Designkonzepte und Lösungen für die Entwicklung intelligenter Geräte

Entwicklung intelligenterer, kompakterer Bluetooth-Gesundheits- und tragbarer Geräte

Um ein kompaktes und stark nachgefragtes Bluetooth-Healthcare-Gerät zu entwickeln, geht es nicht nur darum, die kleinsten Hardwarekomponenten auf dem Markt auszuwählen. Sie können die Produktgröße auch verringern, indem Sie die Stückliste (Bill of Materials, BOM) optimieren, integrierte Bluetooth-SoCs und -Module verwenden und verschiedene periphere Funktionen und Features integrieren, die in Healthcare-Anwendungen erforderlich sind. Dies kann eine erhebliche Menge an PCB-Fläche einsparen, die Designflexibilität erhöhen und die Kosten reduzieren.

Beim Entwerfen von Bluetooth-Healthcare-Geräten können mehrere Designkonzepte verwendet werden, um die Produktentwicklung zu beschleunigen und mehr Funktionalitäten zu integrieren. Erstens können Bluetooth-Healthcare-Geräte integrierte KI/ML-Beschleuniger nutzen, um die intelligenten Steuerungsfunktionen des Geräts zu verbessern. Mithilfe von Maschinellem Lernen (ML) ist es möglich, große Mengen an Sensordaten auf der Grundlage bestehender Modelle zu verarbeiten, um Unregelmäßigkeiten zu erkennen und festzustellen, welche Daten an die Cloud zurückgesendet werden müssen. Heutzutage können drahtlose Geräte alle erfassten Daten zur Verarbeitung und Analyse an die Cloud übertragen. Indem wesentliche Daten auf dem Gerät identifiziert werden und nur bestimmte Datensätze zurückgesendet werden, können wertvolle Ressourcen eingespart und die Batterielaufzeit verlängert werden.

Künstliche Intelligenz (KI) kann auch für Anwendungen wie die Altenpflege zu Hause eingesetzt werden. In diesen Anwendungen können das Überwachen von Vitalzeichen, das Verfolgen von Datenänderungen, das Beobachten von Gangmustern und allgemein das Erkennen abnormaler Muster wichtige diagnostische Daten für Pflegekräfte liefern. Sie kann zudem lebensrettende Warnungen an Betreuer und Familienangehörige auslösen, was die Lebensqualität der Patienten erheblich verbessert und deren Leben retten kann.

Darüber hinaus erfordern diese Produkte die Integration von mehr analogen Peripheriegeräten, wie ADCs, die in zahlreichen drahtlosen Gesundheits- und tragbaren Geräten für Sensor-Messungen und die Überwachung des Batteriestands eingesetzt werden können. Für Hersteller von kontinuierlichen Glukoseüberwachungssystemen (CGM) und anderen tragbaren Gesundheitsgeräten, die diskrete analoge Front-End-Lösungen (AFE) verwenden, sind ADCs und DACs zwei Schlüsselkomponenten, die auf dem Chip genutzt werden können.

Niedriger Energieverbrauch für verbesserte Energieeffizienz und Akkulaufzeit

DC-DC-Wandler sind eine entscheidende Komponente für batteriebetriebene Gesundheitsgeräte. Boost-Wandler ermöglichen es SoCs, Niederspannungsbatterien wie Alkalibatterien und Silberoxidbatterien mit einem Eingangsspannungsbereich von 0,8 bis 1,7 V zu verwenden. Dadurch können Bluetooth-SoCs bei niedrigeren Spannungen betrieben werden. Buck-Wandler ermöglichen es SoCs, andere 3V-Batterien, wie Lithium-Knopfzellen, zu nutzen, um die Energieeffizienz und Batterielaufzeit zu verbessern oder die Batterien zu verkleinern.

Um unerwartete Batterieentladungen während kritischer Gesundheitsanwendungen vorherzusagen und zu vermeiden, können Coulomb-Zähler, die Ladungsmessgeräte sind, den Batteriestand präzise überwachen, um die Sicherheit und das Benutzererlebnis zu verbessern. Darüber hinaus sind niederfrequente RC-Oszillatoren zentrale Komponenten für Bluetooth Low Energy (LE) 2,4-GHz-Anwendungen, bei denen Bluetooth-LE-SoCs eine vorgegebene Genauigkeit des Schlaf-Takts von ±500 ppm erfüllen müssen.

