Concetti di design e soluzioni per lo sviluppo di dispositivi intelligenti

Progettare dispositivi sanitari e indossabili Bluetooth più intelligenti e compatti

Per sviluppare un dispositivo sanitario Bluetooth compatto e altamente richiesto, non si tratta solo di scegliere i componenti hardware più piccoli disponibili sul mercato. È possibile ridurre ulteriormente le dimensioni del prodotto ottimizzando la distinta base (Bill of Materials, BOM), utilizzando SoC Bluetooth integrati e moduli, e incorporando varie funzioni e caratteristiche periferiche necessarie nelle applicazioni sanitarie. Questo può risparmiare una quantità significativa di spazio sulla scheda PCB, migliorare la flessibilità del design e ridurre i costi.

Per progettare dispositivi sanitari Bluetooth, è possibile utilizzare diversi concetti di progettazione per accelerare lo sviluppo del prodotto e integrare più funzioni. Innanzitutto, i dispositivi sanitari Bluetooth possono sfruttare acceleratori integrati di AI/ML per migliorare le funzioni di controllo intelligente del dispositivo. Attraverso il machine learning (ML), è possibile elaborare grandi quantità di dati dei sensori basandosi su modelli esistenti, identificare irregolarità e determinare quali dati debbano essere trasmessi al cloud. Oggi, i dispositivi wireless possono trasmettere tutti i dati raccolti al cloud per essere analizzati ed elaborati. Identificando i dati chiave direttamente sul dispositivo e trasmettendo solo determinate porzioni al cloud, è possibile risparmiare risorse preziose e prolungare la durata della batteria.

L'intelligenza artificiale (IA) può essere utilizzata anche per applicazioni come l'assistenza agli anziani a domicilio. In queste applicazioni, il monitoraggio dei segni vitali, il tracciamento delle variazioni dei dati, l'osservazione dei modelli di deambulazione e, più in generale, l'identificazione di schemi anomali possono fornire dati diagnostici cruciali ai fornitori di assistenza. Può inoltre attivare avvisi salvavita per i caregiver e i membri della famiglia, migliorando notevolmente, e perfino salvando, la vita dei pazienti.

Inoltre, questi prodotti richiedono l'integrazione di più periferiche analogiche, come gli ADC che possono essere utilizzati in molti dispositivi sanitari wireless e indossabili per misurazioni dei sensori e monitoraggio della batteria. Per i produttori di dispositivi di monitoraggio continuo della glicemia (CGM) e altri dispositivi sanitari portatili che utilizzano soluzioni discrete analog front-end (AFE), gli ADC e i DAC sono due funzioni chiave che possono essere utilizzate sul chip.

Basso consumo energetico per migliorare l'efficienza energetica e la durata della batteria

I convertitori DC-DC sono un componente cruciale per i dispositivi sanitari alimentati a batteria. I convertitori boost consentono ai SoC di utilizzare batterie a bassa tensione, come le batterie alcaline e quelle a ossido d'argento, con un intervallo di ingresso compreso tra 0,8 e 1,7 V. Questo permette ai SoC Bluetooth di funzionare a tensioni di alimentazione più basse. I convertitori buck consentono ai SoC di utilizzare altre batterie da 3V, come le batterie al litio a forma di moneta, per migliorare l'efficienza energetica e la durata della batteria o per ridurre le dimensioni della batteria.

Per prevedere e prevenire l'esaurimento imprevisto della batteria durante applicazioni sanitarie critiche, i contatori coulomb, dispositivi di misurazione della carica, possono monitorare accuratamente la carica della batteria per migliorare la sicurezza e l'esperienza dell'utente. Inoltre, gli oscillatori RC a bassa frequenza sono componenti chiave per le applicazioni Bluetooth Low Energy (LE) a 2,4 GHz, dove i SoC Bluetooth LE devono soddisfare una precisione specifica dell'orologio in modalità sleep pari a ±500 ppm.

