVM counter 写入失败 | 写后校验 | 阻止 TX(绝不发送未持久化的 counter),琥珀色 |
| 卡键 ≥30 s (t) | 按键扫描定时器 | 忽略该键,在心跳中置标志 |
| TX 期间欠压 | BOR + 启动检查 | counter 已在 TX 前递增;启动时再前跳 64——不存在重放窗口 |
8. 诊断与遥测点
所有诊断均在 30 分钟心跳内传输(仅 option A;动能 SKU 无诊断),并汇入网关名册(P05-air-gateway.md §9):
| 名称 | 单位 | 速率 | 来源 |
|---|---|---|---|
| battery_mv | mV | 30 min | SoC 电池监测器 |
| temperature | 1 degC | 30 min | 片上传感器 |
| counter | count | 30 min | 重放计数器(每条电报中亦携带) |
| retry_count | count/interval | 30 min | 射频事件状态机 |
| ack_rssi | dBm | 30 min | 最近一次 ACK 接收 |
| image_version | id | 30 min | 启动元数据(Level-1 §9) |
| flags | bitfield | 30 min | 卡键、NVM 告警、电池低电 |
9. 产线测试与校准
| 步骤 | 接口 | 限值/动作 |
|---|---|---|
| 密钥注入 + 计数器清零 | Tag-Connect SWD 治具 | 唯一密钥,注入后锁定调试口;counter 置 0 |
| NFC 编程 + 锁定、标签核对 | 治具 NFC 读头 + 扫码器 | 回读 ID + 令牌;验证写锁定(Level-1 §14 PVT 行);QR 标签与 NFC 内容一致 |
| 射频发射功率与频率,按贴装配置 | u.FL 测试挂钩(§6),传导 | 功率在 +14 dBm 配置限值 ±1 dB 内 (t);频偏在 ±20 ppm 内 (t) |
| 按配置校准 | 同上 | 晶振微调与 TX 功率微调写入 NVM;RSSI 偏移对治具基准校准 (t) |
| 电流测试 | 电池触点上的源表 | 休眠 ≤3 µA;按键事件电荷在 §3 预算 ±30 % 内 (t) |
| 按键动作 + LED | 执行机构、光电二极管 | 全部按键均能电气检出,弹片力在规格内;每键两种 LED 颜色均正常 |
| 电池绝缘拉片 | 人工 + 电气检查 | 包装内电池零耗电;拉片在 QR 一侧的标签上标示 |
10. BOM 骨架
| 模块 | 主要物料(器件类别) | 数量 | 成本等级 | 采购风险 |
|---|---|---|---|---|
| 射频 SoC | CC1354P10 或 nRF54L15 | 1 | B | 在 M3 门槛冻结(Level-1 §7) |
| Sub-GHz 前端 | Balun、SAW、LPF、匹配(仅双频构建) | 1 套 | C | 各配置专用的 SAW 型号 |
| NFC | NT3H2111 + 环形天线(仅 CC1354P10 构建) | 1 | C | 低 |
| 电池系统 | CR2450 电池座、电池门、68 Ω、C_bulk、TVS | 1 套 | C | 低漏电 470 µF 选型(§11) |
| 按键与 LED | 2/4 弹片、面板、2/4 双色 LED、电阻、ESD | 1 套 | C | 面板/弹片模具 Air 2/4 共用 |
| PCB + 外壳 | 2 层 (t) PCB、嵌框外壳、密封圈 | 1 | B | 外壳模具按 Air 2/4 摊销(Level-1 §12) |
| 动能 SKU | 外购 PTM 215B/216B 模块 | 1 | A | NRND / 后继型号认证(§11) |
11. 可桌面决定的事项
| 决策 | 建议 (t) | 理由 | 冻结门槛 |
|---|---|---|---|
| C_bulk 技术与 R_series | 470 µF 低漏电铝电解(漏电 ≤1 µA)vs MLCC 组;R_series 68 Ω,位于 Level-1 的 33–100 Ω 窗口内 | §3:最低 430 µF,0.27 V 跌落下再充电 ≤5 mA,τ = 32 ms;MLCC 降额 vs 电解漏电的权衡 | Air EVT 纽扣电池脉冲测试(Level-1 §14) |
| ACK-RX 窗口长度 | 30 ms | 将按键电荷约束在 0.43 mC、电容跌落 ≤0.3 V | Air EVT 时延 + 漏收率测试 |
| LED 反馈电流/时长 | 2 mA / 50 ms,同一时刻一个 LED;代价 ≈0.9 mAh/yr | §3 中 2.4 V 下可见性 vs 电池寿命裕量 | Air EVT 演示船可读性检查 |
| 双色 vs RGB LED | 双色;电池低电以琥珀色双闪表示 | Level-1 将 RGB 列为可选;省 4 个引脚与电荷 | Air EVT UX 评审 |
| 各频段天线类型 | IFA(2.4 G)、蜿蜒 IFA(868/915)、433 用芯片天线并记录 −6…−10 dB 损失 | §6;433 的损失是 EU 配置选择的输入 | PRODUCT-PLAN.md §6 第 9 项(M8) |
| 动能模块认证 | 在 Air EVT 前完成 PTM 216B 认证,否则放弃动能 SKU | PTM 215B 为 NRND;216B 数据未核实(Level-1 §15 第 5 项) | Air EVT 入口 |
| 计数器持久化步长 | 64 次递增 | 启动前跳 64 保住重放裕量,NVM 写入次数约减少 100× | Air EVT NVM 寿命评审 |
12. 变更记录
| 日期 | 变更 | 参考 |
|---|---|---|
| 2026-08-31 | 首版设计附录:事件能量预算、储能电容选型、引脚预算、射频/天线方案、固件状态机、EOL 测试 | PLAN-029 |