Prodotti indossabili di successo

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Per avere successo in un mercato competitivo come quello dei prodotti indossabili è indispensabile differenziare le caratteristiche di un prodotto rispetto alla concorrenza. Il progetto di un indossabile di successo è un processo complesso. Il prodotto in questione deve essere caratterizzato da un mix ottimale in termini di prezzo, prestazioni, funzionalità e durata della batteria, oltre ad avere un aspetto, una modalità di interazione e un comportamento in linea con le aspettative dei consumatori. Per integrare questi elementi è necessario affrontare compromessi che possono essere risolti focalizzando l’attenzione sulle modalità di fruizione che l’utente si aspetta e analizzando diversi casi d’usi. Nella fase iniziale dello sviluppo di un tipico sistema embedded solitamente si definiscono caratteristiche e funzionalità che sono utilizzate come elementi guida ad alto livello del progetto. In modo del tutto analogo lo sviluppo di un progetto di un prodotto indossabile di successo deve essere focalizzato sulle modalità di fruizione che è in grado di offrire. Quindi è necessario tenere in considerazione l’aspetto e l’interazione del prodotto oltre alle impressioni, le sensazioni e le emozioni che è in grado di evocare. Oggi ci sono numerosi indossabili in grado di eseguire il monitoraggio dello stato di salute e dei dati biometrici, rilevare la distanza percorsa, calcolare le calorie bruciate e notificare le chiamate e i messaggi in arrivo. Questi prodotti sono realizzati tenendo in considerazione le modalità di fruizione: si tratta di dispositivi di tendenza, ricchi di funzionalità, di semplice uso, connessi a Internet of Things e offerti a prezzi accessibili.


Compromessi diversi

Il mercato dei dispositivi indossabili può essere diviso in tre categorie di prodotti, ciascuna delle quali richiede alcuni compromessi in fase di progetto.

  • Activity tracker - Si tratta di prodotti relativamente semplici che spesso non prevedono un display Lcd. Grazie alla loro semplicità sono prodotti economici, di semplice uso e spesso la durata della batteria è la più lunga rispetto a quella delle altre categorie;
  • Bracciali per il fitness - Sono dotati di display di piccole e medie dimensioni: questi prodotti indossabili possono integrare più sensori ambientali e biometrici e garantiscono un bilancio ottimale tra caratteristiche e funzionalità, durata della batteria e costo;
  • Smart watch - Si tratta di progetti complessi ospitati all’interno di un orologio. Dotati solitamente di un sistema operativo come Android Wear, essi offrono una vasta gamma di modalità di fruizione ma il gran numero di funzionalità presenti e l’elevata potenza di elaborazione richiesta penalizzano la durata della batteria per cui spesso è necessario effettuare una ricarica su base giornaliera.

Il ruolo del microcontrollore

Un componente chiave di un prodotto indossabile è il microcontrollore. La scelta di Mcu in grado di operare con consumi ridotti è un elemento critico. Tra le architetture a 32 bit disponibili, la serie Cortex-M di Arm si è imposta come la piattaforma di elaborazione a basso consumo di riferimento. Il core Cortex-M0+ è basato su un’architettura di tipo pipelined a 2 stadi che assicura il più basso consumo di corrente in modalità attiva a fronte di qualche compromesso in termini di efficienza a livello di prestazioni. I processori Cortex-M3 e M4 sono invece basati su una pipeline a 3 stadi e garantiscono un bilanciamento ottimale che prestazioni e consumi. L’unità in virgola mobile a precisione singola e le estensioni Dsp del processore Cortex-M4 permettono di ridurre sensibilmente sia i tempi di esecuzione sia il consumo di energia durante l’esecuzione di algoritmi software come il filtro di Kalman, usato per estrarre informazioni da dati provenienti da sensori affetti da rumore. Dispositivi come gli smart watch richiedono processori più avanzati, come ad esempio Cortex-M7 e core di tipo proprietario che garantiscono capacità di elaborazione più elevate e supportano interfacce di memoria con ampiezza di banda più estesa, a fronte di qualche penalizzazione in termini di consumi. Un altro aspetto importante è la scelta del tipo di batteria. Le usa e getta hanno il vantaggio di non richiedere circuiti dedicati per la ricarica, oltre a garantire maggiore capacità. Gli svantaggi sono legati alla complessità della progettazione. Le batterie di tipo ricaricabile consentono di sviluppare prodotti più sottili, a fronte di un aumento della complessità del progetto e dei costi. Indipendentemente dalla scelta che viene effettuata, i dispositivi indossabili devono essere compatti. Ciò rappresenta un vincolo sia per le dimensioni della batteria sia per la quantità di energia disponibile. Nello sviluppo di indossabili è necessario adottare un approccio di tipo sistematico che si focalizzi sulla minimizzazione del consumo di energia a tutti i livelli.

