IoT e wearable le tecnologie del futuro

EVENTI –

All’Embedded World 2014 di Norimberga fari puntati sulle soluzioni per l’Internet of Thinghs e sulle tecnologie indossabili.

È ormai noto a tutti, sviluppatori e produttori, che il 2014 sarà l'anno di Internet of Things e del wearable. All'Embedded World 2014, il noto evento annuale che si è tenuto a fine febbraio a Norimberga, cui l'ecosistema della tecnologia e delle applicazioni embedded è termometro del trend tecnologico e dell'innovazione, l'attenzione era tutta rivolta all'ormai noto fenomeno tecnologico dell'IoT e del wearable. Lo small form factor e l'integrazione system-on-chip emergono in maniera evidente nell'offerta tecnologica sia dei produttori di componenti, sia degli integratori di sistema, con un ormai evidente obiettivo di ottenere sistemi sempre più piccoli, sempre più indossabili, sempre più interconnettibili, sempre più localmente intelligenti. Le strategie per perseguire questi obiettivi sono varie, mentre i risultati sono sostanzialmente gli stessi, la riduzione delle dimensioni e dei consumi di energia con un corrispondente aumento della funzionalità.

Sempre più piccolo, sempre più indossabile

L'incredibile riduzione del package ottenuta da Freescale lo scorso anno con il Wafer Level Chip Scale Package Kinetis KL02 (1,9 x 2,0 mm) è ora superata dalla stessa Freescale con il nuovo KL03 (1,6 x 2,0 mm). Pur essendo il 15% più piccolo nelle dimensioni, il KL03 integra una funzionalità maggiore del KL02. Oltre ad essere ideale per le applicazioni ultra embedded come quelle indossabili, è anche particolarmente ottimizzato per soddisfare i requisiti applicativi di Internet of Things, che a livello periferico richiede più intelligenza, meno consumo e ridottissime dimensioni.
Internet of Things è un enorme contesto di possibilità applicative in continua evoluzione in quanto alimentato dall'altrettanto continua evoluzione della tecnologia del computing embedded e di tutto quello che ruota intorno al computing, come per esempio i sensori e tutto quanto fa sistema intorno ai microcontrollori.
La Mcu Kinetis KL03 è basata sul core Arm Cortex M0+ e una serie di funzionalità avanzate come i file di registri e i pin di wake up a bassa potenza. La disponibilità on-chip di un boot loader basato su Rom consente al dispositivo di essere programmato alla produzione, ma anche aggiornato in campo.

Small form factor per i microcontrollori a 8 bit

Le piccolissime dimensioni (leadless DFN x 3mm package, 70% più piccolo di un Soic) e i ridottissimi consumi (20 nA sleep e 35 µA/MHz attivo) sono le peculiarità della famiglia PIC12(L)F157X di Microchip, che evidenziano la volontà di portare elevate funzionalità di microcontrollo in dimensioni e consumi sempre più ridotti e a bassissimo pin count (8 pin). La funzionalità è molto avanzata come i numerosi Pwm a 16 bit, le periferiche analogiche e le periferiche di comunicazioni seriale. Al Pwm si combina il Cwg (Complementary Waveform Generator) per creare unità di controllo half-bridge e full-bridge. Il Cwg genera forme d'onda con un controllo molto fine dei parametri, in particolare la polarità, la dead band e gli stati di spegnimento d'emergenza. Sia il Cwg che il Pwm sono periferiche indipendenti dal core, e quindi non producono carico computazionale aggiuntivo a quello del core stesso Questi microcontrollori sono particolarmente efficienti ed efficaci nelle applicazioni come l'illuminazione Led per interni ed esterni e la miscelazione di colori Rgb nei Led. Portare al livello hardware funzionalità normalmente affidate all'esecuzione software da parte della Cpu del microcontrollore, è una strategia particolarmente vantaggiosa, in quanto consente di mantenere l'architettura computazionale a bassa complessità (8 bit), pur eseguendo il dispositivo funzioni molto complesse, timing-critical e con caratteristiche anche concorrenti. Inoltre, integrando anche la funzionalità di rilevamento dei guasti hardware, questi dispositivi soddisfano anche lo sviluppo di applicazioni safety-critical.
La famiglia PIC16(L)F161X offre una varietà di caratteristiche chiave, che comprende il wwdt (Windowed Watchdog Timer), che monitora il corretto funzionamento del software all'interno di limiti prefissati, incrementando l'affidabilità, la Cyclic Redundancy Check with Memory Scan, la scansiona la memoria per rilevare dati corrotti, un Hardware Limit Timer, che rileva condizioni di guasto hardware, compresi spegnimento e blocco, per semplificare applicazioni closed-loop-control.
Il PIC16(L)F161X dispone di un Signal Measurement Timer a 24 bit per misurazioni ad elevata risoluzione di qualsiasi segnale digitale, ideale in applicazioni di controllo della velocità, telemetria e indicatori di Rpm. Entrambi i timer consentono di ridurre la complessità progettuali, eliminando la necessità di codice aggiuntivo e componenti esterni. I PIC16(L)F161X sono le prime Mcu PIC che integrano la funzione di Zero Cross Detect hardware, essenziale per semplificare il controllo di Triac e aumentare la solidità di sistema minimizzando le interferenze elettromagnetiche causate da transienti di commutazione. Risultano integrati anche un Cwg, i comparatori, Adc 10 bit, Dac 8 bit e i Pwm Capture/Compare, che consentono flessibilità di progettazione e la riduzione dei costi generali. Il Cwg può generare forme d'onda complementari con controllo fine dei parametri chiave, come polarità, dead band e stati di spegnimento d'emergenza. Esso fornisce una soluzione economica per il controllo del pilotaggio half-bridge e full-bridge, facendo risparmiare sia spazio su scheda che componenti e i relativi costi per pilotare i Fet per il controllo motore e la conversione di potenza. Tutta questa funzionalità è stata incapsulata in package di piccolo fattore forma, da 8 a 14 pin.

