Il sensing ottico sta emergendo come una delle più efficaci soluzioni alle problematiche di interazione uomo-macchina e di monitoraggio dei parametri fisiologici in applicazioni ad elevato livello di embedding, come per esempio i sistemi intelligenti indossabili. Per esempio, nel caso medicale, prelevare il segnale bioelettrico attraverso elettrodi a contatto con la pelle o anche con elettrodi di natura non-contact, implica problematiche di natura applicativa molto ardue relativamente all’affidabilità delle misure. In applicazioni medicali di natura consumer, come la e-health oppure la e-fitness, tali problematiche sono più stringenti e devono trovare una soluzione oltre che nella maggior robustezza dell’applicazione, anche nella scelta di una tecnologia di sensing più affidabile, come per esempio quella ottica. I sistemi indossabili implicano anche che la soluzione di metodi di interazione tra l’utilizzatore e il dispositivo vadano oltre il modello di interfaccia tradizionale (inclusa la ben nota interfaccia touch e multitouch). L’interazione gestuale per comunicare con le applicazioni indossabili diventa un fattore chiave del funzionamento effettivo di un’applicazione, soprattutto se indossabile. Avere la possibilità di ampliare lo spazio di interazione eliminando il contatto fisico (tocco) è un’altra delle tante possibilità che il sensing ottico consente di ottenere a costi estremamente limitati e con un livello alto di affidabilità. In questo articolo verranno discussi due casi applicativi della tecnologia del sensing ottico per dimostrarne le potenzialità e la rapidità di sviluppo utilizzando schede di prototipazione rapida orientate all’applicazione: 3D-gesture sensing e la biometrica.
La tecnologia del sensing ottico
Silicon Labs ha recentemente sviluppato una famiglia di sensori ottici particolarmente efficienti relativamente a importanti aspetti applicativi, tra cui la sensibilità, il consumo di energia e le dimensioni. Il sensore ottico ad elevata integrazione di Silicon Labs, Si114x, integra nello stesso chip più fotodiodi (infrarosso e visibile), un convertitore analogico digitale, un processore di segnale, tre driver di Led e una interfaccia ci controllo I2C che consente di interfacciarsi in maniera molto efficiente verso l’application processor. Questo livello di integrazione è particolarmente significativo se si considera la dimensione del package, solo 2 mm x 2 mm e le caratteristiche low power con solo 500 nA di corrente di standby e 1.2 uA di consumo medio nell’attività di misura in tempo reale dell’indice UV (una misura al secondo). Grazie alla capacità di pilotare fino a tre Led, questo sensore ad elevata integrazione consente di implementare interfacce gestuali no-touch 3D con profondità di immersione della mano o del mezzo gestuale, fino a 50 centimetri. Inoltre, tale sensore permette di implementare sistemi di interfaccia gestuale molto più flessibile ed efficaci di quelli realizzabili con le tecnologie di interfaccia gestuale basate su tocco single e multitouch, e anche di altre tecnologie di natura non touch.
La potenzialità dei sensori ottici sta soprattutto nella versatilità applicativa. Per esempio, lo stesso sensore che esegue il riconoscimento gestuale (o di prossimità) può anche riconoscere la natura del oggetto che interagisce, per esempio la natura della superfice di interazione (per esempio la guancia) oppure delle caratteristiche di variabilità del mezzo di interazione (per esempio la conducibilità galvanica della pelle oppure del carico di ossigeno del sangue e del ritmo delle pulsazioni cardiache). Ovviamente queste capacità sensoriali sono effettive grazie alla robustezza dell’architettura di sensing che non è limitata solo alla capacità del sensore (fino a 128 klux), ma soprattutto alla natura di system-on-chip del dispositivo sensoriale. In questa architettura di sistema sensoriale, il signal processor on-chip del Si114x è fondamentale per minimizzare il carico computazionale a livello di application processor. Grazie al signal processor, il sensore ottico fornisce in uscita in formato digitale misure direttamente utilizzabili da un application processor (microcontrollore), senza che questo debba necessitare del front-end analogico e nemmeno di una elevata capacità computazionale.
