Abbinare il giusto display al dispositivo IoT

Il clamore attorno all’Internet delle Cose fa prevedere che presto il mondo sarà popolato da miliardi di dispositivi connessi, legati l’uno all’altro, a data-collection centralizzati e servizi di analisi su un Internet in rapida crescita. Alcuni di questi saranno versioni connesse di prodotti oggi già in uso, come ad esempio termostati domestici e monitor di macchine industriali. Altri saranno completamente nuovi, grazie alla disponibilità di connettività a basso costo che rende possibili nuovi servizi, come i monitor per fitness che permettono di competere in corsa a distanza con perfetti estranei. Molti di questi dispositivi potrebbero essere migliorati dall’aggiunta di un display, anche se questo non è strettamente necessario. Tornando all’esempio dei bracciali da fitness, dal momento che la loro funzione è quella di raccogliere e condividere dei dati, potrebbero essere realizzati come dei semplici bracciali, in cui la visualizzazione dei dati è demandata ad uno smartphone collegato via Bluetooth o a un laptop collegato via Internet. In pratica, tutti i fitness band sono provvisti di un display di base per fornire un feedback all’utilizzatore. Analogamente, monitor ambientali come termometri industriali, estensimetri per infrastrutture civili e rilevatori di inquinamento non necessitano di un display, ma se lo avessero il loro impiego sarebbe molto più pratico. Accettate queste premesse, il passo seguente dovrebbe essere la verifica che il display scelto sia adatto alle necessità funzionali e ai vincoli di progetto della applicazione IoT. Un display full color ad alta risoluzione, che parrebbe perfetto ad un primo esame, non lo è più se consuma la batteria di un monitor a distanza in un sol giorno, o non lo si può leggere se la sua installazione è in piena luce solare. Quali sono quindi le opzioni, e dove è più conveniente farne uso?

E-paper, una tecnologia bistabile e riflessiva

I display bistabili come gli e-paper usano energia solo durante le variazioni di ciò che stanno visualizzando, mantenendo l’immagine senza ulteriore consumo. I display di questo tipo sono riflessivi, quindi non necessitano di retroilluminazione, e offrono alto contrasto, tanto da poter lavorare bene anche in presenza di una intensità di luce ambientale proibitiva per display di altra tecnologia, quali i cristalli liquidi. Piuttosto che agire come un array bidirezionale di “otturatori” che permette o impedisce il passaggio di luce dalla retroilluminazione all’osservatore, un display e-paper usa milioni di capsule, ciascuna contenente particelle bianche caricate positivamente e altre nere con carica negativa, sospese in un fluido chiaro. In seguito alla applicazione di una carica attraverso ciascuna capsula, le particelle di inchiostro si allineano con il campo applicato, creando un’immagine. La luce ambientale è quindi riflessa dal display, eliminando la necessità di retroilluminazione, consentendo un alto contrasto anche in piena luce. In un e-paper, le particelle di pigmento caricate devono muoversi fisicamente entro le loro capsule per cambiare il colore emesso, limitando così anche il refresh rate. L’e-paper è molto efficiente dal punto di vista energetico: la sua natura riflessiva lo rende esente da retroilluminazione (sebbene ne necessiti se usato in oscurità). Un ulteriore risparmio di energia è ottenuto proprio grazie al fatto che per mantenere una immagine statica sul display non richiede frequenti cicli di refresh, dispendiosi dal punto di vista energetico. Da un confront tra i consumi annui di un e-paper e di un Tft-Lcd, rilevati su display di due pollici sempre accesi, aggiornati sei volte al giorno, risulta che in un anno, il display e-paper consuma 3,29 mAh, vale a dire meno del 2% della capacità di una batteria a bottone CR2032 da 220mAh, contro i 262,800 mAh consumati dal Tft, corrispondenti all’equivalente di 1,2 CR2032. Il consumo di un e-paper è così esiguo che può essere alimentato da energia ricavata dall’ambiente tramite celle solari, micro generatori a vibrazione, o recupero di f. Ad esempio, può essere possibile creare carte di credito con display incorporato che mostra il saldo attivo, aggiornato tramite recupero di energia dalla connessione Nfc all’atto del pagamento.

