Più facile progettare dispositivi indossabili

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La domanda di dispositivi indossabili sta crescendo rapidamente, anche grazie ai vantaggi promessi dalla loro tempestiva capacità di raccogliere, analizzare e utilizzare dati medicali e ambientali. Molte persone già oggi indossano orologi, occhiali, vestiti, cuffie e gioielli, ma l’integrazione all’interno di questi prodotti di nuovi sensori a valore aggiunto promette un’ulteriore salto di qualità in termini di design e funzionalità. Sebbene il mercato sia praticamente ancora nella fase evolutiva iniziale, si stima che il valore annuo dei dispositivi indossabili aumenterà considerevolmente nel prossimo decennio e che per il 2025 raggiungerà i 70 miliardi di dollari, se le previsioni di IDTechEx si riveleranno corrette. Buona parte di questa crescita sarà dovuta alla domanda di dispositivi che offrano il giusto compromesso fra costo, aspetto e funzionalità. I dispositivi indossabili offrono tipicamente uno spettro di funzionalità che spaziano da quelle delle più semplici apparecchiature machine-to-machine a quelle degli smartphone di fascia alta. I dispositivi indossabili a singola funzione tipicamente non hanno indirizzo IP, funzionano tramite i protocolli di comunicazione Bluetooth Low Energy e hanno bisogno di uno smartphone che agisca da hub. Spesso integrano sensori per contare i passi, misurare le calorie bruciate e i battiti cardiaci, monitorare la qualità del sonno e localizzare la propria posizione via Gps. Questi dispositivi tipicamente non possono elaborare immagini e, anche quando la batteria è di piccole dimensioni, hanno un'autonomia che va dai 7 ai 14 giorni. Man mano che la complessità del dispositivo aumenta, la vita della batteria cala tipicamente a soli 1-2 giorni. Tra i dispositivi multifunzione di fascia più alta, vi sono i nuovi orologi e occhiali intelligenti. Questi apparecchi hanno tipicamente un proprio indirizzo IP e offrono un display grafico a colori con fotocamera. Al metà strada tra questi due estremi vi è il nuovo terreno di scontro nel mercato degli indossabili: un'area dominata dall’esigenza di avere un display a colori elegante e un sistema di riconoscimento vocale, che abbiano un'elevata autonomia e la possibilità di essere ricaricati in modalità wireless. Il segreto per offrire un'esperienza d'uso eccezionale sta nel combinare funzionalità interessanti con connettività wireless, efficienza energetica e piccole dimensioni. Ciò richiede, a sua volta, processori sempre più integrati e in grado di supportare dispositivi e sensori supplementari, nonché programmi ottimizzati per le applicazioni finali. Per soddisfare la necessità dei progettisti di dispositivi indossabili, Toshiba ha introdotto la linea di processori applicativi TZ1000 ApP Lite, che combina un'innovativa architettura a bassa potenza, funzionalità di misura integrate, funzioni dedicate all’elaborazione dati e alla realizzazione di circuiti in banda base e a radiofrequenza per le connessioni Bluetooth Low-Energy inseriti nello stesso contenitore. I dispositivi TZ1000 di prima generazione si basano sul nucleo Arm Cortex-M4F a 48 MHz e integrano memorie Nor Flash e Sram. L'architettura a bassa potenza fa un uso esteso di isole di alimentazione, che permettono di spegnere porzioni del dispositivo quando non sono utilizzate. Sono disponibili diversi metodi per riattivare le aree di silicio spente nel momento in cui servono. I dispositivi di questa serie integrano sensori e periferiche, tra cui un convertitore ADC sigma-delta multicanale a 24 bit, che converte i segnali analogici provenienti dai sensori esterni al fine di misurare parametri fisici come temperatura, pressione e frequenza dei battiti cardiaci. Per aiutare i progettisti, Toshiba ha sviluppato una serie di progetti di riferimento composta da un kit di sviluppo hardware, un pacchetto di supporto scheda con relativi driver, una pila software Bluetooth e documentazione varia con pratici esempi di utilizzo, nonché una piattaforma dedicato allo sviluppo di soluzioni per la salute. La piattaforma HcSDP (Healthcare Solution Development Platform) contiene degli algoritmi dedicati per effettuare la misura dei battiti cardiaci per via ottica durante il sonno e il tracciamento delle attività, oltre a varie applicazioni dimostrative sotto forma codice sorgente, il tutto corredato da un’ampia documentazione di supporto. Il kit di sviluppo software per i prodotti TZ1000 ApP Lite è completato da un App dimostrativa che rileva i dati relativi al battito e al movimento attraverso un dispositivo Bluetooth Low Energy, visualizzandoli e archiviandoli sullo smartphone. Oltre alla generica scheda di valutazione, Toshiba ha sviluppato una serie di moduli di riferimento, tra cui un orologio per il monitoraggio del battito cardiaco, un data logger ambientale e un data logger su scheda. Al fine di illustrare il progetto a bassa potenza della serie TZ1000 ApPlite, Toshiba ha sviluppato un misuratore di attività che utilizza l'accelerometro incorporato per misurare il numero di passi fatti in un determinato tempo. Alimentato con un'unica batteria da 100 mAh, questa soluzione permette di raggiungere un'autonomia di 86 giorni, principalmente riducendo l'alimentazione del processore e dei sensori nell’intervallo tra campionamento e trasmissione dei dati. Un altro esempio studiato per illustrare le prestazioni a bassa potenza della serie TZ1000 ApPlite è un sensore di impulsi che permette di ottenere un'autonomia di 7 giorni con una singola batteria da 100 mAh. Nei periodi di sonno, il consumo di corrente è praticamente nullo. Per dimostrare la validità della scelta dei componenti e l'integrazione tra hardware e software, Toshiba ha inoltre sviluppato sistemi più complessi, tra cui un progetto di riferimento per orologi sportivi. Oltre all'accelerometro, è possibile incorporare nel progetto un giroscopio Mems e un magnetometro Mems utilizzando le interfacce integrate Spi e I2C. Insieme, questi sensori permettono di realizzare un completo sottosistema di misura inerziale in grado di rilevare movimento, gesti e contesto. Il progetto di riferimento per orologi sportivi comprende un sensore ottico per il rilevamento del battito cardiaco e una funzione di ricarica wireless. La principale interazione dell'utente con l'orologio sportivo avviene tramite un display grafico PMoled a colori da 1,5 pollici con risoluzione di 128 x 128 pixel.


