Internet of Things per tutti i gusti

Embedded World 2017, la più importante rassegna internazionale dell’elettronica e dei sistemi embedded, tenutasi come da tradizione a Norimberga, ha fotografato in maniera emblematica il trend di sviluppo di questo settore primario dell’elettronica. Tutto il mondo dell’elettronica embedded è concentrato nello sviluppo di dispositivi e sistemi che consentono l’implementazione di servizi e applicazioni nel contesto dell’emergente tecnologia della comunicazione di rete Internet of Things. Tutte le tecnologie embedded sono tecnologie abilitanti delle applicazioni IoT, sia che attengano alla componente sensoriale, sia che attengano a quella della connettività, sia che attengano al paradigma computazionale.

Indossabili off-the-shelf

La tecnologia microelettronica embedded più avanzata è senza dubbio quella finalizzata alle applicazioni wearable in quanto affronta le sfide più ardue: dimensioni millimetriche, consumi di potenza elettrica infinitesimali, capacità computazionali estreme. Il campo applicativo che maggiormente è interessato a questa tecnologia è quello dell’e-health, e del medicale in generale. La tecnologia elettronica abilitante per il wereable è quella analogica in quanto le applicazioni fanno riferimento a informazioni di segnale che esistono nel mondo fisico-biologico sotto forma di segnali che si manifestano in contesti spesso rumorosi o di difficile accessibilità, quindi che richiedono elettronica analogica di alta precisione, come gli amplificatori da strumentazione ed elettronica analogica di condizionamento del segnale integrata in chip di piccolissime dimensioni. Le tecnologie che convergono verso le applicazioni indossabili sono quelle del motion sensing, della misura dell’impedenza corporea, della misura ottica di stati fisiologici, della misura dei segni fisiologici vitali, ecc. Analog Devices è da molto tempo finalizzata allo sviluppo di dispositivi analogici ad elevate prestazioni come gli analog front-end e i sensori con particolare attenzione al campo applicativo del wearable e del e-health. L’AD8233 di Analog è un analog front-end finalizzato all’implementazione di dispositivi indossabili per il fitness per il monitoraggio del ritmo cardiaco, per la realizzazione di dispositivi di monitoraggio elettro cardio grafico remoto e portabile, per l’integrazione su smartphone, e per l’integrazione nei giochi per l’interazione fisica con la macchina. L’Afe AD8233 oltre ad essere un complesso di circuiti analogici di alta precisione ed efficienza per la misura di segnali bioelettrici, è anche un circuito elettronico analogico a elevata integrazione incapsulato in un package di solo 2,0 x 1,7 mm, quindi particolarmente adatto a soddisfare i requisiti implementativi delle applicazioni wearable. L’elevata densità funzionale che questo dispositivo racchiude in un package così piccolo è l’aspetto più interessante, considerando che l’equivalente funzionalità richiederebbe un Pcb di diverse decine di centimetri quadrati di superficie per essere implementato in maniera equivalente. Analog è stata tra i primi a sviluppare sensori ottici integrati su modulo per la misura ottica di parametri fisiologici legati al sistema cardiovascolare per l’implementazione di strumenti per la Ppg (Photoplethysmography), un metodo basato sulla misura delle variazioni in pressione e volume del sangue che utilizza una sorgente di luce e un fotosensore per quantificare i parametri correlati al sistema respiratorio e cardiovascolare. La tecnica della fotopletismografia è vantaggiosa in quanto non invasiva perché non richiede l’applicazioni di elettrodi metallici sul corpo del soggetto e quindi è particolarmente indicata per la realizzazione di sistemi indossabili per il monitoraggio di segnali fisiologici vitali. Grazie alla realizzazione integrata in moduli di piccolissime dimensioni, rispetto alla realizzazione discreta dei sistemi di fotopletismografia c’è un’enorme vantaggio implementativo, per esempio per la disponibilità in un singolo componente di un’ampia varietà di sorgenti di luce alle necessarie lunghezze d’onda richieste da tale tecnica di misura, e l’eliminazione del sistema di lenti richieste nella implementazione discreta. Il modulo ADP105/6 di Analog è un multifunction Afe a 4 canali, dotato di 3 driver di Led programmabili da 8 mA a 250 mA. Grazie a questa implementazione integrata l’Afe ottico ADP105/6 evidenzia un rapporto segnale rumore maggiore di 90 dB, e un’elevata capacità di rigetto dell’a luce ambiente, Il campionamento varia da 0,1 a 3,8 kHz e ha una risoluzione flessibile a 27 bit. consuma solo 0.1 µA in stand-by e dispone di interfaccia I2C e Spi. Analog ha dimostrato l’elevato livello di embedding dei suoi dispositivi in un demonstrator emblematico. Un sistema indossabile a forma di orologio capace di eseguire molteplici misure fisiologiche, Eeg, Ppg, temperatura, prossimità, stress, ossimetria.