Angesichts der niedrigen Leistungspegel, die von Gesundheits- und Wearable-Geräten verwendet werden, ist es wichtig, die Anzahl der Leiterplattenebenen und Komponenten im Design zu reduzieren, während eine akzeptable HF-Leistung bei Anpassungsnetzwerken beibehalten wird. Die Minimierung des Stromverbrauchs von Bluetooth-Geräten ist entscheidend, damit Gerätehersteller die Baugröße der Geräte reduzieren können.

Vielversprechende Aussichten für den globalen AR/VR-Gerätemarkt

Die heutigen Verbraucher sind zunehmend home-zentriert – Arbeit, Bildung, Gesundheitsversorgung, Einkaufen und Unterhaltung müssen von Zuhause aus zugänglich sein. Mit AR/VR-Technologie verschmelzen die Grenzen zwischen der realen und der digitalen Welt. Sie können ein AR/VR-Head-Mounted-Display (HMD) aufsetzen, ein Paar Handcontroller greifen und vollkommen in 3D-Spiele oder Filme eintauchen. Alternativ können Sie von Zuhause aus ein realistisches virtuelles Einkaufszentrum betreten, neue Kleidung anprobieren oder sehen, wie ein neues Sofa aussieht. AR/VR-Anwendungen können die Verbrauchererlebnisse verbessern und unser Leben effizienter gestalten. Bis 2027 wird erwartet, dass der globale Markt für AR/VR-Geräte eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 26 % für AR/VR-Anwendungen verzeichnen wird.

Wearable AR/VR-Geräte stellen einzigartige Herausforderungen für das drahtlose Design dar. Sie müssen äußerst energieeffizient sein, um die Akkulaufzeit und Ladeintervalle zu maximieren und gleichzeitig das Akkugewicht zu minimieren. Gleichzeitig müssen sie hochbandbreitige Videos verarbeiten, um ein natürliches visuelles Erlebnis zu bieten. Die Latenz zwischen VR-Controllern und HMD ist entscheidend, da minimale Verzögerungen erforderlich sind, um rechtzeitige Reaktionen auf Gesten und Bewegungen sicherzustellen.

AR- und VR-Anwendungen haben drei zentrale drahtlose Anforderungen: geringer Stromverbrauch, niedrige Latenz und stabile Verbindung. Energieeffizienz ist entscheidend, um die Benutzererfahrung von batteriebetriebenen und wiederaufladbaren Geräten wie VR-Controllern, smarten Brillen und AR/VR-Headsets zu verbessern. Darüber hinaus ist Sicherheit eine der wichtigsten Anliegen für Nutzer von vernetzten Geräten, da HMDs und VR-Controller als Zugangspunkte für bösartige Angriffe auf Heimnetzwerke dienen können.

Hochintegrierte Bluetooth Low Energy SoCs

Silicon Labs bietet eine Vielzahl von SoCs und Modulen für Bluetooth-Wireless-Konnektivität und Steuerungsanwendungen. Im Folgenden finden Sie einige Hauptprodukte und ihre Merkmale.

Die EFR32BG22-Serie ist ein bahnbrechendes Bluetooth Low Energy (BLE) SoC, das für seine Energieeffizienz und Empfangsempfindlichkeit (RX-Sensitivität) bekannt ist und sich ideal für energiesparende Smart-Entertainment-Geräte eignet. Das SoC misst nur 4 x 4 mm und unterstützt Secure Vault-Funktionen. Als Teil der Wireless Gecko Series 2 Plattform sind sowohl die EFR32BG22- als auch die EFR32BG22E-BLE-SoC-Lösungen mit einem starken Fokus auf Energieeffizienz entwickelt, wobei sie extrem geringe Sende- und Empfangsleistung bieten. Der leistungsstarke, energieeffiziente Arm® Cortex®-M33-Kern sorgt für branchenführende Energieeffizienz und ermöglicht möglicherweise eine Lebensdauer von Knopfzellenbatterien von bis zu zehn Jahren.

Die BG22 von Silicon Labs unterstützt die Entwicklung energieeffizienter Anwendungen, während die BG22E („E“ steht für Energieeinsparung) die Energieeffizienz weiter steigert, indem sie die Batterielaufzeit verlängert und vollständig batteriefreie Designs ermöglicht. Die BG22- und BG22E-Serie sind ideale SoCs für Ambient-IoT- oder energieerzeugende Geräte. Zielanwendungen umfassen energiearme Nodes in Bluetooth-Mesh-Netzwerken, intelligente Schlösser, persönliche Gesundheitsgeräte und Fitnessgeräte.

