Concepts de conception et solutions pour le développement d'appareils intelligents

Concevoir des dispositifs de santé et des appareils portables Bluetooth plus intelligents et plus compacts

Pour construire un dispositif de santé Bluetooth compact et très demandé, il ne s'agit pas seulement de sélectionner les plus petits composants matériels du marché. Vous pouvez également réduire la taille du produit en optimisant la nomenclature des pièces (BOM), en utilisant des SoC et modules Bluetooth intégrés, et en incorporant diverses fonctions et caractéristiques périphériques requises dans les applications de santé. Cela peut économiser une quantité significative d'espace sur le circuit imprimé, améliorer la flexibilité de conception et réduire les coûts.

Pour concevoir des dispositifs de santé Bluetooth, plusieurs concepts de conception peuvent être utilisés pour accélérer le développement de produits et intégrer davantage de fonctions. Tout d'abord, les dispositifs de santé Bluetooth peuvent utiliser des accélérateurs d'IA/ML intégrés pour améliorer les fonctions de contrôle intelligent du dispositif. Grâce à l'apprentissage automatique (ML), il est possible de traiter de grandes quantités de données de capteurs basées sur des modèles existants pour identifier les irrégularités et déterminer quelles données doivent être transmises au cloud. De nos jours, les dispositifs sans fil peuvent transmettre toutes les données collectées au cloud pour traitement et analyse. En identifiant les données clés sur le dispositif, transmettre uniquement certains sous-ensembles de données peut économiser des ressources précieuses et prolonger la durée de vie de la batterie.

L'Intelligence Artificielle (AI) peut également être utilisée pour des applications telles que le soin des personnes âgées à domicile. Dans ces applications, la surveillance des signes vitaux, le suivi des changements de données, l'observation des modèles de marche, et l'identification générale des schémas anormaux peuvent fournir des données de diagnostic cruciales aux prestataires. Elle peut également déclencher des alertes vitales pour les aidants et les membres de la famille, améliorant grandement, et même sauvant, la vie des patients.

De plus, ces produits nécessitent l'intégration de plus de périphériques analogiques, tels que des ADC qui peuvent être utilisés dans de nombreux appareils de santé sans fil et portables pour les mesures de capteurs et la surveillance de l'alimentation par batterie. Pour les fabricants de dispositifs de surveillance continue de la glycémie (CGM) et d'autres appareils de santé portables utilisant des solutions discrètes de front-end analogique (AFE), les ADC et les DAC sont deux fonctions clés qui peuvent être utilisées sur la puce.

Faible consommation d'énergie pour une efficacité énergétique et une autonomie de batterie améliorées

Les convertisseurs DC-DC sont un composant crucial pour les dispositifs de santé alimentés par batterie. Les convertisseurs élévateurs permettent aux SoC d'utiliser des batteries basse tension, telles que les piles alcalines et les piles à oxyde d'argent, avec une plage d'entrée de 0,8 à 1,7 V. Cela permet aux SoC Bluetooth de fonctionner à des tensions d'alimentation plus basses. Les convertisseurs abaisseurs permettent aux SoC d'utiliser d'autres batteries de 3V, telles que les piles bouton au lithium, pour améliorer l'efficacité énergétique et la durée de vie de la batterie ou réduire la taille de la batterie.

Pour prédire et prévenir l'épuisement inattendu de la batterie lors d'applications de santé critiques, les compteurs de coulombs, qui sont des dispositifs de mesure de la charge, peuvent suivre avec précision la charge de la batterie pour améliorer la sécurité et l'expérience utilisateur. De plus, les oscillateurs RC à basse fréquence sont des composants clés pour les applications Bluetooth Low Energy (LE) 2,4 GHz, où les SoC Bluetooth LE doivent respecter une précision d'horloge de veille spécifiée de ±500 ppm.

Étant donné les faibles niveaux de puissance utilisés par les dispositifs de santé et les dispositifs portables, il est important de réduire le nombre de couches de PCB et de composants dans la conception tout en maintenant une performance RF acceptable lors de l'appariement des réseaux. Minimiser la consommation d'énergie des dispositifs Bluetooth est essentiel, permettant aux fabricants de réduire le facteur de forme des dispositifs.

Perspectives prometteuses pour le marché mondial des dispositifs AR/VR

Les consommateurs d'aujourd'hui sont de plus en plus centrés sur leur maison : le travail, l'éducation, les soins de santé, le shopping et le divertissement doivent être accessibles depuis chez eux. Avec la technologie AR/VR, les frontières entre le monde réel et le monde numérique sont entrelacées. Vous pouvez porter un casque monté sur la tête (HMD) AR/VR, saisir une paire de contrôleurs portatifs et vous immerger véritablement dans des jeux ou des films en 3D. Alternativement, vous pouvez entrer dans un centre commercial virtuel réaliste depuis chez vous, essayer de nouveaux vêtements ou voir à quoi ressemble un nouveau canapé. Les applications AR/VR peuvent améliorer les expériences des consommateurs, rendant nos vies plus efficaces. D'ici 2027, le marché mondial des appareils AR/VR devrait connaître un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 26 % pour les applications AR/VR.

