Tra i dispositivi indossabili che stanno riscuotendo maggiore successo figura l’orologio intelligente. Attualmente tale mercato è dominato dall’orologio sportivo, che offre una varietà di applicazioni per il fitness o il benessere, le quali richiedono la capacità di monitorare una varietà di criteri, fra cui l’attività fisica, la distanza percorsa, gli aumenti o diminuzioni dell’altitudine e il battito cardiaco. Un’analisi delle tecnologie disponibili che aiutano i progettisti a sviluppare orologi di questo tipo può dare indicazioni su come implementare la migliore soluzione possibile per questo tipo di applicazione. Al cuore di ogni applicazione per orologi sportivi ci sarà un processore applicativo appropriato a basso consumo. Quest’ultimo deve essere integrato con sensori inerziali, come un accelerometro Mems, un giroscopio e un magnetometro, una soluzione per misurare il battito cardiaco, un display opportunamente piccolo ma leggibile, e Bluetooth o altri protocolli di comunicazione per connetterlo in rete con lo smartphone dell’utente o con altri apparecchi esterni. Tutto ciò deve trovare posto all’interno di un fattore di forma che può essere indossato comodamente al polso, con un cinturino di dimensioni tipiche comprese fra 20 e 25 mm. È inoltre richiesta di norma una porta Micro-Usb per la sincronizzazione con un Pc, oltre alla circuiteria per la gestione e la carica delle batterie.
L’hardware del modello di riferimento
Toshiba ha creato un modello di riferimento basato sul processore applicativo TZ1001MBG ApP Lite, per illustrare come avviene la selezione e l’integrazione hardware/software di un orologio intelligente, e per agevolare l’accelerazione dello sviluppo delle applicazioni degli orologi sportivi. Il processore è caratterizzato da un’architettura a basso consumo che presenta alimentazioni isolate, che consentono di disattivare le porzioni inutilizzate del dispositivo fino a che rimangono inattive, rendendolo ideale per applicazioni indossabili e dell’Internet delle Cose. Il TZ1001MBG è basato su un core Arm Cortex-M4F con un’unità a virgola mobile ed estensioni Dsp per l’elaborazione ad alta velocità dei segnali dei sensori. La necessità di ulteriori componenti discreti è ridotta attraverso l’integrazione di un accelerometro Mems su chip, di un Adc sigma-delta multicanale a 24 bit, di un controllore Bluetooth Low Energy e di una memoria Flash su chip. L'immagine di apertura dell'articolo mostra un diagramma a blocchi dell’hardware interno del modello di riferimento. Sono stati integrati all’interno del modello, attraverso le interfacce Spi e I2C integrate, un giroscopio Mems e un magnetometro Mems, i quali operano con l’accelerometro incorporato nel processore. Assieme, questi sensori consentono di ottenere un sottosistema di misura inerziale completo in grado di rilevare il movimento, il gesto e il contesto. Ciò consente di supportare funzioni per lo sport come il conteggio dei passi, oltre a funzioni di interfaccia utente come la possibilità di effettuare selezioni muovendo il dispositivo e la regolazione dell’orientazione dello schermo. Il modello di riferimento per orologi sportivi si avvale inoltre del sensore ottico SFH7050 di Osram per la misura delle pulsazioni cardiache. Questo sensore è disposto in modo da trovarsi sul lato inferiore dell’orologio in prossimità della pelle di chi lo indossa, e presenta un Led verde e un rivelatore che riceve la luce riflessa per effettuare le misure delle pulsazioni. Si è scoperto che le lunghezze d’onda nel verde sono ottimali per la misura delle pulsazioni sul polso. Il sensore inoltre è dotato di un emettitore nell’infrarosso per la misura di prossimità, che consente di avviare automaticamente la misura delle pulsazioni quando l’orologio viene indossato al polso. La carica wireless è pratica ed efficiente per dispositivi mobili e indossabili di piccole dimensioni, e ciò la rende l’opzione naturale per il modello di riferimento. Sono stati proposti numerosi standard per la carica wireless: Toshiba ha scelto Qi del Wireless Power Consortium, che include la rilevazione di oggetti estranei ed è lo standard supportato dall’IC ricevitore di potenza wireless TC7764WBG di Toshiba. Questo dispositivo è fabbricato usando un processo Cmos-Dmos combinato su wafer, che abbatte la generazione di calore consentendo al contempo un’efficienza di conversione massima del 95%. Il circuito di autenticazione del protocollo è integrato, e ciò scarica di conseguenza il microcontrollore host e semplifica la progettazione del software. La principale interazione dell’utente con l’orologio sportivo avviene attraverso un display grafico a colori di tipo Pmoled da 1,5 pollici con risoluzione pari a 128x128 pixel. La tecnologia Oled facilita la realizzazione di un display super-sottile che può essere montato in cima all’alloggiamento, lasciando uno spazio adeguato per il resto dell’elettronica di sistema. Il modello di riferimento include anche la scheda circuitale, che è dotata di sei tratti di rame e di substrati flessibili per montare il sensore ottico, di un’antenna Bluetooth e di un connettore di sonda. Il substrato flessibile consente un comodo assemblaggio, e permette di posizionare i componenti del progetto in modo da ottenere le prestazioni migliori. L’alloggiamento dell’orologio completa l’hardware del modello di riferimento. Quest’ultimo ha una forma quadrata, con dimensioni che consentono di indossare comodamente l’unità e forniscono adeguato spazio interno per la scheda circuitale, la batteria, il display e altri componenti quali i pulsanti.
L’architettura del software
Sul modello di riferimento dell’orologio gira FreeRtos, che presenta caratteristiche per supportare applicazioni a basso consumo ed è disponibile secondo termini flessibili, senza richiedere agli utenti di pubblicare il proprio codice sorgente. Toshiba ha migrato il processore applicativo host TZ1001MBG verso FreeRtos usando il proprio pacchetto di supporto alla scheda. Oltre all’Rtos, il modello di riferimento integra il pacchetto Bluetooth Low Energy e le librerie grafiche, oltre alla piattaforma Toshiba Healthcare Solution Development. Questi ultimi supportano un’applicazione campione che esegue il monitoraggio delle attività e del battito cardiaco, ed inoltre gestisce la comunicazione Bluetooth, la carica wireless, la gestione dell’alimentazione e la funzionalità per l’interfaccia utente. Al modello di riferimento è abbinata un’app Android di prova, che consente la sincronizzazione dell’orologio sportivo intelligente con uno smartphone Android per visualizzare i dati di attività attuali e storici. I mercati consumer di riferimento per gli orologi intelligenti e per gli altri dispositivi indossabili sono in rapida evoluzione e gli sviluppatori devono essere in grado di progettare, testare e implementare sistemi nel minor tempo possibile. Per ottenere ciò è fondamentale disporre di un adeguato supporto allo sviluppo. Non è più sufficiente per i produttori di silicio fornire solo dispositivi; essi devono cercare di creare ecosistemi completi che accelerano e semplificano l’implementazione e supportano l’integrazione con altri elementi hardware e software. Nel caso del processore TZ1001 usato nel progetto di riferimento dell’orologio sportivo, per esempio, Toshiba offre schede di riferimento miniaturizzate che consentono una valutazione preventiva del progetto e lo sviluppo rapido di prototipi di applicazioni.