Single chip per le applicazioni healthcare

Analog Devices sviluppato un single chip estremamente innovativo capace di supportare un'intera applicazione di healthcare portatile, il system-on-chip ADuCM350. Questo dispositivo integra sia la funzionalità di elaborazione numerica del segnale bielettrico, sia la funzionalità di elaborazione analogica del segnale, oltre alla parte mixed-signal. ADuCM350 integra un sofisticato front-end analogico a 16 bit di accuratezza dotato di una matrice di commutazione programmabile delle connessioni ai sensori, che lo rende particolarmente flessibile rispetto alla natura dell'applicazione. Grazie a questo sofisticato Afe, è possibile connettere sia sensori passivi che attivi e implementare sofisticate tecniche di data fusion che rendono le applicazioni particolarmente robuste in presenza di interferenze. La capacità di misura della componente di impedenza passiva, consente la misura molto dettagliata di informazioni di natura fisiologica, biologica e di reazione elettrochimica a livello dei sensori. Questa capacità, unita a quella del sensor fusion permette di ottenere, in dispositivi indossabili, livelli di affidabilità della misura bioelettrica paragonabili a quelli offerti dalla strumentazione clinica, a costi enormemente inferiori. A questa affidabilità contribuisce anche la tecnologia di misura digitale della capacità che consente di verificare la presenza del contatto tra pelle ed elettrodo. Infine, l'autocalibrazione che garantisce misure accurate e ripetibili. On-chip è integrato anche un generatore di forme d'onda e un processore dedicato al calcolo della trasformata discreta di Fourier, entrambe operazioni computazionalmente intensive e ricorrenti in tutte le applicazioni di misura e controllo dei parametri fisiologici. Oltre questi processori di segnale digitale, il chip integra un processore Arm Cortex M4 a 16 MHz dotato di 384 kbyte di memoria flash, 16 kbyte di memoria Eeprom e 32 kbyte di Ram statica. La ricca dotazione di periferiche di comunicazione (Usb, audio, display, beeper e seriale) rende il dispositivo un sistema completo che non richiede ulteriori componenti per realizzare applicazioni anche molto complesse con un livello di embedding estremo (wearable) da tutti i punti di vista, dimensionale (il package misura 8 x 8 mm), energetico (alimentabile con una batteria a bottone) e dei costi.

Un programma per gli sviluppatori di applicazioni IoT

Intel ha presentato un ampio programma destinato agli sviluppatori (hobbisti, studenti, imprenditori, ecc.) di applicazioni per Internet of Things, inteso a rendere rapido lo sviluppo dell'applicazione. Il programma include il kit di sviluppo basato su Galileo, il Global Hackthon Challenge con un premio da 1 milione di dollari, un roadshow in 20 città con distribuzione di 5000 kit, il supporto di corsi universitari e la costituzione di una comunità on-line per imparare, costruire e condividere. Il kit di sviluppo per IoT Galileo è il primo di una serie di kit di sviluppo di Intel che include strumenti per passare dalla prototipazione all'applicazione commerciale basandosi su un unico framework di sviluppo: Yocto Application Developer Toolkit, Intel System Studio, VxWorks di Wind River, il Workbench di Wind River e la scheda di sviluppo Galileo di Intel compatibile Arduino.