Interfaccia sensori con Mcu embedded

Il circuito integrato LX3301A è una delle interfacce smart sensor di Microsemi progettate specificamente per sensori induttivi che sono basati sui principi di trasformazione lineare differenziale variabile. La peculiarità di questo dispositivo è quella di integrare due canali analogici completi, l’oscillatore, un processore Risc a 32 bit, una memoria non volatile, e uscite Pwm e analogiche. La Mcu elabora le misure a 13 bit eseguite dal convertitore provenienti dal sensore, opportunamente condizionate e demodulate. Fornendole in uscita con un’accuratezza di 12 bit come misura lineare analogica oppure a 13 bit digitale Pwm. La memoria interna non volatile consente la memorizzazione della configurazione dell’intero circuito integrato, inclusa la calibrazione. Allo scopo di poter configurare la memoria non volatile viene utilizzato il pin di alimentazione Vin, che consente la configurazione in maniera semplice senza ulteriori pin di programmazione. La peculiarità di questo circuito integrato di interfaccia sensori sta proprio nella Mcu embedded dotata di ben 12 kbyte di memoria di programma, e del doppio Adc a 13 bit capace di campionare a 2 kHz. Inoltre l’algoritmo di linearizzazione consente all’utilizzatore di definire 5 punti di linearizzazione e il punti di origine e fine. Il circuito integrato LX3301A è ottimale nelle misure meccaniche di movimento (lineari, angolari, prossimità) in ambito automotive, industriale aerospaziale e consumer.

Internet of Display

Ogni dispositivo elettronico sarà dotato di connettività a Internet e di un display con funzionalità touch e grafica tanto da conferire al display il ruolo di componente funzionale importante dei sistemi embedded. Per cui il livello di integrazione che tale dispositivo offre diventa un fattore competitivo importante per gli sviluppatori di sistemi embedded. 4D Systems ha sviluppato una soluzione che integra in maniera innovativa e avanzata la componente hardware e quella software del display come sottosistema funzionale intelligente per consentire allo sviluppatore di ottenere e integrare nell’applicazione finale con semplicità e immediatezza una interfaccia grafica ad alto livello, riducendo il tempo di sviluppo da mesi e settimane a poche ore. La serie Gen4 di display intelligenti è stata sviluppata per applicazioni IoT, dotando tali display di funzionalità touch integrata e connettività Wi-Fi. I display della serie Gen4 sono disponibili in vari formati. Tutti hanno la risoluzione di 240 x 320 pixel, adatti quindi a soddisfare i requisiti applicativi di sistemi portatili connessi a Internet. I moduli sono basati sul SoC ESP8266 di Espressif, capace di gestire sia l’elaborazione grafica sia la connettività Rf. La progettazione dell’interfaccia grafica basata sui display Gen4 utilizza l’Ide Workshop4 oppure Arduino Ide per cui è possibile utilizzare la tecnica di programmazione Drag & Drop per assemblare in pochi passi una complessa interfaccia grafica per l’applicazione. Il modulo Gen4 IoD può essere programmato come un modulo Arduino, utilizzando la libreria 4D Systems GFX4D.

