Conceptos de diseño y soluciones para el desarrollo de dispositivos inteligentes

Diseñando dispositivos de salud y wearables Bluetooth más inteligentes y compactos

Para fabricar un dispositivo de salud Bluetooth compacto y con alta demanda, no se trata solo de seleccionar los componentes de hardware más pequeños del mercado. También puede reducir el tamaño del producto optimizando la Lista de Materiales (BOM), utilizando SoCs y módulos Bluetooth integrados, e incorporando diversas funciones y características periféricas necesarias en aplicaciones de salud. Esto puede ahorrar una cantidad significativa de espacio en la PCB, mejorar la flexibilidad del diseño y reducir costos.

Para diseñar dispositivos de atención médica con Bluetooth, se pueden utilizar varios conceptos de diseño para acelerar el desarrollo del producto e integrar más funciones. En primer lugar, los dispositivos de atención médica 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 cantidades de datos de sensores basados en modelos existentes para identificar irregularidades y determinar qué datos necesitan ser transmitidos de vuelta a la nube. Hoy en día, los dispositivos inalámbricos pueden transmitir todos los datos recopilados de vuelta a la nube para su procesamiento y análisis. Al identificar los datos clave en el dispositivo, transmitir solo ciertos subconjuntos de datos de regreso puede ahorrar valiosos recursos y extender la vida útil de la batería.

La inteligencia artificial (IA) también se puede utilizar para aplicaciones como el cuidado de ancianos en casa. En estas aplicaciones, la monitorización de signos vitales, el seguimiento de cambios en los datos, la observación de patrones de marcha y la identificación general de patrones anormales pueden proporcionar datos de diagnóstico cruciales a los proveedores. También puede activar alertas que salvan vidas para cuidadores y familiares, mejorando en gran medida, e incluso salvando, las vidas de los pacientes.

Además, estos productos requieren la integración de más periféricos analógicos, como ADC que pueden utilizarse en muchos dispositivos médicos inalámbricos y portátiles para mediciones de sensores y monitoreo de energía de la batería. Para los fabricantes de monitores continuos de glucosa (CGM) y otros dispositivos médicos portátiles que utilizan soluciones de front-end analógico discreto (AFE), los ADC y DAC son dos funciones clave que se pueden usar en el chip.

Bajo consumo de energía para mejorar la eficiencia energética y la vida útil de la batería

Los convertidores DC-DC son un componente crucial para los dispositivos de salud alimentados por batería. Los convertidores elevadores permiten que los SoCs usen 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 permite que los SoCs Bluetooth operen a voltajes de potencia más bajos. Los convertidores reductores permiten que los SoCs utilicen otras baterías de 3 V, como las de monedas de litio, para mejorar la eficiencia energética y la vida útil de la batería o reducir el tamaño de la batería.

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

Dado los bajos niveles de potencia utilizados por los dispositivos de salud y portátiles, es importante reducir el número de capas de PCB y componentes en el diseño mientras se mantiene un rendimiento RF aceptable al ajustar redes. Minimizar el consumo de energía de los dispositivos Bluetooth es esencial, permitiendo a los fabricantes de dispositivos reducir el factor de forma 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 AR/VR, los límites entre el mundo real y el mundo digital están entrelazados. Puedes ponerte un visor montado en la cabeza (HMD) de AR/VR, tomar un par de controladores de mano y sumergirte verdaderamente en juegos o películas en 3D. Alternativamente, puedes entrar a un centro comercial virtual realista desde casa, probarte ropa nueva o ver cómo se ve un sofá nuevo. Las aplicaciones AR/VR pueden mejorar las experiencias de los consumidores, haciendo nuestras vidas más eficientes. Para 2027, se espera que el mercado global de dispositivos AR/VR experimente una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 26% para las aplicaciones de AR/VR.

Los dispositivos AR/VR portátiles presentan desafíos únicos de diseño inalámbrico. Deben ser extremadamente eficientes en energía para maximizar la vida útil de la batería y los intervalos de carga, al tiempo que minimizan el peso de la batería. Al mismo tiempo, deben manejar video de alto ancho de banda para proporcionar una experiencia visual natural. La latencia entre los controladores VR y HMD es crítica, requiriendo 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 de dispositivos alimentados por batería y recargables, como los controladores de VR, las gafas inteligentes y los auriculares AR/VR. Además, la seguridad es una de las principales preocupaciones para los usuarios de dispositivos conectados, ya que los HMD y los controladores de VR pueden servir como puertas de entrada para ataques maliciosos a las redes domésticas.

SoCs de bajo consumo con Bluetooth altamente integrados

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

La serie EFR32BG22 es un SoC de Bluetooth Low Energy (BLE) de última generación, conocido por su eficiencia energética y sensibilidad del receptor (RX), lo que lo hace ideal para dispositivos de entretenimiento inteligente que ahorran energía. El SoC mide solo 4 x 4 mm y es compatible con las características de Secure Vault. Parte de la plataforma Wireless Gecko Series 2, tanto el EFR32BG22 como las soluciones EFR32BG22E BLE SoC están diseñadas con un fuerte enfoque en la eficiencia energética, ofreciendo una potencia de transmisión y recepción ultra baja. El núcleo Arm® Cortex®-M33 de alto rendimiento y bajo consumo proporciona 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 ("E" significa Conservación de Energía) mejora aún más la eficiencia energética al extender la vida útil de la batería y soportar diseños completamente sin batería. Las series BG22 y BG22E son SoCs ideales para dispositivos de Ambient IoT o recolección de energía. Las aplicaciones objetivo incluyen nodos de bajo consumo en redes de malla Bluetooth, cerraduras inteligentes, dispositivos de salud personal y de fitness.