Considerando i bassi livelli di potenza utilizzati dai dispositivi sanitari e indossabili, è importante ridurre il numero di strati PCB e componenti nel progetto, mantenendo al contempo prestazioni RF accettabili nelle reti di adattamento. Ridurre al minimo il consumo energetico dei dispositivi Bluetooth è fondamentale, consentendo ai produttori di dispositivi di ridurre il fattore di forma dei dispositivi.

Prospettive promettenti per il mercato globale dei dispositivi AR/VR

Oggi i consumatori sono sempre più orientati a uno stile di vita centrato sulla casa: lavoro, istruzione, assistenza sanitaria, shopping e intrattenimento devono essere accessibili direttamente da casa. Con la tecnologia AR/VR, i confini tra il mondo reale e il mondo digitale si intrecciano. Puoi indossare un visore AR/VR (HMD), prendere un paio di controller manuali e immergerti completamente in giochi o film in 3D. In alternativa, puoi entrare in un realistico centro commerciale virtuale direttamente da casa, provare nuovi vestiti o vedere come appare un nuovo divano. Le applicazioni AR/VR possono migliorare l'esperienza dei consumatori, rendendo le nostre vite più efficienti. Entro il 2027, si prevede che il mercato globale dei dispositivi AR/VR registrerà un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 26% per le applicazioni AR/VR.

I dispositivi AR/VR indossabili presentano sfide uniche nella progettazione wireless. Devono essere estremamente efficienti dal punto di vista energetico per massimizzare la durata della batteria e gli intervalli di ricarica, minimizzando al contempo il peso della batteria. Allo stesso tempo, devono gestire video ad alta larghezza di banda per offrire un'esperienza visiva naturale. La latenza tra i controller VR e l'HMD è fondamentale, richiedendo un ritardo minimo per risposte tempestive ai gesti e ai movimenti.

Le applicazioni AR e VR hanno tre requisiti chiave per la connessione wireless: basso consumo energetico, bassa latenza e connessione stabile. L'efficienza energetica è fondamentale per migliorare l'esperienza utente dei dispositivi alimentati a batteria o ricaricabili, come i controller VR, gli occhiali smart e i visori AR/VR. Inoltre, la sicurezza è una delle principali preoccupazioni per gli utenti dei dispositivi connessi, poiché gli HMD e i controller VR possono fungere da porte d'accesso per attacchi dannosi alle reti domestiche.

SoC Bluetooth Low Energy altamente integrati

Silicon Labs offre una varietà di SoC e moduli per la connettività wireless Bluetooth e applicazioni di controllo. Di seguito sono riportati alcuni prodotti principali e le loro caratteristiche.

La serie EFR32BG22 è un avanzato SoC Bluetooth Low Energy (BLE) noto per la sua efficienza energetica e la sensibilità del ricevitore (RX), rendendolo ideale per dispositivi smart per l'intrattenimento a basso consumo energetico. Il SoC misura solo 4 x 4 mm e supporta le funzionalità di Secure Vault. Parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2, sia le soluzioni BLE SoC EFR32BG22 che EFR32BG22E sono progettate con un forte focus sull'efficienza energetica, offrendo un consumo estremamente basso sia in trasmissione che in ricezione. Il core Arm® Cortex®-M33 ad alte prestazioni e basso consumo offre un'efficienza energetica leader nel settore, potenzialmente estendendo la durata delle batterie a bottone fino a dieci anni.

Il BG22 di Silicon Labs aiuta nella creazione di applicazioni ad alta efficienza energetica, mentre il BG22E (dove "E" sta per Conservazione dell'Energia) migliora ulteriormente l'efficienza energetica estendendo la durata della batteria e supportando progetti completamente senza batteria. Le serie BG22 e BG22E sono SoC ideali per dispositivi IoT ambientale o per dispositivi che sfruttano il recupero energetico. Le applicazioni target includono nodi a bassa potenza nelle reti mesh Bluetooth, serrature intelligenti, dispositivi per la salute personale e la forma fisica.