Una piattaforma con funzione di IoT Hub

Bridgetek ha sviluppato una interessante piattaforma che svolge la funzione di IoT Hub, utilizzando la tecnologia delle Mcu serie FT900 di Ftdi e la tecnologia dei controller grafici multimediali della serie Eve di Ftdi. La piattaforma di Bridgetek è la Mcu FT930 Super Bridge, capace di creare un bridge Usb per controllare 4 periferiche Quad Spi tramite hardware D2xx di Ftdi. PanL Smart Home Platform è un sistema di progettazione rapido per applicazioni IoT in ambito di automazione domestica che supporta vari protocolli di rete Ethernet, Wi-Fi, Bluethoot Smart e ZigBee per creare applicazioni che in ambito domestico controllano sistemi e sensori per esegure processi di controllo su preset o eventi, interagire in modalità IoT con la rete Internet e con App di terze parti. La piattaforma consiste di un display da 7’’ integrato con il controller grafico e il controller FT930 Super Bridge. La versione PanL35, è basata su un display a colori Tft da 3.5”, incapsulato in un contenitore di metallo e in un formato compatibile con l’alloggiamento standard degli interruttori domestici. PanL35 ha la capacità di estendere la sua funzionalità hardware con una telecamera, un microfono, un altoparlante, un sensore di movimento, un sensore di luminosità ambientale, un sensore di temperatura e di umidità

Human Machine Interface

L’interfaccia uomo-macchina in tutti gli ambiti applicativi svolge un ruolo determinante per il successo dell’applicazione, soprattutto in ambiti particolarmente impegnativi come quello automotive. La tecnologia embedded in questo caso è il fattore abilitante delle applicazioni, in quanto capaci di rendere effettive le soluzioni applicative. Un caso emblematico è l’utilizzo di Hmi biometriche in ambito automotive, ove i requisiti applicativi sono particolarmente stringenti, sia in termini di funzionalità, sia in termini di modalità applicativa. L’utilizzo dell’impronta digitale per l’accesso all’automobile è una problematica applicativa in ambito automotive da tempo tentata senza successo, anche se molto attesa. Synaptics ha sviluppato la tecnologia Natural ID che consente una rapida integrazione dell’interfaccia naturale basata sull’impronta digitale e la misura di informazioni biometriche come la gestualità, la durata del contatto e l’intensità del contatto. Grazie a questa combinazione di informazioni altamente sicure anche grazie ad un sofisticato sistema di crittografia, un contesto altamente automatizzato come quello dell’automobile, può essere personalizzato e dotato di servizi per esempio negli autoveicoli in noleggio. Il vantaggio dell’interfaccia naturale, oltre a quello della sicurezza sta anche nella flessibilità, nel non indurre alla distrazione il guidatore, e non richiedere a questo un particolare impegno nel relazionarsi con il sistema. I sistemi di cattura e riconoscimento dell’impronta digitale non sono una novità. Sicuramente per lo sviluppo dei sistemi embedded è una importante novità l’integrazione della componente sensoriale (cattura dell’impronta) con il conseguente processo di riconoscimento e protezione del dato biometrico. I sensori di impronta digitale Natural ID integrano la tecnologia SentryPoint che rende sicuro il dispositivo e la relativa applicazione relativamente ai dati biometrici. Grazie alla tecnologia di cattura dei dati biometrici e di sicurezza del trattamento di tali dati, è possibile implementare applicazioni che utilizzano la connettività di rete per rendere disponibili servizi fruibili dal guidatore mentre è alla guida dell’autoveicolo in completa sicurezza (sia di guida che di riservatezza).