La serie EFR32BG27 presenta SoC compactos y de ultra bajo consumo disponibles en paquetes WLCSP (2.3 x 2.6 mm) y QFN, compatibles con Bluetooth Low Energy de alto rendimiento. Estos SoC incluyen un convertidor elevador DCDC para un amplio rango de voltaje y un contador de coulombios para un seguimiento preciso del nivel de batería, y soportan seguridad PSA Nivel 2. Los SoC inalámbricos de la serie EFR32BG27 pueden funcionar con baterías de celda de botón, abriendo nuevas posibilidades para los fabricantes de dispositivos. Esta serie permite a los fabricantes cumplir con las demandas de aplicaciones de factores de forma extremadamente pequeños sin sacrificar rendimiento y seguridad.

El BG27 Bluetooth SoC integra la funcionalidad de impulso DCDC, permitiendo operar a voltajes tan bajos como 0.8 voltios, compatible con baterías alcalinas de celda única y de celda 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 almacén o transporte, consumiendo menos de 20 nA de energía, asegurando que la batería siga siendo utilizable. El contador de coulombs integrado monitorea con precisión los niveles de batería, previniendo la desactivación inesperada de la batería en aplicaciones críticas. Las aplicaciones objetivo incluyen dispositivos de salud conectados, dispositivos portátiles, sensores, interruptores, cerraduras inteligentes, así como iluminación comercial y LED.

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

Con su RF de 2.4 GHz de alto rendimiento, bajo consumo de corriente, acelerador de hardware AI/ML y Secure Vault™, los fabricantes de dispositivos IoT pueden crear productos inteligentes, robustos y eficientes en energía, protegiendo 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 y permitiendo espacio para el crecimiento futuro. Las aplicaciones objetivo incluyen gateways/hubs, sensores, interruptores, cerraduras de puertas, enchufes inteligentes, iluminación LED, luminarias, medidores de glucosa en sangre y oxímetros de pulso.

Soluciones para dispositivos inalámbricos IoT de ultra baja potencia

El SoC inalámbrico propietario EFR32FG22 (FG22) Series 2 de 2.4 GHz ofrece una eficiencia energética líder en la industria y una sensibilidad del receptor (RX), lo que lo hace ideal para dispositivos de entretenimiento inteligente que ahorran energía. Presenta un tamaño reducido de solo 4 x 4 mm y es compatible con las características de Secure Vault. Las soluciones SoC inalámbricas propietarias EFR32FG22 y EFR32FG22E de 2.4 GHz son parte de la plataforma Wireless Gecko Series 2.

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

El módulo inalámbrico Silicon Labs RS9116 es un módulo SiP de Wi-Fi 4 certificado por RF de ultra bajo consumo (802.11 b/g/n) con una antena integrada, que soporta Bluetooth Low Energy, Bluetooth clásico y pilas de protocolo de red segura, 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 dual, ofreciendo una solución integral de conectividad inalámbrica multiprotocolo, incluyendo Wi-Fi y Bluetooth 5 de modo dual. El módulo inalámbrico presenta un rendimiento optimizado en consumo de energía, proporcionando un alto rendimiento de datos y un alcance extendido, y está certificado por FCC, IC y ETSI/CE.

El SoC inalámbrico SiWx917 Wi-Fi 6 y Bluetooth Low Energy 5.4 es un SoC que admite Wi-Fi 6 de bajo consumo y Bluetooth Low Energy, adecuado para dispositivos inteligentes de alta eficiencia energética, con hasta 8 MB de memoria flash y PSRAM externa. El SoC SiWx917 es el SoC Wi-Fi 6 de menor consumo de Silicon Labs, ideal para dispositivos inalámbricos IoT de ultra bajo consumo que utilizan redes Wi-Fi®, Bluetooth, Matter e IP para 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 para Wi-Fi 6 y Bluetooth Low Energy 5.4 de ultrabajo consumo, un subsistema de aplicación de microcontrolador (MCU) integrado, funciones de seguridad, periféricos y un subsistema de gestión de energía, todo integrado en un paquete QFN de 7 x 7 mm. El subsistema inalámbrico comprende un procesador multitarea que funciona hasta a 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 aplicación del SiWx917 consiste en un ARM® Cortex®-M4F que funciona hasta 180 MHz, SRAM incorporada, memoria flash y un centro de sensores. El ARM® Cortex®-M4F está dedicado a periféricos y procesamiento relacionado con aplicaciones, mientras que el procesador de red inalámbrica ejecuta las pilas de protocolos inalámbricos y de red en hilos independientes, proporcionando una solución completamente integrada para diversas aplicaciones IoT inalámbricas integradas. Las aplicaciones objetivo incluyen hogares inteligentes, salud del consumidor y dispositivos portátiles, atención médica, industrial, comercio minorista, edificios y ciudades inteligentes, y seguimiento de activos.

Conclusión

En el entorno tecnológico en rápida evolución de hoy en día, 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 grandes datos 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 conveniente y cómoda. Silicon Labs proporciona soluciones integrales de productos y servicios de soporte técnico, convirtiéndose en uno de los mejores socios para desarrollar productos relacionados.