Conceptos de diseño y soluciones para el desarrollo de dispositivos inteligentes

Diseñando dispositivos de salud y wearables Bluetooth más inteligentes y compactos

Para construir un dispositivo de atención médica compacto y altamente solicitado con Bluetooth, no se trata solo de seleccionar los componentes de hardware más pequeños del mercado. También se puede reducir el tamaño del producto optimizando la Lista de Materiales (BOM, por sus siglas en inglés), utilizando SoCs Bluetooth integrados y módulos, e incorporando diversas funciones y características periféricas requeridas en aplicaciones de atención médica. Esto puede ahorrar una cantidad significativa de espacio en la PCB, mejorar la flexibilidad del diseño y reducir costos.

Para diseñar dispositivos de salud con Bluetooth, se pueden emplear varios conceptos de diseño para acelerar el desarrollo del producto e integrar más funciones. En primer lugar, los dispositivos de salud con Bluetooth pueden utilizar aceleradores integrados de IA/ML para mejorar las funciones de control inteligente del dispositivo. A través del aprendizaje automático (ML), es posible procesar grandes volúmenes de datos de sensores basándose en modelos existentes para identificar irregularidades y determinar qué datos deben transmitirse de vuelta a la nube. En la actualidad, los dispositivos inalámbricos pueden transmitir todos los datos recopilados a la nube para su procesamiento y análisis. Al identificar datos clave en el dispositivo, transmitir solo determinados subconjuntos de datos puede ahorrar recursos valiosos y extender la vida útil de la batería.

La Inteligencia Artificial (IA) también puede ser utilizada para aplicaciones como el cuidado de personas mayores en casa. En estas aplicaciones, la monitorización de signos vitales, el seguimiento de cambios en los datos, la observación de los patrones de marcha y, en general, la identificación de patrones anormales pueden proporcionar datos de diagnóstico cruciales a los proveedores. También puede generar alertas que salvan vidas para los cuidadores y los familiares, mejorando enormemente, e incluso salvando, la vida de los pacientes.

Además, estos productos requieren la integración de más periféricos analógicos, como los ADCs que pueden utilizarse en numerosos dispositivos de salud inalámbricos y dispositivos portátiles para medir sensores y monitorear la energía de la batería. Para los fabricantes de dispositivos de monitoreo continuo de glucosa (CGM) y otros dispositivos de salud portátiles que emplean soluciones de front-end analógico (AFE) discretas, los ADCs y DACs son dos funciones clave que pueden usarse en el chip.

Bajo consumo de energía para mayor eficiencia energética y duración de la batería

Los convertidores DC-DC son un componente crucial para los dispositivos de atención médica alimentados por baterías. Los convertidores elevadores permiten que los SoCs utilicen baterías de bajo voltaje, como las baterías alcalinas y de óxido de plata, con un rango de entrada de 0.8 a 1.7 V. Esto habilita a los SoCs con Bluetooth a operar con voltajes de menor potencia. Los convertidores reductores permiten que los SoCs utilicen otras baterías de 3V, como las celdas de litio tipo moneda, para mejorar la eficiencia energética y la vida útil de la batería, o reducir el tamaño de las baterías.

Para predecir y prevenir el agotamiento inesperado de la batería durante aplicaciones críticas de salud, los contadores de culombios, que son dispositivos de medición de carga, pueden rastrear con precisión la carga de la batería para mejorar la seguridad y experiencia del usuario. Además, los osciladores RC de baja frecuencia son componentes clave para aplicaciones Bluetooth Low Energy (LE) de 2.4 GHz, donde los SoCs de Bluetooth LE necesitan cumplir con una precisión especificada del reloj en modo de suspensión de ±500 ppm.

