Designkonzepte und Lösungen für die Entwicklung intelligenter Geräte

Entwicklung intelligenterer, kompakterer Bluetooth-Gesundheits- und Wearable-Geräte

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

Um Bluetooth-Gesundheitsgeräte zu entwerfen, können mehrere Designkonzepte verwendet werden, um die Produktentwicklung zu beschleunigen und mehr Funktionen zu integrieren. Erstens können Bluetooth-Gesundheitsgeräte integrierte AI/ML-Beschleuniger nutzen, um die intelligenten Steuerungsfunktionen des Geräts zu verbessern. Durch maschinelles Lernen (ML) ist es möglich, große Mengen an Sensordaten basierend auf bestehenden Modellen zu verarbeiten, um Unregelmäßigkeiten zu identifizieren und festzustellen, welche Daten zurück in die Cloud übertragen werden müssen. Heutzutage können drahtlose Geräte alle gesammelten Daten zur Verarbeitung und Analyse in die Cloud übertragen. Durch die Identifizierung von Schlüsseldaten auf dem Gerät kann das Übertragen nur bestimmter Datensätze wertvolle Ressourcen sparen und die Batterielebensdauer verlängern.

Künstliche Intelligenz (AI) kann auch für Anwendungen wie die Altenpflege zu Hause genutzt werden. In diesen Anwendungen können das Überwachen von Vitalzeichen, das Verfolgen von Datenänderungen, das Beobachten von Gangmustern und allgemein das Erkennen von abnormalen Mustern entscheidende Diagnosedaten für Anbieter liefern. Sie kann auch lebensrettende Warnungen an Betreuer und Familienmitglieder auslösen, wodurch das Leben von Patienten erheblich verbessert und sogar gerettet werden kann.

Darüber hinaus erfordern diese Produkte die Integration weiterer analoger Peripheriegeräte, wie z. B. ADCs, die in vielen drahtlosen Gesundheits- und Wearable-Geräten für Sensor Messungen und die Überwachung des Batteriestands genutzt werden können. Für Hersteller von kontinuierlichen Glukoseüberwachungssystemen (CGM) und anderen tragbaren Gesundheitsgeräten, die diskrete Analog-Front-End-Lösungen (AFE) verwenden, sind ADCs und DACs zwei wichtige Funktionen, die auf dem Chip genutzt werden können.

Niedriger Energieverbrauch für verbesserte Energieeffizienz und Batterielebensdauer

DC-DC-Wandler sind eine entscheidende Komponente für batteriebetriebene Gesundheitsgeräte. Boost-Wandler ermöglichen es SoCs, Niederspannungsbatterien wie Alkaline- und Silberoxidbatterien mit einem Eingangsbereich von 0,8 bis 1,7 V zu verwenden. Dies ermöglicht es Bluetooth-SoCs, mit niedrigeren Betriebsspannungen zu arbeiten. Buck-Wandler ermöglichen es SoCs, andere 3V-Batterien wie Lithium-Knopfzellen zu nutzen, um die Energieeffizienz und die Batterielebensdauer zu verbessern oder die Batteriegöße zu reduzieren.

Um eine unerwartete Entladung von Batterien während kritischer Gesundheitsanwendungen vorherzusagen und zu verhindern, können Coulomb-Zähler, die Ladungsmessgeräte sind, den Batterieladestand genau verfolgen, um die Benutzersicherheit und -erfahrung zu verbessern. Zusätzlich sind niederfrequente RC-Oszillatoren Schlüsselkomponenten für Bluetooth Low Energy (LE) 2,4 GHz-Anwendungen, bei denen Bluetooth LE SoCs eine spezifizierte Genauigkeit der Schlafuhr von ±500 ppm erfüllen müssen.

Angesichts der niedrigen Leistungspegel, die von Gesundheitstechnologie und tragbaren Geräten verwendet werden, ist es wichtig, die Anzahl der PCB-Schichten und Komponenten im Design zu reduzieren, während eine akzeptable RF-Performance bei Matching-Netzwerken beibehalten wird. Die Minimierung des Stromverbrauchs von Bluetooth-Geräten ist entscheidend, um es Geräteherstellern zu ermöglichen, die Bauform der Geräte zu verkleinern.