Die EFR32BG27-Serie bietet kompakte, ultra-niedrigenergie-SoCs, die in WLCSP-Gehäusen (2,3 x 2,6 mm) und QFN-Gehäusen verfügbar sind und leistungsstarkes Bluetooth Low Energy unterstützen. Diese SoCs verfügen über einen DCDC-Boost-Konverter für einen breiten Spannungsbereich und einen Coulomb-Zähler für eine präzise Überwachung des Batteriestands und unterstützen die PSA-Sicherheitsstufe 2. Die Wireless-SoCs der EFR32BG27-Serie können mit Knopfzellen betrieben werden, was neue Möglichkeiten für Gerätehersteller eröffnet. Diese Serie ermöglicht es Herstellern, den Anforderungen extrem kleiner Formfaktor-Anwendungen gerecht zu werden, ohne auf Leistung und Sicherheit zu verzichten.

Das BG27 Bluetooth-SoC integriert eine DCDC-Boost-Funktionalität, die den Betrieb bei Spannungen von nur 0,8 Volt ermöglicht und Einzellen-Alkaline- sowie 1,5-Volt-Knopfzellenbatterien unterstützt. Darüber hinaus erlaubt der Wake-up-Pin des BG27, dass Produkte während der Lagerung oder des Transports im Lager monatelang ausgeschaltet bleiben, wobei weniger als 20 nA Strom verbraucht werden, sodass die Batterie weiterhin nutzbar bleibt. Der integrierte Coulomb-Zähler überwacht den Batteriestand präzise und verhindert unerwartete Batterieentladungen bei kritischen Anwendungen. Zielanwendungen sind vernetzte Gesundheitsgeräte, Wearables, Sensoren, Schalter, intelligente Schlösser sowie kommerzielle und LED-Beleuchtung.

Der EFR32BG24 ist ein hochleistungsfähiger drahtloser und energiesparender SoC, der sich für batterieeffiziente intelligente Wearables eignet. Er verfügt über einen integrierten KI/ML-Beschleuniger und Secure Vault™ mit der höchsten PSA Level 3 Zertifizierung. Der EFR32BG24 Wireless-SoC ist ideal für IoT-Drahtloskonnektivität mittels Bluetooth Low Energy und Bluetooth Mesh Netzwerken und eignet sich für Smart-Home-, Beleuchtungs- und tragbare Gesundheitsprodukte.

Mit seiner leistungsstarken 2,4 GHz RF, niedrigem Stromverbrauch, AI/ML-Hardwarebeschleuniger und Secure Vault™ können IoT-Gerätehersteller intelligente, robuste und energieeffiziente Produkte entwickeln, die vor remote und lokalen Cyberangriffen schützen. Der ARM Cortex®-M33 läuft mit bis zu 78 MHz, verfügt über 1,5 MB Flash-Speicher und 256 kB RAM, wodurch Ressourcen für anspruchsvolle Anwendungen bereitgestellt werden, gleichzeitig jedoch Platz für zukünftige Erweiterungen bleibt. Zielanwendungen umfassen Gateways/Hubs, Sensoren, Schalter, Türschlösser, Smart Plugs, LED-Beleuchtung, Leuchten, Blutzuckermessgeräte und Pulsoximeter.

Lösungen für ultraniedrigenergie IoT-Funkgeräte

Das EFR32FG22 (FG22) Series 2 Proprietary Wireless 2,4 GHz SoC bietet branchenführende Energieeffizienz und Empfängerempfindlichkeit (RX), wodurch es ideal für energieeffiziente intelligente Unterhaltungsgeräte ist. Es verfügt über eine winzige Größe von nur 4 x 4 mm und unterstützt Secure Vault-Funktionen. Die EFR32FG22- und EFR32FG22E-Lösungen für proprietäre drahtlose 2,4 GHz SoCs sind Teil der Wireless Gecko Series 2 Plattform.

Das FG22-SoC integriert einen 38,4-MHz-Arm® Cortex®-M33-Kern mit TrustZone und ein leistungsstarkes Radio mit einer Empfangsempfindlichkeit von -102,3 dBm. Das FG22 ermöglicht die Entwicklung energieeffizienter Anwendungen, während das FG22E („E“ für Energieeinsparung) die Energieeinsparungsvorteile weiter verbessert, indem die Batterielebensdauer verlängert und vollständig batterielose Designs unterstützt werden. Dieses SoC kombiniert extrem niedrigen Sende- und Empfangsleistungsverbrauch (8,2 mA TX bei +6 dBm, 3,6 mA RX), eine Deep-Sleep-Modus-Leistung von 1,2 µA sowie innovative energieeffiziente Funktionen wie RFSense, die branchenführende Energieeffizienz bieten, um die Lebensdauer von Produkten mit begrenzter Batterie oder Energiegewinnungsoptionen zu verlängern.