Dado el bajo nivel de potencia utilizado por los dispositivos de atención médica y tecnología portátil, es importante reducir el número de capas de PCB y componentes en el diseño, manteniendo un rendimiento RF aceptable al trabajar con redes de adaptación. Minimizar el consumo de energía de los dispositivos Bluetooth es esencial, lo que permite a los fabricantes reducir el tamaño de los dispositivos.

Perspectivas prometedoras para el mercado global de dispositivos AR/VR

Los consumidores de hoy en día son cada vez más centrados en el hogar: el trabajo, la educación, la atención médica, las compras y el entretenimiento deben ser accesibles desde casa. Con la tecnología de AR/VR, las fronteras entre el mundo real y el mundo digital se entrelazan. Puedes ponerte un visor de realidad aumentada/virtual (AR/VR HMD), tomar un par de controladores manuales y sumergirte completamente en juegos o películas en 3D. Alternativamente, puedes entrar en un centro comercial virtual realista desde casa, probarte ropa nueva o ver cómo queda un sofá nuevo. Las aplicaciones de AR/VR pueden mejorar las experiencias del consumidor, haciendo nuestra vida más eficiente. Para el 2027, se espera que el mercado global de dispositivos AR/VR crezca a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 26% en aplicaciones AR/VR.

Los dispositivos portátiles de AR/VR presentan desafíos únicos en el diseño inalámbrico. Deben ser extremadamente eficientes en el consumo de energía para maximizar la duración de la batería y los intervalos de carga, al mismo tiempo que se minimiza el peso de la batería. A la vez, necesitan manejar video de gran ancho de banda para ofrecer una experiencia visual natural. La latencia entre los controladores de VR y el HMD es fundamental, lo que exige un retraso mínimo para respuestas oportunas a gestos y movimientos.

Las aplicaciones de AR y VR tienen tres requisitos inalámbricos clave: bajo consumo de energía, baja latencia y conexión estable. La eficiencia energética es crucial para mejorar la experiencia del usuario en dispositivos alimentados por batería y recargables, como los controladores de VR, gafas inteligentes y cascos de AR/VR. Además, la seguridad es una de las principales preocupaciones para los usuarios de dispositivos conectados, ya que los cascos de realidad virtual (HMD) y los controladores de VR pueden servir como puertas de entrada para ataques maliciosos en redes domésticas.

SoCs de Bluetooth de baja energía altamente integrados

Silicon Labs ofrece una variedad de SoCs y módulos para aplicaciones de conectividad y control inalámbrico Bluetooth. A continuación, se presentan algunos productos clave y sus características.

La serie EFR32BG22 es un avanzado SoC Bluetooth Low Energy (BLE) conocido por su eficiencia energética y alta sensibilidad del receptor (RX), lo que lo hace ideal para dispositivos inteligentes de entretenimiento que ahorran energía. El SoC tiene unas dimensiones de solo 4 x 4 mm y cuenta con funciones Secure Vault. Como parte de la plataforma Wireless Gecko Series 2, tanto el EFR32BG22 como el EFR32BG22E BLE SoC están diseñados con un fuerte enfoque en la eficiencia energética, ofreciendo un consumo ultra bajo de energía en transmisión y recepción. El núcleo Arm® Cortex®-M33 de alto rendimiento y bajo consumo ofrece una eficiencia energética líder en la industria, lo que podría extender la vida útil de las baterías de botón hasta diez años.

El BG22 de Silicon Labs ayuda a crear aplicaciones energéticamente eficientes, mientras que el BG22E (la "E" significa Conservación de Energía) mejora aún más la eficiencia energética al extender la vida útil de la batería y admitir diseños completamente libres de baterías. Las series BG22 y BG22E son SoC ideales para dispositivos IoT ambientales o de recolección de energía. Las aplicaciones objetivo incluyen nodos de bajo consumo en redes mesh de Bluetooth, cerraduras inteligentes, dispositivos de salud personal y de fitness.