Misurare l'impulso del futuro
Così come gli atleti ai cui sono destinati, anche l’evoluzione dei dispositivi va di fretta. Per rimanere sulla cresta dell'onda, il prossimo futuro ci riserva nuovi sviluppi in ambito middleware che apriranno la strada all'analisi del sonno, al monitoraggio della postura, alla previsione dei comportamenti e al monitoraggio della saturazione dell'ossigeno nel sangue e della pressione sanguigna. Per favorire questi e altri sviluppi futuri, dovranno essere realizzate nuove generazioni di processori applicativi. Non solo dovranno essere supportate le ultime revisioni del protocollo Bluetooth Low Energy, ma occorreranno anche funzioni e nuclei di elaborazione aggiornati. A questo scopo, Toshiba sta sviluppando una nuova generazione di processori ApP Lite, che comprende i nuovi processori Risc Arm Cortex-M4F a 32 bit funzionanti a frequenze fino a 120 MHz. Il supporto di chip di memoria esterni come Spi Nor, Spi Nand ed EMmc offrirà ai progettisti la possibilità di scegliere la capacità e i chip di memoria più adatti ai propri dispositivi. Le interfacce audio integrate, un acceleratore grafico in 2D e un driver per Lcd conforme a Mipi garantiranno i massimi livelli di esperienza d'uso. L'impiego di sensori esterni e periferiche in grado di monitorare attività e movimento sarà possibile grazie alle interfacce integrate Usb, Uart, Spi e I2C, in combinazione con un motore di compressione e decompressione hardware. Anche la sicurezza dei dati diventa sempre più importante, pertanto i nuovi dispositivi supporteranno gli standard crittografici Aes e Sha256, nonché l'integrazione di un vero generatore di numeri casuali. La combinazione di tutte queste nuove tecnologie consentirà di migliorare l'esperienza d'uso e di prolungare la durata della batteria, oltre a permettere ai dispositivi di fornire informazioni medicali di più alto livello come i dati elettromiografici.

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