Vielversprechende Aussichten für den globalen AR/VR-Gerätemarkt

Heutige Verbraucher sind zunehmend heimzentriert – Arbeit, Bildung, Gesundheitsversorgung, Einkaufen und Unterhaltung müssen von zu Hause aus zugänglich sein. Mit AR/VR-Technologie verschwimmen die Grenzen zwischen der realen Welt und der digitalen Welt. Man kann ein AR/VR-Head-Mounted-Display (HMD) aufsetzen, ein paar handgehaltene Controller greifen und in 3D-Spiele oder Filme eintauchen. Alternativ kann man von zu Hause aus ein realistisches virtuelles Einkaufszentrum betreten, neue Kleidung anprobieren oder sehen, wie ein neues Sofa aussieht. AR/VR-Anwendungen können das Verbrauchererlebnis verbessern und unser Leben effizienter gestalten. Bis 2027 wird erwartet, dass der globale AR/VR-Gerätemarkt eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 26 % für AR/VR-Anwendungen verzeichnen wird.

Tragbare AR/VR-Geräte stellen einzigartige drahtlose Designherausforderungen dar. Sie müssen extrem energieeffizient sein, um die Batterielebensdauer und die Ladeintervalle zu maximieren und gleichzeitig das Gewicht der Batterie zu minimieren. Gleichzeitig müssen sie hochbandbreitiges Video verarbeiten, um ein natürliches visuelles Erlebnis zu bieten. Die Latenz zwischen VR-Controllern und HMD ist entscheidend und erfordert eine minimale Verzögerung für rechtzeitige Reaktionen auf Gesten und Bewegungen.

AR- und VR-Anwendungen haben drei wesentliche drahtlose Anforderungen: niedriger Stromverbrauch, niedrige Latenz und stabile Verbindung. Energieeffizienz ist entscheidend für die Verbesserung des Benutzererlebnisses von batteriebetriebenen und wiederaufladbaren Geräten wie VR-Controllern, Smart Glasses und AR/VR-Headsets. Darüber hinaus ist Sicherheit eine der größten Sorgen für Nutzer von verbundenen Geräten, da HMDs und VR-Controller als Zugänge für bösartige Angriffe auf Heimnetzwerke dienen können.

Hochintegrierte Bluetooth Low Energy SoCs

Silicon Labs bietet eine Vielzahl von SoCs und Modulen für Anwendungen zur drahtlosen Bluetooth-Konnektivität und -Steuerung an. Nachfolgend sind einige wichtige Produkte und deren Merkmale aufgeführt.

Die EFR32BG22-Serie ist ein hochmodernes Bluetooth Low Energy (BLE) SoC, das für seine Energieeffizienz und Empfängerempfindlichkeit (RX) 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 konzipiert und bieten extrem niedrige Sende- und Empfangsleistung. Der leistungsstarke, energieeffiziente Arm® Cortex®-M33-Kern bietet branchenführende Energieeffizienz und kann die Lebensdauer von Knopfzellenbatterien potenziell auf bis zu zehn Jahre verlängern.

Die BG22 von Silicon Labs unterstützt die Entwicklung energieeffizienter Anwendungen, während die BG22E ("E" steht für Energieeinsparung) die Energieeffizienz weiter verbessert, indem sie die Batterielebensdauer verlängert und vollständig batteriefreie Designs unterstützt. Die Serien BG22 und BG22E sind ideale SoCs für Ambient IoT oder Energierückgewinnungsgeräte. Zielanwendungen umfassen stromsparende Knoten in Bluetooth-Mesh-Netzwerken, intelligente Schlösser, persönliche Gesundheitsversorgung und Fitnessgeräte.