La serie EFR32BG27 cuenta con SoCs compactos y de ultra bajo consumo disponibles en paquetes WLCSP (2,3 x 2,6 mm) y QFN, que ofrecen soporte para Bluetooth Low Energy de alto rendimiento. Estos SoCs incluyen un convertidor DCDC boost para un amplio rango de voltaje y un contador de coulomb para un seguimiento preciso del nivel de batería, además de soportar seguridad PSA Nivel 2. Los SoCs inalámbricos de la serie EFR32BG27 pueden operar con baterías de botón, abriendo nuevas posibilidades para los fabricantes de dispositivos. Esta serie permite a los fabricantes satisfacer las demandas de aplicaciones con factores de forma extremadamente pequeños sin sacrificar rendimiento ni seguridad.

El SoC Bluetooth BG27 integra funcionalidad de aumento DCDC, permitiendo operar a voltajes tan bajos como 0.8 voltios, y es compatible con baterías alcalinas de celda única y baterías de botón de 1.5 voltios. Además, el pin de activación del BG27 permite que los productos permanezcan apagados durante meses durante el almacenamiento en almacenes o el transporte, consumiendo menos de 20 nA de energía, asegurando que la batería siga siendo utilizable. El contador de culombios integrado monitorea con precisión los niveles de la batería, evitando el agotamiento inesperado de la batería en aplicaciones críticas. Las aplicaciones objetivo incluyen dispositivos conectados de cuidado de la salud, dispositivos portátiles, sensores, interruptores, cerraduras inteligentes, iluminación comercial y de LED.

El EFR32BG24 es un SoC inalámbrico de alto rendimiento y bajo consumo energético, adecuado para dispositivos inteligentes portátiles con eficiencia de batería. Incluye un acelerador integrado de IA/ML y Secure Vault™ con la certificación PSA Nivel 3 más alta. El SoC inalámbrico EFR32BG24 es ideal para conectividad inalámbrica IoT utilizando redes Bluetooth Low Energy y Bluetooth Mesh, siendo adecuado para productos de hogar inteligente, iluminación y dispositivos portátiles de atención médica.

Con su alto rendimiento de RF de 2.4 GHz, bajo consumo de corriente, acelerador de hardware de IA/ML y Secure Vault™, los fabricantes de dispositivos IoT pueden crear productos inteligentes, robustos y energéticamente eficientes, protegiéndolos contra ciberataques remotos y locales. El ARM Cortex®-M33 funciona hasta a 78 MHz, con 1.5 MB de memoria flash y 256 kB de RAM, proporcionando recursos para aplicaciones exigentes mientras deja espacio para el crecimiento futuro. Las aplicaciones previstas incluyen gateways/hubs, sensores, interruptores, cerraduras de puertas, enchufes inteligentes, iluminación LED, luminarias, glucómetros y oxímetros de pulso.

Soluciones para dispositivos inalámbricos IoT de ultra bajo consumo

El SoC inalámbrico propietario de 2.4 GHz EFR32FG22 (FG22) Serie 2 ofrece una eficiencia energética líder en la industria y una sensibilidad del receptor (RX) excepcional, lo que lo convierte en una opción ideal para dispositivos inteligentes de entretenimiento que ahorran energía. Cuenta con un tamaño compacto de tan solo 4 x 4 mm y admite las características de Secure Vault. Las soluciones de SoC inalámbrico propietario de 2.4 GHz EFR32FG22 y EFR32FG22E forman parte de la plataforma Wireless Gecko Serie 2.

El SoC FG22 integra un núcleo Arm® Cortex®-M33 con TrustZone de 38.4 MHz y una radio de alto rendimiento con una sensibilidad de recepción de -102.3 dBm. El FG22 permite crear aplicaciones de ahorro de energía, mientras que el FG22E (“E” de Conservación de Energía) mejora aún más las ventajas de ahorro de energía al extender la duración de la batería y admitir diseños completamente sin batería. Este SoC combina una transmisión y recepción de energía ultra baja (8.2 mA TX a +6 dBm, 3.6 mA RX), un consumo de energía de 1.2 µA en modo de sueño profundo y funciones innovadoras de bajo consumo como RFSense, ofreciendo una eficiencia energética líder en la industria para extender la vida útil de productos con opciones limitadas de batería o recolección de energía.

