Dispositivi indossabili: come ottimizzare l’equilibrio tra prestazioni e consumi

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Una fruizione ottimale è fondamentale per garantire il successo delle tecnologie indossabili anche in considerazione della loro evoluzione: i semplici dispositivi iniziali, caratterizzati da funzionalità limitate e buona autonomia della batteria sono rimpiazzati in misura sempre maggiore da dispositivi senz’altro più “intelligenti”, ma anche più “affamati di energia”. Una fruizione ottimizzata non significa soltanto offrire le funzioni e le prestazioni richieste dagli utenti più sofisticati, ma anche riuscire a garantire un utilizzo semplice ed efficace del dispositivo. Un fattore essenziale è il tempo che l’utente ha a disposizione per sfruttare funzionalità e prestazioni, prima di dover ricaricare il dispositivo.

Fig. 1 – Esempio di schema a blocchi di un dispositivo indossabile, intelligente e connesso

Un problema importante che il progettista di prodotti indossabili deve affrontare è la ricerca del miglior compromesso tra funzionalità, prestazioni e autonomia della batteria. Ciò, a sua volta, implica un’attenta considerazione delle tecnologie dei processori utilizzati.

L’evoluzione della tecnologia indossabile

L’interesse per la tecnologia portatile ha origini più remote di quanto si possa immaginare. Il primo orologio portatile fu realizzato nel XVI secolo, mentre le calcolatrici portatili del XVII secolo assumevano la forma di anelli indossabili durante la dinastia dei Qing. Ma non fu che verso la fine del XX secolo che apparirono i primi veri dispositivi indossabili, come i cronometri grafici da polso e il Walkman di Sony.

Fig. 2 – Schema a blocchi del processore TZ1200

Nel XXI secolo, la velocità di adozione è cresciuta rapidamente, soprattutto con i braccialetti per il fitness e, più recentemente, con i più intelligenti dispositivi “connessi”. Secondo Gartner, gli oggetti indossabili detengono la maggior quota di mercato dell’Internet of Things (IoT), con oltre 4 miliardi di dispositivi già connessi e 5,5 milioni di dispositivi che si aggiungono ogni giorno. E mentre oggi la maggior parte dei dispositivi richiedono un collegamento al mondo esterno tramite un’app su uno smartphone, gli indossabili di nuova generazione hanno più elementi in comune con gli stessi smartphone rispetto ai precedenti dispositivi “stupidi”. In effetti, molte delle innovazioni – dalle interfacce MMI per display e touchscreen ai prodotti per la connettività wireless come BLE, WiFi e GPS – affondano le proprie radici nella tecnologia degli smartphone.

Un aspetto che un progettista deve tenere nella massima considerazione è la capacità di creare dispositivi abbastanza interessanti da invogliare l’utente a continuare a utilizzarli e ad acquistarli nel corso delle successive generazione. Lo dimostra una ricerca in cui è emerso che la metà di tutti gli activity tracker (braccialetti per il fitness) acquistati non vengono più utilizzati, mentre un terzo finiscono tra i rifiuti dopo solo sei mesi dall’acquisto. Tra i motivi della perdita di interesse vi sono la scarsità di funzioni, la difficoltà di utilizzo e la mancanza di praticità, non ultima in termini di autonomia di ricarica. Da qui la necessità di riuscire a proporre dispositivi indossabili in grado di abbinare un gran numero di funzionalità, eccellenti prestazioni e lunga durata della batteria.

Problematiche di progetto

I nuovi dispositivi indossabili richiedono l’integrazione di una varietà di blocchi funzionali in uno spazio molto ristretto, come illustrato in figura 1.

Processori, batterie e alimentatori, display, audio, MMI, interfacce e dispositivi di sicurezza sono solo alcuni degli elementi che concorrono alla creazione del dispositivo. Oltre a questi è necessario integrare anche accelerometri, giroscopi e una vasta gamma di sensori che inviano segnali che dovranno essere acquisiti ed elaborati.

Fig. 3 – Il funzionamento intermittente garantisce un maggior risparmio energetico

Anche se il numero di funzioni non rappresenta un serio ostacolo, occorre considerare il fatto che i requisiti sono tra di loro contrastanti. L’aumento di funzionalità e prestazioni può facilmente essere ottenuto con un processore più veloce e di maggiori dimensioni, che ha comunque un impatto rilevante sugli ingombri e sull’autonomia della carica.

L’attività su base continuativa di sensori e funzioni di comunicazioni contribuisce a ridurre la durata della batteria, ragion per cui i progettisti devono adottare metodologie per disalimentare quelle parti di sistema che non sono utilizzate in un dato momento. Anche se i dispositivi indossabili sfruttano parti di progetto mutuate dai loro “cugini” smartphone, il problema dello spazio richiede l’adozione di regole più severe per quel che concerne i consumi e l’insorgere di problematiche legate alle interferenze elettromagnetiche (EMI).

Per raggiungere l’obiettivo di garantire prestazioni soddisfacenti in un fattore di forma ridotto con consumi ottimizzati per ottenere un’autonomia adeguata della batteria, i progettisti devono considerare molto attentamente la tecnologia del processore scelto.

Tecnologia dei processori integrati nei dispositivi indossabili

Per aiutare i progettisti a risolvere questi problemi, un numero sempre maggiore di aziende propone processori ottimizzati per applicazioni IoT e per dispositivi indossabili. I processori applicativi della serie ApP Lite di Toshiba, ad esempio, sono destinati all’impiego in orologi “intelligenti” e dispositivi per il monitoraggio delle attività. Il più recente membro di questa famiglia è il modello TZ1200, il cui schema a blocchi è riportato in figura 2.