Die EFR32BG27-Serie bietet kompakte, ultraniedrig Leistung verbrauchende SoCs, die in WLCSP- (2,3 x 2,6 mm) und QFN-Gehäusen erhältlich sind und leistungsstarkes Bluetooth Low Energy unterstützen. Diese SoCs umfassen einen DCDC-Boost-Converter für einen breiten Spannungsbereich und einen Coulomb-Zähler für genaue Batteriestandsüberwachung und unterstützen PSA Level 2-Sicherheit. Die drahtlosen SoCs der EFR32BG27-Serie können mit Knopfzellen betrieben werden und eröffnen Herstellern neue Möglichkeiten. Diese Serie ermöglicht es Herstellern, den Anforderungen von Anwendungen mit extrem kleinem Formfaktor gerecht zu werden, ohne Leistung und Sicherheit zu beeinträchtigen.

Der BG27 Bluetooth SoC integriert DCDC-Boost-Funktionalität und ermöglicht den Betrieb bei Spannungen von nur 0,8 Volt, unterstützt Einkapsel-Alkaline-Batterien und 1,5-Volt-Knopfzellen. Darüber hinaus erlaubt der Wake-up-Pin des BG27 Produkten, monatelang während der Lagerung im Lagerhaus oder während des Transports abgeschaltet zu bleiben und weniger als 20 nA Strom zu verbrauchen, um sicherzustellen, dass die Batterie brauchbar bleibt. Der integrierte Coulomb-Zähler überwacht genau die Batteriepegel und verhindert unerwarteten Batterieverbrauch in kritischen Anwendungen. Zielanwendungen umfassen vernetzte Gesundheitsgeräte, Wearables, Sensoren, Schalter, intelligente Schlösser und kommerzielle sowie LED-Beleuchtungen.

Der EFR32BG24 ist ein leistungsstarker, kabelloser und energieeffizienter SoC, der sich für batteriefreundliche, intelligente Wearable-Geräte eignet und über einen integrierten AI/ML-Beschleuniger sowie eine Secure Vault™ mit der höchsten PSA Level 3-Zertifizierung verfügt. Der EFR32BG24 Wireless SoC ist ideal für IoT-Drahtlosverbindungen mittels Bluetooth Low Energy und Bluetooth Mesh-Netzwerken, geeignet für Smart Home-, Beleuchtungs- und tragbare Gesundheitsprodukte.

Mit seiner leistungsstarken 2,4 GHz RF, geringem Stromverbrauch, AI/ML-Hardwarebeschleuniger und Secure Vault™ können IoT-Gerätehersteller intelligente, robuste und energieeffiziente Produkte entwickeln, die gegen Fern- und lokale Cyberangriffe geschützt sind. Der ARM Cortex®-M33 läuft mit bis zu 78 MHz, mit 1,5 MB Flash-Speicher und 256 kB RAM, was Ressourcen für anspruchsvolle Anwendungen bietet und gleichzeitig Raum für zukünftiges Wachstum lässt. Zielanwendungen sind Gateways/Hubs, Sensoren, Schalter, Türschlösser, smarte Steckdosen, LED-Beleuchtung, Leuchten, Blutzuckermessgeräte und Pulsoximeter.

Lösungen für IoT-Wireless-Geräte mit extrem niedrigem Stromverbrauch

Der EFR32FG22 (FG22) Series 2 Proprietary Wireless 2.4 GHz SoC bietet branchenführende Energieeffizienz und Empfängerempfindlichkeit (RX), was ihn ideal für energiesparende Smart-Entertainment-Geräte macht. Er verfügt über einen winzigen Formfaktor von nur 4 x 4 mm und unterstützt Secure Vault-Funktionen. Die proprietären drahtlosen 2,4-GHz-SoC-Lösungen EFR32FG22 und EFR32FG22E sind Teil der Wireless Gecko Series 2-Plattform.