Prototipazione rapida di un sistema cardio-ossimetrico con interazione gestuale
Grazie alla disponibilità del sistema di prototipazione rapida che Silicon Labs ha reso disponibile, è possibile modellare e prototipare un’applicazione indossabile complessa basata sull’utilizzo della tecnologia di sensing ottico del Si114x e dei processori ultra-low power della famiglia Gecko, valutando in maniera immediata le prestazioni funzionali, dimensionali ed energetiche. Il sistema di prototipazione rapida è basato su due kit di sviluppo modulari con caratteristiche funzionali molto vicine al target applicativo. Il kit basato sul microcontrollore ultra low-power Zero Gecko (basato su core Arm Cortex M0) e la gesture expansion board che monta il sensore Si1147 e tutti i necessari Led IR per lo sviluppo di applicazioni di gesture recognition, e il kit basato sul microcontrollore ultra low-power Wonder Gecko (basato su architettura Arm M4), la biometric sensor expansion board e il Wrist Wearable Heart Rate Sensor, entrambi che montano i sensori ottici della famiglia Si114x . I due kit insieme consentono di prototipare un sistema completo costituito da un application processor (Mcu + display + gesture control) e da un sensor processor (Mcu + finger sensor + wrist sensor). Il sensor processor cattura e preprocessa le informazioni biometriche (ossimetria dal dito e ritmo cardiaco dal polso). L’application processor riceve i dati biometrici dal sensor processor non in forma di segnali, ma come caratteristiche (feature). Ciò consente all’application processor di concentrare la sua attività di elaborazione sulle funzioni di interfaccia e di presentazione dell’applicazione, mentre la parte più computazionalmente intensiva viene svolta dal sensor processor che estrare le features application-specific utilizzando algoritmi di signal processing specifici della biometrica.
Interfaccia gestuale e acquisizione biometrica
Questa interfaccia viene implementata sul kit di prototipazione rapida Zero Gecko (Mcu + display) con abbinata la gesture expansion board. Questa dispone di 3 Led IR disposti sui tre vertici di un triangolo alla cui base c’è il sensore ottico Si1147. I Led IR con il sensore ottico realizzano l’interfaccia gestuale 3D che consente di catturare i gesti della mano e di renderli interpretabili a livello di interfaccia. L’acquisizione biometrica viene ottenuta tramite la scheda Biometric-Exp-Evb che integra il sensore ottico Si114x (oltre al sensore di umidità relativa Si701x/2x e di temperatura). Questa combina il sensore ottico Si1146 con due Led (rosso e infrarosso) prossimi al sensore stesso su cui va appoggiato il dito per le misure di ossimetria e frequenza cardiaca. Le stesse operazioni possono eseguite a livello di polso con l’altro modulo, il Wrist Wereable Heart Rate Sensor il quale monta lo stesso schema di sensore ottico e doppio Led su una piccola scheda montabile su un braccialetto elastico che consente di tenere il sensore e i due Led aderenti al polso. Questa piccola schedina (delle dimensioni di circa 4 x 3,5 cm) è dotata di un connettore I2C che consente di trasferire i dati sensoriali all’application processor (emulazione di una possibile connessione wireless con l’application processor). Due applicazioni Window permettono di visualizzare l’informazione biometrica catturata dal sensore ottico sia sotto forma di onda, sia sotto forma di valori misurati dall’application processor relativamente alla frequenza cardiaca (battiti al minuto) e all’ossimetria (percentuale di SpO2). Il kit di riconoscimento gestuale e quello di misura biometrica sono rispettivamente basati sulla Mcu Zero Gecko (Arm M0) e sulla Mcu Wonder Gecko (Arm M4). Il prototipo finale del sistema biometrico indossabile con application processor a interfaccia gestuale può utilizzare un’unica Mcu riducendo al minimo i consumi di potenza elettrica. In tal modo è possibile alimentare l’applicazione con una singola batteria a bottone. Inoltre, essendo i sensori ottici dotati di interfaccia I2C, questi possono essere gestiti entrambi da una sola Mcu.