Si tratta di un dispositivo compatto (8x8x0,6 mm), basato su un processore RISC ARM Cortex-M4F in virgola mobile a 32 bit a elevate prestazioni e dotato di unità di protezione della memoria e di un versatile processore di interrupt in grado di funzionare a una frequenza massima di 120 MHz. Questo core, abbinato al modulo di gestione della potenza integrato, permette al processore TZ1200 di assorbire solamente 78 μA/MHz durante il funzionamento normale. Con una batteria da 200 mAh e un apposito software di gestione della potenza, il tempo tra le ricariche è di circa una settimana per i cardiofrequenzimetri e di circa un mese per gli orologi.

Fig. 4 – Misura della frequenza cardiaca

Oltre ai 2,2 MB di SRAM embedded ad alta velocità, il dispositivo TZ1200 integra al suo interno interfacce per chip di memoria esterni come SPI NOR, SPI NAND ed e•MMC. Un controller LCD avanzato con motore grafico 2D supporta i protocolli MIPI DBI (Display Bus Interface) e DSI (Display Serial Interface) ed è compatibile con display HVGA (480×320) a 30 fps e display QVGA con frequenze di aggiornamento fino a 50 fps. L’acceleratore grafico 2D (GFX) si propone come una piattaforma ad alte prestazioni tracciare, ruotare e ridimensionare immagini su un display, oltre a effettuare conversioni di colore. Ciò riduce il carico di lavoro sul processore e contribuisce a migliorare ulteriormente l’efficienza energetica.

L’impiego di sensori esterni e dispositivi periferici in grado di monitorare l’attività e il movimento è supportato da interfacce integrate USB, UART, SPI e I²C in combinazione con un motore hardware di compressione e decompressione dei dati senza perdite di informazioni.

Un elemento particolarmente importante del nuovo processore è il front-end analogico ad alta precisione (AFE, Analogue Front-End) che combina un convertitore analogico/digitale (ADC) delta-sigma a 24 bit, un ADC a 12 bit, un convertitore digitale/analogico (DAC) a 12 bit e un LED DAC. Uno dei grandi vantaggi del blocco funzionale AFE è la rilevazione di tipo diretto, ossia le uscite dei sensori analogici possono essere collegate direttamente all’ADC ad alta risoluzione del TZ1200. Ciò contribuisce a ridurre lo spazio occupato, i consumi e le interferenze EMI e a semplificare il progetto grazie all’eliminazione dei tradizionali elementi richiesti per il “pre-condizionamento” (filtro passa-alto, amplificatore ad alto guadagno e filtro passa-basso) dei segnali. Nella rilevazione diretta, queste funzioni di condizionamento vengono svolte a livello software direttamente nel processore.

In questo modo, il blocco AFE semplifica l’implementazione e migliora le prestazioni di funzioni tipiche dei dispositivi indossabili come la misura dell’impedenza (nella tecnica della risposta galvanica della pelle o GSR, Galvanic Skin Response), la misura della tensione (utilizzata per il monitoraggio cardiaco tramite “circuito di monitoraggio della gamba destra”) e la misura della corrente richiesta nella misura del battito cardiaco tramite fotopletismografo a LED e la misura della saturazione di ossigeno tramite ossimetro a impulsi (SpO₂).

Un esempio applicativo: la misura della frequenza cardiaca

Un’applicazione chiave della maggior parte degli indossabili orientati al fitness è la misura del battito cardiaco. Questa funzione deve permettere un monitoraggio visivo continuo da parte dell’utente. Un monitoraggio continuo, tuttavia, ha un impatto significativo sul consumo di energia e quindi sulla durata della batteria. Le soluzioni tradizionali che utilizzano il filtraggio esterno lasciano poca libertà alla scelta del metodo di monitoraggio continuo, come illustrato nella prima riga di figura 3.

Tuttavia, a seconda della risoluzione richiesta (è possibile ottimizzare precisione e velocità in base all’utilizzo previsto), il processore TZ1200 può essere configurato per diversi livelli di funzionamento intermittente. Come illustrato in figura 3, ciò implica che è possibile ridurre il consumo di corrente totale del sensore di monitoraggio del battito cardiaco di oltre il 98%, rispetto a un sistema tradizionale. Inoltre, poiché l’ADC a 24 bit utilizza una FIFO x 16, la CPU non deve necessariamente attivarsi ogni volta che viene ricevuto un segnale dal sensore (Fig. 4). Ciò significa che il consumo complessivo medio di corrente, incluso il LED di monitoraggio del battito in uscita, può essere di soli 0,85 mA.

Un supporto completo

Oltre alla tecnologia del processore, i progettisti di dispositivi indossabili richiedono ecosistemi di supporto sempre più sofisticati che permettano loro di accelerare le fasi di prototipazione e di collaudo per ridurre il time-to-market. Nel caso del processore TZ1200 ApP Lite, Toshiba ha realizzato una scheda di valutazione completa. Questa scheda abbina il processore con memorie SPI-Flash ed e•MMC, I/O per circuiti audio, un sensore a 6 assi, un display DSI con schermo tattile e funzioni di comunicazioni Bluetooth Low Energy.

La scheda di valutazione è dotata di un software che permette una rapida creazione dell’interfaccia grafica, e comprende una libreria di immagini e un middleware grafico per la loro manipolazione. Esso include operazioni di riempimento, funzione di “blit e blend” e programmi per la rotazione e l’animazione. La scheda di valutazione può essere utilizzata anche insieme ai tool di supporto e ai BSP dei principali fornitori di tool per sistemi embedded.

Luciano Duca, general manager, Toshiba Electronics Europe

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