La serie EFR32BG27 comprende SoC compatti a bassissimo consumo disponibili nei pacchetti WLCSP (2,3 x 2,6 mm) e QFN, che supportano il Bluetooth Low Energy ad alte prestazioni. Questi SoC includono un convertitore boost DCDC per un ampio intervallo di tensione e un contatore a coulomb per un monitoraggio preciso del livello della batteria, oltre a supportare la sicurezza PSA di Livello 2. I SoC wireless della serie EFR32BG27 possono funzionare con batterie a bottone, aprendo nuove possibilità per i produttori di dispositivi. Questa serie consente ai produttori di soddisfare le esigenze di applicazioni con fattori di forma estremamente ridotti senza compromettere prestazioni e sicurezza.

Il SoC Bluetooth BG27 integra la funzionalità DCDC boost, consentendo il funzionamento a tensioni fino a 0,8 volt, supportando batterie alcaline a singola cella e batterie a bottone da 1,5 volt. Inoltre, il pin di risveglio del BG27 consente ai prodotti di rimanere spenti per mesi durante lo stoccaggio in magazzino o il trasporto, consumando meno di 20 nA di energia, garantendo che la batteria rimanga utilizzabile. Il contatore di coulomb integrato monitora accuratamente i livelli della batteria, prevenendo esaurimenti inattesi della batteria in applicazioni critiche. Le applicazioni target includono dispositivi connessi per la salute, indossabili, sensori, interruttori, serrature smart e illuminazione commerciale e a LED.

Il EFR32BG24 è un SoC wireless ad alte prestazioni e a basso consumo energetico, ideale per dispositivi indossabili intelligenti a risparmio energetico, con un acceleratore integrato AI/ML e Secure Vault™ con la certificazione PSA di livello 3 più elevata. Il SoC wireless EFR32BG24 è perfetto per la connettività wireless IoT utilizzando reti Bluetooth Low Energy e Bluetooth Mesh, adatto per smart home, illuminazione e prodotti sanitari portatili.

Con le sue prestazioni elevate a 2,4 GHz RF, il basso consumo di corrente, l'acceleratore hardware AI/ML e il Secure Vault™, i produttori di dispositivi IoT possono creare prodotti intelligenti, robusti ed efficienti dal punto di vista energetico, proteggendoli dagli attacchi informatici remoti e locali. L'ARM Cortex®-M33 funziona fino a 78 MHz, con 1,5 MB di memoria flash e 256 kB di RAM, fornendo risorse per applicazioni impegnative e lasciando spazio per futuri aggiornamenti. Le applicazioni target includono gateway/hub, sensori, interruttori, serrature per porte, prese intelligenti, illuminazione LED, lampade, glucometri e ossimetri.

Soluzioni per dispositivi wireless IoT a ultra-bassa potenza

L'EFR32FG22 (FG22) Series 2 Proprietary Wireless 2.4 GHz SoC offre un'efficienza energetica leader nel settore e una sensibilità del ricevitore (RX) eccellente, rendendolo ideale per dispositivi smart per l'intrattenimento a risparmio energetico. Presenta un ingombro ridotto di soli 4 x 4 mm e supporta funzionalità Secure Vault. Le soluzioni EFR32FG22 e EFR32FG22E Proprietary Wireless 2.4 GHz SoC fanno parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2.

Il SoC FG22 integra un core Arm® Cortex®-M33 a 38,4 MHz con TrustZone e una radio ad alte prestazioni con una sensibilità di ricezione di -102,3 dBm. Il FG22 consente di creare applicazioni a risparmio energetico, mentre il FG22E (“E” sta per Conservazione dell'Energia) migliora ulteriormente i vantaggi del risparmio energetico estendendo la durata della batteria e supportando design completamente senza batterie. Questo SoC combina una trasmissione e ricezione ultra-low power (8,2 mA TX a +6 dBm, 3,6 mA RX), una modalità di deep sleep a 1,2 µA, e innovative funzionalità a basso consumo come RFSense, offrendo un'efficienza energetica leader nel settore per prolungare la durata dei prodotti che dispongono di batterie limitate o opzioni di raccolta energetica.