Lcd, problemi di consumi

Se questi sono i vantaggi degli e-paper, non si deve dimenticare che l’IoT è come una grande arena dove anche le altre tecnologie di visualizzazione hanno un ruolo da giocare. Le tecnologie Tft, ovvero I transistor a film sottile e gli Lcd, ovvero I cristalli liquidi, hanno avuto beneficio da un programma di costante evoluzione nel corso degli ultimi trent’anni, pilotato dall’utilizzo in monitor per computer, Tv a schermo piatto e, più recentemente, smartphone. Fino a pochi anni fà un televisore ad alta definizione a 40 pollici era uno status symbol, mentre oggi è cosa normale avere in tasca un display con la stessa risoluzione di 1920 x 1280 pixel. Gli attuali Lcd sono in grado di coniugare vasta gamma di colori, bassi tempi di refresh, altissima risoluzione e pixel estrmamente piccoli. Gli Lcd sono però penalizzati dal costo, che nel contesto IoT è rappresentato dal consumo di potenza. Questo è dovuto essenzialmente alla retroilluminazione che fornisce la luce che viene modulata dagli otturatori a cristalli liquidi prima di giungere all’osservatore, e dall’energia necessaria al regolare refresh del display. I Tft Lcd sono appropriati all’utilizzo in una categoria di dispositivi per IoT diversa da quelle per cui sono indicati gli e-paper: principalmente dove è disponibile la connessione alla rete elettrica, o dove l’utente è costretto a caricare giornalmente i dispositivi, come gli indossabili, sebbene non sia in discussione in questa sede il bilanciamento tra l’utilità di un display più costoso e l’inconveniente di una ricarica più frequente. Le enormi quantità di Lcd che sono state prodotte negli ultimi trent’anni hanno determinato le economie di scala che hanno reso i Tft Lcd attraenti per l’impiego anche in dispositivi economici. Non importa se per il loro pilotaggio è necessaria la presenza di una circuiteria che comprende memoria video, Mcu relativamente potenti, controller Lcd e inverter per la retroilluminazione ma tutto ciò va ad incrementarne il costo, al confronto con gli e-paper. Inoltre, allo spessore dovuto alla retroilluminazione i Tft Lcd aggiungono anche la scarsa visibilità in applicazioni sotto la piena luce solare.

Oled, una tecnologia emissiva

Se nè gli e-paper nè gli Lcd rispondono pienamente alle esigenze della particolare applicazione IoT, una terza opzione è apparsa recentemente sotto forma di display a diodi emettitori di luce organici detto Oled, una tecnologia emissiva oggi già in uso in Tv di fascia alta, riproduttori di musica e smart watch. Gli Oled hanno miglior contrasto e, in teoria, miglior efficienza energetica degli Lcd, tanto da chiedersi se siano una buona scelta per applicazioni IoT. I display Oled si basano sulle proprietà elettroluminescenti di alcuni semiconduttori organici. Un display Oled è costituito da un sandwitch di questo materiale e un array di elettrodi, in modo tale che in seguito alla applicazione di una tensione, degli elettroni vengono depositati nello strato emettitore e rimossi dallo strato conduttivo. Alla rimozione di elettroni dallo strato conduttivo, restano dei buchi che vengono riempiti da elettroni dallo strato emettitore, dando il via all’emissione di luce. Vantaggio di questo approccio è la semplicità. Non c’è bisogno di retroilluminazione o di filtri polarizzanti come negli Lcd, e questo consente la realizzazione di display più sottili, più leggeri e con migliori caratteristiche ottiche. Negli Oled è anche possibile controllare la luminosità di ciascun pixel, cosa che rende possibile ottenere maggior purezza di nero e alto contrasto. Gli Oled non perdono luce, a differenza di un Lcd che lascia passare parte della retroilluminazione anche quando sarebbe auspicabile avere un nero perfetto. E la mancanza di filtri polarizzanti si traduce poi in un angolo di visuale più ampio rispetto agli Lcd. I materiali Oled possono essere depositati su substrati plastici per creare display flessibili utili per prodotti di forme particolari che possono far leva sulla novità in alcuni segmenti del mercato consumer. Comunque, la tecnologia Oled non è una panacea. I display Oled attualmente costano da 20 a 30% in più di similari Tft Lcd, il loro consumo è solo di poco inferiore, la visibilità all’esterno è la stessa o addirittura peggiore e la tecnologia ha problemi di durata. Altri inconvenienti comprendono una luminosità inferiore a quella di un Lcd retroilluminato, e la sensibilità del materiale organico all’acqua obbliga l’uso di costose tecnologie di incapsulamento. Inoltre l’aspettativa di vita degli Oled è inferiore a quella dei Tft Lcd.

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