Multi-touch avanzato e riconoscimento dei movimenti

FTDI Chip ha arricchito la piattaforma EVE (Embedded Video Engine) con il nuovo circuito integrato FT801, che permette di realizzare display intelligenti dotati schermi tattili capacitivi. Il nuovo FT801, oltrea a possedere la stessa funzionalità del primo dispositivo EVE, il modello FT800, ha una serie di funzioni aggiuntive di visualizzazione, di audio e di touchscreen, con l'elemento tattile capacitivo fornito attraverso un'interfaccia I²C collegata a un controller tattile capacitivo. Il chip FT801 aumenta la luminosità, l'interattività e la brillantezza grazie alla tecnologia touchscreen capacitiva.
FT801 supporta schermi tattili fino a 512 x 512 pixel utilizzano un approccio orientato agli oggetti, con immagini tracciate linea per linea a una risoluzione di 1/16 di pixel. Ciò consente di realizzare sistemi semplificati in cui non occorrono frame buffer e in cui è possibile utilizzare microcontrollori di fascia bassa a 8 bit o a 16 bit. Il risultato finale è una consistente riduzione dei costi dei materiali utilizzati e dello spazio occupato sul circuito stampato, con sistemi facili da progettare e di rapida messa in produzione, ed enormi possibilità di miniaturizzazione delle applicazioni che richiedono funzionalità di visualizzazione di alta qualità in condizioni di embedding estremo. FT801 si collega a un controller tattile capacitivo tramite un'interfaccia I²C e supporta le funzioni multi-touch che permettono di rilevare simultaneamente 5 punti di tocco indipendenti. Ciò consente di realizzare in maniera semplice interfacce uomo-macchina nelle quali possono contemporaneamente interagire più persone o, in alternativa, possono essere riconosciuti una ampia varietà di gesti manuali complessi. Il sofisticato motore hardware del circuito integrato può riconoscere singoli punti di contatto tenendo traccia dei movimenti e inviando notifiche relative a fino a 255 punti di contatto.

Sistemi operativi per IoT
Wind River ha sviluppato una piattaforma di sistema operativi real-time modulare e scalabile, VxWorks 7, capace di operare con un'ampia base di dispositivi connessi, dal dispositivo wearable al sistema di rete, con l'obiettivo di soddisfare i requisiti applicativi dell'emergente mercato di applicazioni per IoT. VxWorks 7 è modulare, comprende un set di funzionalità orientate alla sicurezza dei dati e del sistema, alla sicurezza per applicazioni critiche come quelle mediche, industriali, trasporti, aerospaziali e difesa. È inoltre scalabile in quanto costituito da un microkernel e un kernel standard, quindi modellabile dalle piccole dimensioni di un sistema wearable a quelli di un grosso dispositivo di rete. Infine, il supporto di un'apia gamma di standard di connettività e di grafica consente allo sviluppatore di disporre della necessaria funzionalità richiesta dai sistemi orientati a IoT.

L'automotive si avvicina all'elettronica di consumo

Mentor Graphics, con la sua piattaforma Embedded Automotive Technology per lo sviluppo di applicazioni di infotainment in-veicle basate su Linux, ha creato i presupposti tecnologici per la creazione di interfacce utente e interfacce macchina che si avvicinano al modello cui l'utilizzatore è familiare per quanto riguarda l'elettronica consumer. Considerando la natura delle applicazioni automotive, una delle peculiarità dell'approccio di Mentor Graphics sta nella completezza e adeguatezza della strumentazione di sviluppo, in particolare il Mentor Embedded Sourcery Analyzer per profilare l'intero sistema di in-veicle infoteinment (per esempio, fast boot e graphic performance). La nuova release di Genivi (5.0) include il supporto del framework grafico per X11 e Wayland, il supporto di Gpu e un package di strumenti per QT 5.0 (visuali, di analisi interattiva della fluidità della UI, dei tempi di startup, di latenza e dell'attività Qml). Tra le piattaforme di computing di riferimento, Omap5 e l'imminente Jacinto 6, particolarmente ottimizzate per la grafica e le prestazioni richieste nei sistemi di infotainment di prossima generazione. Altre piattaforme di riferimento sono i.MX6 di Freescale e Marzen H1 di Renesas.