Il modulo wireless RS9116 di Silicon Labs è un modulo SiP Wi-Fi 4 (802.11 b/g/n) RF certificato a bassissimo consumo energetico con antenna integrata, che supporta Bluetooth Low Energy, Bluetooth Classic e stack di protocolli di rete sicuri, il tutto in una dimensione compatta di 4,63 x 7,90 x 0,9 mm. Il modulo wireless RS9116 è disponibile in versioni a singola e doppia banda, offrendo una soluzione completa per la connettività wireless multiprotocollo, inclusi Wi-Fi e Bluetooth 5 a doppia modalità. Il modulo wireless è caratterizzato da prestazioni ottimizzate per il consumo energetico, garantendo un'elevata velocità di trasmissione dati e un'estesa portata, ed è certificato FCC, IC ed ETSI/CE.

Il SiWx917 Wi-Fi 6 e Bluetooth Low Energy 5.4 Wireless SoC è un SoC che supporta Wi-Fi 6 a basso consumo e Bluetooth Low Energy, adatto per dispositivi smart a risparmio energetico, con fino a 8 MB di memoria flash e PSRAM esterna. Il SoC SiWx917 è il SoC Wi-Fi 6 a consumo più basso di Silicon Labs, ideale per dispositivi wireless IoT ultra-efficienti che utilizzano Wi-Fi®, Bluetooth, Matter e reti IP per una connettività sicura al cloud, rendendolo perfetto per sviluppare dispositivi alimentati da batterie di lunga durata.

Il SoC SiWx917 include un sottosistema wireless ultra-low-power Wi-Fi 6 e Bluetooth Low Energy 5.4, un sottosistema applicativo con microcontroller (MCU) integrato, funzionalità di sicurezza, periferiche e un sottosistema di gestione della potenza, tutti integrati in un package QFN da 7 x 7 mm. Il sottosistema wireless comprende un processore multi-thread che opera fino a 160 MHz, elaborazione digitale del segnale baseband, front end analogico, transceiver RF a 2,4 GHz e amplificatore di potenza integrato.

Il sottosistema applicativo del SiWx917 è composto da un ARM® Cortex®-M4F che opera fino a 180 MHz, SRAM integrata, memoria flash e un hub sensori. L'ARM® Cortex®-M4F è dedicato ai periferici e all'elaborazione relativa alle applicazioni, mentre il processore di rete wireless esegue gli stack di protocollo wireless e di rete su thread indipendenti, offrendo una soluzione completamente integrata per diverse applicazioni IoT wireless embedded. Le applicazioni target includono case intelligenti, salute e dispositivi indossabili per i consumatori, sanità, industria, vendita al dettaglio, edifici e città intelligenti, e tracciamento degli asset.

Conclusione

Nell'attuale ambiente tecnologico in rapida evoluzione, sviluppare dispositivi intelligenti non riguarda solo l'innovazione tecnologica, ma rappresenta anche un percorso cruciale per soddisfare le esigenze degli utenti e migliorare la qualità della vita. Nel processo di progettazione dei dispositivi intelligenti, i designer possono sfruttare tecnologie avanzate di sensori, analisi dei big data e intelligenza artificiale. Queste tecnologie moderne consentono ai dispositivi intelligenti di ottenere metodi di interazione più efficienti e intelligenti, offrendo agli utenti un'esperienza di vita più comoda e confortevole. Silicon Labs fornisce soluzioni di prodotto complete e servizi di supporto tecnico, rendendola uno dei migliori partner per lo sviluppo di prodotti correlati.