Controllori embedded per applicazioni IoT

La tecnologia Internet of Things è sempre più pervasiva. All'ultima edizione del Consumer Electronics Show di Las Vegas lo spazio espositivo era tappezzato di ciondoli e dispositivi ingegnosi, tutti ideati con l'obiettivo di rendere più semplice la vita del consumatore, aiutarlo a mantenersi in forma, assicurarsi che sia sempre connesso, o persino garantire la sicurezza dei suoi animali domestici. Piaccia o no, i prodotti "smart" per applicazioni IoT hanno invaso ogni aspetto della vita degli individui. Nel caso dei prodotti "indossabili" destinati alle applicazioni IoT, un denominatore comune è la capacità di acquisire dati che altrimenti sarebbero privi di significato, come ad esempio il numero di passi percorsi da una persona, convertendoli in informazioni utili, come ad esempio la qualità di calorie bruciate durante la camminata. Sotto un diverso punto di vista, si possono notare molti elementi comuni tra questi prodotti. In termini di hardware, si può definire come prodotto indossabile per applicazioni IoT un dispositivo capace di svolgere i seguenti compiti: rilevare alcuni parametri dell'ambiente circostante o delle condizioni fisiche dell'utilizzatore, nonché elaborare e comunicare i dati misurati. Un altro elemento caratteristico comune è il minimo consumo di potenza in modalità stand-by.

Il ruolo dei sensori
Tutti i prodotti indossabili dispongono di un'interfaccia per sensori, sia che si tratti di un semplice accelerometro per rilevare il movimento, sia che si tratti di un sensore più complesso come ad esempio un sensore della frequenza cardiaca basato su un pulsossimetro. Per implementare sensori di questo tipo in un sistema embedded destinato ad applicazioni IoT è possibile scegliere tra due differenti opzioni. La prima prevede l'acquisto di un sensore integrato che fornisce semplicemente un valore digitale in uscita attraverso un'interfaccia seriale come I2C/Uart/Spi: si tratta di un approccio indubbiamente semplice ma costoso. L'alternativa è realizzare un'interfaccia per sensore o Afe (Analog Front End) che è essenzialmente un circuito attivo per il condizionamento del segnale, formato da amplificatori operazionali, filtri, comparatori, convertitori A/D e altri componenti che produce in uscita un livello di tensione indicativa del valore del parametro misurato dal sensore. Sebbene leggermente più complesso, tale approccio permette di ridurre il costo della Bom e di apportare modifiche al progetto al fine di ottenere le migliori prestazioni. Una volta che il sistema ha misurato i valori del parametro fornito dal sensore, esso elabora l’informazione in modo tale che risulti significativa. Ad esempio potrebbe trattarsi della conversione di un valore di tensione in una misura del battito cardiaco, oppure della trasformazione delle variazioni delle coordinate x-y digitali nel numero di passi percorsi. Per questo motivo è necessario ricorrere a un microcontrollore e altri processori di segnali digitali. Questi processori non solo convertono i dati provenienti dal sensore in informazioni utili, ma controllano altre funzioni del sistema sulla base delle decisioni prese sfruttando i dati provenienti dal sensore stesso. Molte volte, sistemi di questo tipo richiedono altri chip di controllo digitali, o Cpld, per il controllo di precisione di componenti hardware critici come ad esempio motori, ventole o display. I sistemi presi in considerazione, infine, richiedono un mezzo per comunicare con altri nodi o dispositivi centralizzati che potrebbero essere collegati in rete e quindi a Internet attraverso un classico gateway.