IoT Smart Connection

Lemonbeat ha sviluppato lo Smart Device Language, un modello di programmazione che consente di integrare e far interagire dispositivi diversi su Internet. Il kit di sviluppo consente di integrare più sensori e attuatori in un contesto di applicazione finale, di scrivere il codice dell’applicazione e verificarene il funzionamento. Il kit consiste di due schede di sviluppo e di un dongle di configurazione Usb. La scheda principale è dotata di un microcontrollore di Silicon Labs, basato su un core Arm Cortex-M3, che integra un transceiver sub-gigahertz per il collegamento fisico di smart device. Il kit è supportato da Lemonbeat Studio, un ambiente di sviluppo software che può essere utilizzato per configurare la modalità di interazione dei dispositivi che eseguono LsDL.

Il ruolo della memoria embedded

La memoria è un fattore chiave dell’efficienza funzionale delle applicazioni embedded, sia dal punto di vista dimensionale, sia dal punto di vista funzionale. La non volatilità e l’accesso veloce paragonabile a quello delle Ram sono le due proprietà essenziali della memoria embedded. La tecnologia delle memorie Flash è attualmente quella più utilizzata anche se le caratteristiche di tempo di ritenzione dei dati non sono soddisfacenti per i requisiti dei sistemi embedded industriali e automotive. Altre tecnologie di memorizzazione non volatile sono state esplorate e industrializzate come le Mram (basate su un processo di memorizzazione magnetico allo stato solido). Le Mram garantiscono un tempo di ritenzione dei dati superiore a 20 anni, sono veloci (meno di 35 ns per la lettura o scrittura in modalità simmetrica), durata illimitata, integrabilità Cmos, elevata affidabilità anche a temperature elevate. Everspin ha fatto delle Mram la tecnologia di memoria di riferimento per i suoi moduli di memoria di elevata densità per sviluppatori Oem in contesti applicativi industriali, automotive e di rete. Nel contesto di rete IoT la non volatilità e la lunga durata sono le principali peculiarità che rendono le Mram una tecnologia abilitante, in applicazioni che richiedono un accesso intermittente e asincrono ai dati del nodo sensoriale, in applicazioni ove i periodi di stand-by sono frequenti ed è richiesta un’attivazione istantanea del processo in stand-by, in applicazioni ove la batteria non è in grado di alimentare costantemente la memoria. Le Mram e i relativi moduli hanno queste caratteristiche e consentono la scrittura immediata dall’attivazione.

Tag dinamici con interfaccia I2C ed energy harvesting

La tecnologia dell’identificazione automatica passiva basata sullla Rfid ha portato allo sviluppo di dispositivi per la connettività passivi particolarmente ricchi di funzionzionalità e di possibilità applicative che si riassumono nell’Nfc (Near Field Communication). La tecnologia Nfc si è molto evoluta dalla sua introduzione e oggi può essere considerata tecnologia abilitante per le emergenti applicazioni IoT. La nuova serie di tag dinamici Nfc/Rfid ST25 di STMicroelectronics è l’esempio più evoluto che integra varie funzionalità che consento a questo dispositivo di implementare in maniera completa un nodo in un contesto di applicazione di rete IoT. Il banco di memoria non volatile fino a 64kbit Eeprom accessibile sia in modalità wireless, sia in modalità wired, conferisce a questo dispositivo la capacità di tenere on-chip informazioni complesse e strutturate, come necessario nelle applicazioni relative alla strumentazione medicale, all’elettronica di consumo e alla logistica. Inoltre la capacità di proteggere i dati tramite un sistema di password multiple a 64 bit. Il trasferimento rapido dei dati è garantito da un buffer aggiuntivo da 256 kbyte tra Rf e I2C. Il dispositivo Nfc ST25 è alimentato completamente in modalità harvesting ed è a basso consumo energetico.