Das FG22 SoC integriert einen 38,4 MHz Arm® Cortex®-M33 Kern mit TrustZone und ein hochleistungsfähiges Radio mit einer Empfangsempfindlichkeit von -102,3 dBm. Das FG22 ermöglicht die Erstellung energieeffizienter Anwendungen, während das FG22E („E“ für Energieeinsparung) die Energieeinsparvorteile weiter verstärkt, indem es die Akkulaufzeit verlängert und vollständig batteriefreie Designs unterstützt. Dieses SoC kombiniert ultra-niedrige Sende- und Empfangsleistung (8,2 mA TX bei +6 dBm, 3,6 mA RX), 1,2 µA im Deep-Sleep-Modus und innovative Niedrigenergie-Funktionen wie RFSense, um branchenführende Energieeffizienz zu bieten und die Lebensdauer von Produkten mit begrenzten Batterie- oder Energierückgewinnungsoptionen zu verlängern.

Das Silicon Labs RS9116 Wireless Module ist ein Ultra-Niedrigenergie-RF-zertifiziertes Wi-Fi 4 SiP-Modul (802.11 b/g/n) mit integrierter Antenne, das Bluetooth Low Energy, Bluetooth Classic und sichere Netzwerkprotokoll-Stacks unterstützt, alles in einer kompakten Größe von 4,63 x 7,90 x 0,9 mm. Das RS9116 Wireless Module ist in Ein- und Dual-Band-Versionen erhältlich und bietet eine umfassende Multi-Protokoll-Wireless-Konnektivitätslösung, einschließlich Wi-Fi und Dual-Mode-Bluetooth 5. Das Wireless Module bietet energieoptimierte Leistung mit hohem Datendurchsatz und erweiterter 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 Low-Power Wi-Fi 6 und Bluetooth Low Energy unterstützt, geeignet für energieeffiziente Smart-Geräte, mit bis zu 8 MB Flash-Speicher und externem PSRAM. Das SiWx917 SoC ist das energieeffizienteste Wi-Fi 6 SoC von Silicon Labs, ideal für extrem energiesparende IoT-Wireless-Geräte, die Wi-Fi®, Bluetooth, Matter und IP-Netzwerke für eine sichere Cloud-Konnektivität verwenden, was es perfekt für die Entwicklung von Geräten mit langlebigen Batterien macht.

Das SiWx917 SoC umfasst ein ultraniedrigleistungs-Wi-Fi 6 und Bluetooth Low Energy 5.4 drahtloses CPU-Subsystem, ein integriertes Mikrocontroller (MCU) Anwendungssubsystem, Sicherheitsfunktionen, Peripheriegeräte und ein Energiemanagement-Subsystem, alle integriert in ein 7 x 7 mm QFN-Gehäuse. Das drahtlose Subsystem umfasst einen Multithread-Prozessor, der mit bis zu 160 MHz läuft, digitale Signalverarbeitung der Basisband, ein analoges Frontend, einen 2,4-GHz-RF-Transceiver und einen integrierten Leistungsverstärker.

Das Applikations-Subsystem des SiWx917 besteht aus einem ARM® Cortex®-M4F, der mit bis zu 180 MHz läuft, eingebettetem SRAM, Flash-Speicher und einem Sensor-Hub. Der ARM® Cortex®-M4F ist für Peripheriegeräte und applikationsbezogene Verarbeitung zuständig, während der drahtlose Netzwerkprozessor die drahtlosen und Netzwerkprotokollstapel in unabhängigen Threads ausführt und so eine vollständig integrierte Lösung für verschiedene eingebettete drahtlose IoT-Anwendungen bietet. Zielanwendungen umfassen Smart Homes, Consumer-Health und Wearables, Gesundheitswesen, Industrie, Einzelhandel, intelligente Gebäude und Städte sowie Asset-Tracking.

Fazit

In der sich schnell entwickelnden Technologieumgebung von heute geht es bei der Entwicklung intelligenter Geräte nicht nur um technologische Innovation, sondern auch um einen entscheidenden Weg, um den Bedürfnissen der Nutzer gerecht zu werden 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 und den Nutzern ein bequemeres und komfortableres Lebensgefühl zu bieten. Silicon Labs bietet umfassende Produktlösungen und technische Unterstützungsdienste und ist damit einer der besten Partner für die Entwicklung verwandter Produkte.