Un nuovo approccio alla modellazione rapida

Le applicazioni embedded sono sempre più complesse e utilizzano dispositivi elettronici la cui complessità è in continua crescita e allo stesso tempo i requisiti di progettazione richiedono la prototipazione in tempi molto brevi. Le applicazioni real-time e soprattutto quelle che implicano l'elaborazione digitale del segnale, aggiungono un ulteriore livello di complessità per la necessità di dimostrare la validità e l'efficienza di complessi algoritmi di matematica del segnale su dati reali e in ambienti fisici. L'introduzione del concetto di System Objects da parte di Mathworks ha posto le basi per l'estensione del concetto di prototipazione rapida alla modellazione. I System Toolboxes mettono a disposizione dello sviluppatore una serie di algoritmi, anche molto complessi, sotto forma di System Objects, oltre che come funzioni Matlab e blocchi Simulink. I System Objects sono pensati proprio come moduli funzionali integrabili in applicazioni che implementano in maniera ottimizzata funzioni di elaborazione dei segnali molto complesse, come quelle richieste dalla computer vision, dall'image processing e dai sistemi di phased array. Dato che i system objects supportano automaticamente la generazione del codice C per piattaforme di computing standalone come il Pc e i sistemi embedded basati su processori application specific come i Dsp, è quindi possibile prototipare in maniera rapida applicazioni anche di grande complessità funzionale e con stringenti requisiti di real-time per eseguire i test in campo.

System-on-Chip per Internet of Things e wearable

Il controllo delle applicazioni orientate a Internet of Things e le applicazioni di natura wearable implicano funzionalità che attualmente sono disponibili solo integrati su scheda. Data la natura altamente embedded, tendenzialmente wearable, delle future applicazioni che faranno riferimento al modello di Internet of Things, il livello di integrazione su singolo chip è uno degli obiettivi primari che gli sviluppatori di silicio vogliono perseguire e che gli sviluppatori si attendono di vedere disponibili al più presto. Le tre funzionalità fondamentali che idealmente lo sviluppatore desidererebbe integrati su un unico chip sono il sottosistema Rf, il motore di elaborazione e il sottosistema sensoriale. Silicon Labs ha appena introdotto un mocrocontrollore ad architettura Arm M3, denominato Ember EM358x, dotato di funzionalità wireless ZigBee, a bassissimo consumo di potenza ed elevatissima affidabilità, cioè tre requisiti fondamentali per le applicazioni orientate a IoT. Ha anche realizzato su singolo chip un sensore digitale di intensità di ultravioletto. Anche se non si tratta di un singolo chip, questi due chip insieme integrano decine di componenti che assemblati su scheda e quindi consentono di soddisfare i requisiti fondamentali delle applicazioni wearable e IoT. Tra le principali caratteristiche oltre al core Arm Cortex M3, Ember integra il 2.4 GHz Ieee 802.15.4 RF transceiver, fino 512 kB di memoria flash, fino a 64 kB di Ram e il supporto hardware a livello di rete del debugg. Una delle caratteristiche importanti di questi microcontrollori SoC per IoT è l'aggiornabilità del firmware in campo. La capacità integrata di bootloading consente di eliminare completamente la memoria di boot esterna e in tal modo di ridurre i costi sia di sistema e di manutenzione dell'applicazione nel tempo, considerando che tale tipologia di applicazioni richiede durate di anche oltre 20 anni. I sensori SoC di indice ultravioletto Si1132 e Si114x sono una soluzione ideale per le applicazioni wearable in quanto implementano in un package di solo 2 mm x 2 mm un intero sottosistema di misura, il fotodiodo sensibile agli ultravioletti, un microcontrollore per eseguire in firmware sofisticati algoritmi di signal processing e un convertitore analogico-digitale. Combinando per esempio questo sensore UV con un accelerometro, è possibile implementare sistemi di misura non invasiva di parametri fisiologici in applicazioni di monitoraggio. Il sensore UV di Silicon Labs è in grado di misurare la luce visibile e quindi adatto per applicazioni in cui l'informazione viene anche dal campo del visibile. In generale è un sensore che si presta a svariate applicazioni di natura contactless, tra cui il gesture sensing tridimensionale. Il bassissimo consumo di potenza elettrica consente di realizzare dispositivi ultra sottili in quanto alimentabili con batterie di piccolissime dimensioni.