Das Silicon Labs RS9116 Wireless-Modul ist ein RF-zertifiziertes Ultra-Low-Power-Wi-Fi-4-SiP-Modul (802.11 b/g/n) mit integrierter Antenne. Es unterstützt Bluetooth Low Energy, Bluetooth Classic sowie sichere Netzwerkprotokoll-Stacks und bietet dies alles in einer kompakten Größe von 4,63 x 7,90 x 0,9 mm. Das RS9116 Wireless-Modul ist in Single- und Dual-Band-Versionen erhältlich und stellt eine umfassende Mehrprotokoll-Wireless-Konnektivitätslösung bereit, einschließlich Wi-Fi und Dual-Mode-Bluetooth 5. Das Wireless-Modul zeichnet sich durch stromoptimierte Leistung aus, liefert hohen Datendurchsatz sowie erweiterte Reichweite und ist FCC-, IC- und ETSI/CE-zertifiziert.

Das SiWx917 Wi-Fi 6 und Bluetooth Low Energy 5.4 Wireless SoC ist ein SoC, das energiesparendes Wi-Fi 6 und Bluetooth Low Energy unterstützt. Es eignet sich für energieeffiziente Smart-Geräte und bietet bis zu 8 MB Flash-Speicher sowie externen PSRAM. Das SiWx917 SoC ist das energieeffizienteste Wi-Fi 6 SoC von Silicon Labs, ideal für IoT-Funkgeräte mit extrem niedrigem Stromverbrauch, die Wi-Fi®, Bluetooth, Matter und IP-Netzwerke für eine sichere Cloud-Konnektivität nutzen. Es eignet sich perfekt für die Entwicklung von Geräten, die mit langlebigen Batterien betrieben werden.

Das SiWx917 SoC umfasst ein ultra-niedrigleistungsfähiges Wi-Fi 6 und Bluetooth Low Energy 5.4 Wireless-CPU-Subsystem, ein integriertes Mikrocontroller-(MCU-)Anwendungssubsystem, Sicherheitsfunktionen, Peripheriegeräte und ein Stromverwaltungs-Subsystem, alles integriert in einem 7 x 7 mm QFN-Gehäuse. Das Wireless-Subsystem besteht aus einem Multi-Thread-Prozessor mit einer Taktrate von bis zu 160 MHz, digitaler Signalverarbeitung im Basisband, einer analogen Front-End-Einheit, einem 2,4 GHz RF-Transceiver und einem integrierten Leistungsverstärker.

Das Anwendungssubsystem des SiWx917 besteht aus einem ARM® Cortex®-M4F mit einer Taktfrequenz von bis zu 180 MHz, eingebettetem SRAM, Flash-Speicher und einem Sensor-Hub. Der ARM® Cortex®-M4F ist für Peripheriegeräte und anwendungsbezogene Verarbeitung vorgesehen, während der Netzwerk-Wireless-Prozessor die Wireless- und Netzwerkprotokoll-Stacks in unabhängigen Threads ausführt und eine vollständig integrierte Lösung für verschiedene eingebettete drahtlose IoT-Anwendungen bietet. Zielanwendungen umfassen Smart Homes, Consumer-Gesundheit und Wearables, Gesundheitswesen, Industrie, Einzelhandel, intelligente Gebäude und Städte sowie Asset Tracking.

Fazit

In der heutigen schnelllebigen Technikumgebung geht es bei der Entwicklung intelligenter Geräte nicht nur um technologische Innovation, sondern auch um einen entscheidenden Weg, um die Bedürfnisse der Nutzer zu erfüllen und die Lebensqualität zu verbessern. Im Prozess der Gestaltung intelligenter Geräte können Designer fortschrittliche Sensortechnologien, Big-Data-Analysen und künstliche Intelligenz nutzen. Diese modernen Technologien ermöglichen es intelligenten Geräten, effizientere und intelligentere Interaktionsmethoden zu erreichen, wodurch den Nutzern ein komfortableres und bequemeres Lebensgefühl geboten wird. Silicon Labs bietet umfassende Produktlösungen und technische Support-Dienstleistungen und ist damit einer der besten Partner bei der Entwicklung entsprechender Produkte.