El Módulo Inalámbrico Silicon Labs RS9116 es un módulo SiP de Wi-Fi 4 (802.11 b/g/n) RF certificado de ultra bajo consumo, con una antena integrada, que admite Bluetooth Low Energy, Bluetooth Classic y pilas de protocolos de red seguros, todo en un tamaño compacto de 4.63 x 7.90 x 0.9 mm. El módulo inalámbrico RS9116 está disponible en versiones de banda única y banda dual, ofreciendo una solución integral de conectividad inalámbrica multiprotocolo, incluyendo Wi-Fi y Bluetooth 5 de modo dual. El módulo inalámbrico cuenta con un rendimiento optimizado para bajo consumo, proporcionando un alto rendimiento de datos y mayor alcance, y está certificado por FCC, IC y ETSI/CE.

El SiWx917 Wi-Fi 6 y Bluetooth Low Energy 5.4 Wireless SoC es un SoC que admite Wi-Fi 6 y Bluetooth Low Energy de bajo consumo, adecuado para dispositivos inteligentes energéticamente eficientes, con hasta 8 MB de memoria flash y PSRAM externa. El SoC SiWx917 es el SoC de Wi-Fi 6 de menor consumo de Silicon Labs, ideal para dispositivos inalámbricos IoT de ultra bajo consumo que utilizan Wi-Fi®, Bluetooth, Matter y redes IP para una conectividad segura en la nube, lo que lo hace perfecto para desarrollar dispositivos alimentados por baterías de larga duración.

El SiWx917 SoC incluye un subsistema de CPU inalámbrico de ultra bajo consumo con Wi-Fi 6 y Bluetooth Low Energy 5.4, un subsistema de aplicaciones con microcontrolador (MCU) integrado, características de seguridad, periféricos y un subsistema de gestión de energía, todo integrado en un paquete QFN de 7 x 7 mm. El subsistema inalámbrico consta de un procesador multitarea que opera a hasta 160 MHz, procesamiento de señales digitales de banda base, front-end analógico, transceptor RF de 2.4 GHz y amplificador de potencia integrado.

El subsistema de aplicaciones del SiWx917 consta de un ARM® Cortex®-M4F que funciona a hasta 180 MHz, SRAM integrada, memoria flash y un concentrador de sensores. El ARM® Cortex®-M4F está dedicado a los periféricos y al procesamiento relacionado con las aplicaciones, mientras que el procesador inalámbrico de red ejecuta las pilas de protocolos de red e inalámbricos en hilos independientes, proporcionando una solución completamente integrada para diversas aplicaciones IoT inalámbricas incrustadas. Las aplicaciones objetivo incluyen hogares inteligentes, salud y dispositivos portátiles de consumo, atención médica, industria, comercio minorista, edificios y ciudades inteligentes, y seguimiento de activos.

Conclusión

En el entorno tecnológico en rápida evolución de hoy, desarrollar dispositivos inteligentes no se trata solo de innovación tecnológica, sino también de un camino crucial para satisfacer las necesidades de los usuarios y mejorar la calidad de vida. En el proceso de diseño de dispositivos inteligentes, los diseñadores pueden aprovechar tecnologías avanzadas de sensores, análisis de big data e inteligencia artificial. Estas tecnologías modernas permiten que los dispositivos inteligentes logren métodos de interacción más eficientes e inteligentes, ofreciendo a los usuarios una experiencia de vida más cómoda y conveniente. Silicon Labs proporciona soluciones integrales de productos y servicios de soporte técnico, lo que lo convierte en uno de los mejores socios para desarrollar productos relacionados.