Prestazioni e consumi

Pur tenendo presente l’obiettivo di garantire una durata delle batterie che sia la più lunga possibile, i progettisti di indossabili non possono penalizzare la modalità di fruizione per ottenere una maggiore efficienza energetica. Fortunatamente sono disponibili Mcu capaci di bilanciare in modo ottimale prestazioni e consumi per assicurare una maggior durata delle batterie. Oltre a bassi assorbimenti di corrente in modalità sleep, un elemento da tenere nella massima considerazione è il tempo di wake-up, che deve essere il più breve possibile. Una transizione veloce tra gli stati di sleep e quello attivo garantisce una maggiore rapidità di risposta e una riduzione dell’energia dissipata. Le Mcu corredate con sorgenti di wake-up flessibili, timer a bassissimo consumo e interfacce seriali consentono ai progettisti di sfruttare un gran numero di opzioni. Le Mcu più avanzate prevedono periferiche autonome, in grado di svolgere lavoro utile anche quando le Mcu stesse sono nello stato di sleep. Un esempio è rappresentato dal sistema Prs (Peripheral reflex system) di Silicon Labs che consente alle periferiche delle Mcu della linea EFM32 Gecko, come ad esempio convertitori A/D ed engine Dma (Direct memory access) di reagire e rispondere agli ingressi provenienti trigger interni o esterni senza coinvolgere la Cpu. Un approccio di questo tipo può essere usato per impostare la Mcu in modo tale che questa rimanga nello stato di sleep fino al momento in cui l’ingresso di un sensore non superi una soglia prestabilita invece di effettuare un’interrogazione ciclica del sensore stesso, operazione senza dubbio più dispendiosa in termini energetici.

Sensori e informazioni

I sensori in tecnologia Cmos utilizzati nei dispositivi indossabili rappresentano l’elemento essenziale per migliorare la fruizione da parte degli utilizzatori, consentendo lo sviluppo di nuove applicazioni e casi d’uso. Per i dispositivi indossabili si possono distinguere tre categorie principali di sensori; sensori di movimento, sensori ambientali e sensori biometrici. Ogni tipologia di sensore è in grado di fornire informazioni accurate relativamente all’attività, all’ambiente circostante e allo stato fisico dell’utilizzatore. La combinazione tra questi sensori può offrire un numero di informazioni ancora maggiore. L’integrazione e l’utilizzo dei sensori nei dispositivi indossabili richiede parecchi compromessi. Nel caso di un sensore ottico è necessario prevedere l’uso di materiali in grado di trasmettere la luce. Per certi tipi di sensori potrebbe essere necessario ricorrere a tecniche di power gating, per cui il carico per la batteria non è costante: un approccio di questo tipo, ovviamente, comporta un aumento della complessità progettuale. Il livello di integrazione ottimale dei sensori in un dispositivo indossabile è stabilito in base a tre elementi: modalità di fruizione, costo e casi d’uso. Le app mobili sono senza dubbio un elemento critico di ogni soluzione indossabile e Bluetooth Smart si è imposta come la soluzione di riferimento per il collegamento in modalità wireless tra prodotti indossabili e dispositivi mobili basati su Android e iOS. Bluetooth Smart, d’altra parte, è ottimizzato per il funzionamento a basso consumo e rappresenta il mezzo ideale per trasmettere i dati dei sensori, sincronizzare le informazioni dell’utente e supportare gli aggiornamenti in modalità Ota (Over the air). Gli smartphone mettono a disposizione un’interfaccia utente estremamente flessibile e le app aprono la strada a innumerevoli possibilità di personalizzazione che non potrebbero essere implementate con il solo dispositivo indossabile. Ovviamente l’aggiunta della connettività wireless si riflette sulla complessità del progetto. Per realizzare un dispositivo indossabile di successo è necessario un bilanciamento accurato. In un sistema indossabile le transazioni in modalità wireless sono spesso le operazioni responsabili del maggior consumo di potenza. Determinare la quantità di informazioni e la frequenza con la quale vengono trasmesse o la frequenza con la quale il sistema indossabile si sincronizza con lo smartphone può avere un impatto notevole sulla durata della batteria del prodotto finale.

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