Energia indossabile

Nelle applicazioni ultra-embedded, come quelle wearable, l'energia rappresenta una delle principali problematiche che gli sviluppatori cercano di risolvere ricorrendo a tecnologie come l'harvesting e la miniaturizzazione delle batterie. Ma le batterie ricaricabili o i supercondensatori, malgrado le piccole dimensioni, rappresentano comunque uno dei componenti più sfavorevoli alla riduzione delle dimensioni dei sistemi embedded, vanificando in parte l'eccezionale riduzione delle dimensioni che si stanno ottenendo con i system-on-chip, prossimi ad essere incapsulati in package dell'ordine del millimetro quadrato. La risposta alla problematica dell'energia per i sistemi ultra-embedded sta nella microelettronica, cioè nell'energia allo stato solido. Cymbet ha realizzato EnerChip, una batteria allo stato solido disponibile sia incapsulato in un package a montaggio superficiale oppure sotto forma di die. Sono batterie ricaricabili di 8 x 8 mm nella versione incapsulata e di 5.7 x 6.1 mm nella versione die.
La capacità di corrente è di 50 microAmpere/h a 3.8 volt con un Lifecycle Capacity di 25 mAh. La ricarica è semplice e veloce, in quanto è possibile tramite una connessione diretta a una fonte di tensione a 4,1 volt, senza necessitare di componenti che limitano la corrente. Il tempo di ricarica è di 20 minuti per l'80% di capacità. I cicli di carica/scarica sono dell'ordine del migliaio. Cymbet ha realizzato diversi livelli di integrazione di questa tecnologia di storage energetico allo stato solido, tra cui il sottosistema di gestione dell'alimentazione. Una versione integrata è anche il Real-Time Clock che combina in un piccolissimo package di 3 x 3 mm, un Rtc e una batteria allo stato solido ricaricabile di 35 nA.

Fpga ultra-miniaturizzate per connettività wearable

La connettività e l'interfacciamento dei sistemi embedded, in particolare quelli ultra embedded come i sistemi indossabili, è forse il principale problema che richiede una soluzione ottimale, considerando la molteplicità e la complessità delle modalità di interfacciamento dei sistemi. La soluzione Fpga è quella più flessibile considerando il fondamentale vantaggio della programmazione dell'hardware. Ovviamente piccole dimensioni e bassi consumi non sono proprio tipici dei dispositivi Fpga, ma recentemente importanti progressi sono stati ottenuti proprio in questa direzione.
Lattice, per esempio ha realizzato una Fpga di solo 2,5 x 2,5 mm e 0,4 mm di spessore, la MachX03 36WLCSP, un chip Fpga wafer level, parte di una famiglia di Fpga di piccolissime dimensioni (da 2,5 x 2,5 mm fino a 0,6 x 0,6 mm), che integrano da 640 a 6900 Look-up table, fino a 325 I/O, I2C e Spi hardware. Un esempio è la Hoc (Human-machine interface-On-Chip) realizzata da Mikroprojekt, basata sulla Fpga di Lattice. La Fpga gestisce il driving del display Tft, il rendering della grafica, la gestione del touchscreen e tutta l'interfaccia, senza quindi l'utilizzo di un sistema operativo e di tutto quanto implica la complessità della grafica.

32 bit al costo degli 8 bit

La compattezza delle applicazioni embedded è un requisito primario, ma le prestazione e la funzionalità di tali applicazioni è enormemente cresciuta negli ultimi anni, tanto da richiedere architetture di computing più avanzate di quelle offerte dai microcontrollori a 8 bit. L'architettura Arm a 32 bit è diventata ormai un riferimento per gli sviluppatori e averla a disposizione per le applicazioni embedded a un costo paragonabile a quello dei microcontrollori a 8 bit è senza dubbio un grosso incentivo, soprattutto se il packaging è particolarmente compatto, come quello realizzato da Infineon, il Vqfn (Very Thin Quad Flat No Leads) per la famiglia di microcontrollori XMC1000. Il package misura solo 4 x 4 mm, ma la funzionalità è ampia, da 8 kbyte a 200 kbyte di Flash scalabile, Aes 128 bit secure loader per la protezione della IP del software, controllo del colore dei Led, core Arm Cortex M0 a 32 MHz, periferiche mixed-signal, coprocessore matematico a 64 bit, comparatori veloci (30 ns), controllo touch e Led display.

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