Ultra low power per dispositivi portatili

La nuova Mcu K27/K28 di Nxp Semiconductor, basata su core Arm Cortex M4 è intesa a soddisfare i requisiti applicativi sempre più stringenti dei sistemi embedded portatili dotati di display. Questa nuova Mcu è in grado di operare alimentata a batteria, con una dotazione embedded di Ram statica di 1 MB e 2 MB di memoria Flash. Le caratteristiche di basso consumo, ampia memoria, ed elevata potenza di elaborazione consentono di implementare con tale Mcu applicazioni molto avanzate e innovative in ambito IoT, smart home, wearable e portatili in generale. La Mcu K27/K28 è supportata dalla piattaforma di sviluppo a basso costo FRDM-K28F, dotata di tutte le risorse di sviluppo necessarie alla progettazione e prototipazione di un’applicazione embedded.

Il suono del silenzio

L’audio in ambito automotive sta suscitando molto interesse da parte degli sviluppatori. Dopo le applicazioni di successo come i sistemi di riduzione del rumore nell’abitacolo e il controllo personalizzato dell’ascolto audio nell’autoveicolo, ora la nuova frontiera è il sistema di allerting acustico dei veicoli. Il passaggio dal motore a combustione (rumoroso) a quello elettrico (silenzioso), ha fatto emergere una nuova problematica relativa alla sicurezza: se da una parte il rumore autoveicolare è decisamente più basso con i motori elettrici, a tutto vantaggio dei pedoni relativamente alla diminuzione dello stress acustico, dall’altra parte i pedoni sono suscettibili del rischio di non percepire la presenza di un autoveicolo fuori dal loro campo visivo, aumentando in tal modo il rischio di essere investiti accidentalmente (ciò rappresenta un fattore di rischio sia per i pedoni, sia per tutti gli utenti della strada, in particolare i ciclisti). Data l’importanza e rilevanza di questa problematica, la legislazione dei vari paesi si sta adoperando, tanto che da settembre 2019 sarà attiva in Europa e negli Usa una specifica legislazione concernente i requisiti di segnalazione acustica che dovranno avere gli autoveicoli a propulsione elettrica per garantire gli standard di sicurezza verso i pedoni. Mentor si è impegnata su questa problematica sviluppando un sistema di sintesi audio che utilizzando la posizione della farfalla del carburatore per i motori a combustione o la misura del numero di giri al minuto dei motori elettrici, sintetizza un suono che in maniera realistica dà al pedone la sensazione della presenza di un autoveicolo. Il sistema denominato Avas (Acoustic Veicle Alert System) utilizza un Dsp della famiglia SigmaDsp di Analog per eseguire in real-time la sintesi audio digitale del suono richiesta da questo nuovo standard di sicurezza in ambito automotive.

Mcu industriali

La Mcu ha un ruolo fondamentale per lo sviluppo delle applicazioni di controllo industriale, in quanto, con le sue caratteristiche di programmabilità e la sua caratterizzazione di system-on-chip offre allo sviluppatore un’ampio spettro di possibilità implementative. Di consenguenza i requisiti applicativi delle Mcu in ambito industriale diventano sempre più stringenti, soprattutto quelli di natura real-time. Infineon ha posto particolare attenzione a questa problematica sviluppando la famiglia di Mcu XMC di Infineon. I microcontrollori della famiglia XMC sono basati sul core Arm Cortex-M e una serie di periferiche application specific per il controllo dell’illuminazione, il controllo motore e la conversione di potenza. Sono dotati di acceleratore hardware per garantire le necessarie prestazioni real-time. L’XMC4000 è un microcontrollore di ultima generazione basato su core CorteX M4 a 144 MHz e dotato di 2 MB di Flash on-chip. Questa Mcu è altamente performante in ambito industriale per applicazioni di controllo motore, misura della posizione, controllo dell’interfaccia uomo-macchina, per l’implementazione dei controllori logici programmabili e per il controllo di reti leggere.

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