La comunicazione wireless
In considerazione del fatto che parecchi prodotti per applicazioni IoT sono di natura indossabile, la modalità di trasmissione preferita è quella wireless. Per le comunicazioni wireless dei prodotti IoT lo standard “de facto” è diventato il Bluetooth Low Energy+, anche noto sotto l’acronimo Ble o come Bluetooth Smart. Ciò è dovuto essenzialmente a due motivi: l’architettura a bassa potenza e l'ampia diffusione grazie a prodotti Bluetooth smart-ready come telefoni cellulari, tablet e laptop. Grazie allo standard BLE è possibile realizzare prodotti in grado di inviare in modo semplice le informazioni elaborate provenienti dal sensore alle app che girano sul cellulare dell’utente. Il cellulare a sua volta può trasmettere queste informazioni ai servizi Web o ad altri dispositivi. Le soluzioni Ble embedded sono disponibili sotto numerose forme: da quelle più semplici, che prevedono un unico chip, a quelle più complesse che utilizzano tre o quattro chip. La complessità del progetto, ovviamente, aumentare con la crescita del numero dei chip presenti in un sistema embedded. Altri aspetti da prendere in considerazione quando si decide di optare per una soluzione wireless sono il layout della scheda Pcb e la sintonizzazione dell’antenna con un balun. I prodotti indossabili della prima generazione evidenziavano molte problematiche, un comune denominatore per tutte le nuove categorie di prodotti che si affacciano per la prima volta sul mercato. I due difetti più critici dei primi prodotti indossabili erano senz’altro la scarsa durata della batteria e una fruizione mediocre, che li rendevano poco appetibili per il consumatore finale. Per attrarre l’attenzione di quest'ultimo tali prodotti dovevano avere un aspetto più accattivante e una modalità di interazione più intuitiva. La tecnologia di rilevamento tattile capacitivo permette di realizzare un’interfaccia utente molto intuitiva che garantisce numerosi vantaggi tra cui possibilità di differenziare tra tocchi e colpetti, gesti e trascinamenti e maggiore resistenza, che permette di realizzare prodotti impermeabili molto sottili e di forma sofisticata. Tra gli altri miglioramenti apportati ai prodotti indossabili delle generazioni successive si possono annoverare l’aggiunta di micro-display, sia a Led sia di tipo grafico, utili per attirare ancora di più l’attenzione degli utilizzatori.

Risparmio energetico e integrazione
Per risolvere le problematiche legate ai consumi di potenza, i prodotti indossabili prossimi venturi richiedono una soluzione in grado di assicurare molteplici vantaggi. I circuiti integrati odierni sono caratterizzati da un elevato grado di integrazione e disponibili sotto forma di System-On-Chip che abbinano le funzionalità di più integrati in un’unica piastrina di silicio, con conseguenti risparmi in termini di dimensioni, numero di componenti richiesti e consumi di potenza. Dispositivi SoC come PSoC 4 Ble di Cypress Semiconductor includono una Cpu Arm Cortex-M0 a 32 bit particolarmente efficiente in termini energetici e una radio Bluetooth Smart con balun integrato in un unico chip. Delle cinque modalità di risparmio energetico previste da questa soluzione due in particolare - Hibernate e Stop Mode - sono caratterizzate da bassissimi consumi, pari rispettivamente a 150 nA e 60 nA, grazie alle quali è possibile minimizzare le perdite di carica della batteria in stand-by. Si tratta di una caratteristica molto utile per prodotti indossabili e altri dispositivi per applicazioni IoT, dove i sensori acquisiscono i dati ma il collegamento wireless deve trasmettere questi dati periodicamente o durante un intervallo di tempo stabilito, mentre il sistema può rimanere in modalità stand-by a basso consumo per il restante periodo al fine di preservare la carica della batteria. Il PSoC Ble è un SoC ad alto grado di integrazione che mette a disposizione i blocchi analogici programmabili necessari per realizzare Afe custom oltre a interfacce per qualsiasi tipo di sensore analogico, la tecnologia di rilevamento capacitivo CapSense utile per creare interfacce utente avanzate e blocchi digitali programmabili per l'implementazione di funzioni di controllo e comunicazione custom. Questa soluzione single-chip di Cypress per applicazioni IoT, di dimensioni pari a soli 3,5 x 3,9 mm, include uno stack software Bluetooth 4.1 gratuito e tutti gli altri componenti necessari per la realizzazione prodotti "indossabili" della prossima generazione conformi allo standard BLE che si distinguono per l'interfaccia utente accattivante, la presenza di numerosi sensori e la lunga durata della batteria.

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