Les dispositifs portables AR/VR présentent des défis uniques en matière de conception sans fil. Ils doivent être extrêmement économes en énergie pour maximiser la durée de vie de la batterie et les intervalles de chargement tout en minimisant le poids de la batterie. En même temps, ils doivent gérer des vidéos à large bande passante pour offrir une expérience visuelle naturelle. La latence entre les contrôleurs VR et le HMD est critique, nécessitant un délai minimal pour des réponses rapides aux gestes et aux mouvements.

Les applications de RA et de RV ont trois exigences sans fil clés : faible consommation d'énergie, faible latence et connexion stable. L'efficacité énergétique est cruciale pour améliorer l'expérience utilisateur des appareils alimentés par batterie et rechargeables tels que les contrôleurs RV, les lunettes intelligentes et les casques RA/RV. De plus, la sécurité est l'une des principales préoccupations des utilisateurs d'appareils connectés, car les HMD et les contrôleurs RV peuvent servir de portes d'entrée pour des attaques malveillantes sur les réseaux domestiques.

SoC Bluetooth basse consommation hautement intégrés

Silicon Labs propose une variété de SoC et de modules pour les applications de connectivité et de contrôle sans fil Bluetooth. Voici quelques produits clés et leurs caractéristiques.

La série EFR32BG22 est un SoC Bluetooth Low Energy (BLE) à la pointe de la technologie, réputé pour son efficacité énergétique et sa sensibilité de récepteur (RX), ce qui le rend idéal pour les appareils de divertissement intelligents économes en énergie. Le SoC ne mesure que 4 x 4 mm et prend en charge les fonctionnalités de Secure Vault. Faisant partie de la plateforme Wireless Gecko Series 2, les solutions SoC BLE EFR32BG22 et EFR32BG22E sont conçues avec un fort accent sur l'efficacité énergétique, offrant une puissance de transmission et de réception ultra-faible. Le cœur Arm® Cortex®-M33 haute performance et basse consommation offre une efficacité énergétique de pointe, pouvant potentiellement prolonger la durée de vie des piles bouton jusqu'à dix ans.

Le BG22 de Silicon Labs aide à créer des applications écoénergétiques, tandis que le BG22E (« E » signifie Conservation d'Énergie) améliore encore l'efficacité énergétique en prolongeant la durée de vie de la batterie et en prenant en charge des conceptions entièrement sans batterie. Les séries BG22 et BG22E sont des SoC idéaux pour les appareils IoT environnants ou à récolte d'énergie. Les applications cibles incluent les nœuds basse consommation dans les réseaux maillés Bluetooth, les serrures intelligentes, les dispositifs de soins personnels et de fitness.

La série EFR32BG27 propose des SoC compacts et ultra-basse consommation disponibles en boîtiers WLCSP (2,3 x 2,6 mm) et QFN, prenant en charge le Bluetooth Low Energy haute performance. Ces SoC incluent un convertisseur élévateur DCDC pour une large gamme de tensions et un compteur de coulombs pour un suivi précis du niveau de batterie, et ils prennent en charge la sécurité PSA Niveau 2. Les SoC sans fil de la série EFR32BG27 peuvent fonctionner avec des batteries bouton, ouvrant de nouvelles possibilités pour les fabricants d'appareils. Cette série permet aux fabricants de répondre aux exigences des applications nécessitant un facteur de forme extrêmement réduit sans compromettre la performance et la sécurité.

Le SoC Bluetooth BG27 intègre une fonctionnalité de boost DCDC, permettant un fonctionnement à des tensions aussi basses que 0.8 volts, prenant en charge les piles alcalines à cellule unique et les piles bouton de 1.5 volts. De plus, la broche de réveil du BG27 permet aux produits de rester éteints pendant des mois lors du stockage en entrepôt ou du transport, consommant moins de 20 nA d'énergie, garantissant ainsi que la batterie reste utilisable. Le compteur de coulombs intégré surveille précisément les niveaux de la batterie, empêchant une décharge inattendue de la batterie dans les applications critiques. Les applications cibles incluent les dispositifs de santé connectés, les appareils portables, les capteurs, les interrupteurs, les serrures intelligentes et l'éclairage commercial et LED.

L'EFR32BG24 est un SoC sans fil haute performance et basse consommation, adapté aux appareils portables intelligents économes en batterie, avec un accélérateur AI/ML intégré et Secure Vault™ avec la certification PSA Niveau 3 la plus élevée. Le SoC sans fil EFR32BG24 est idéal pour la connectivité sans fil IoT utilisant les réseaux Bluetooth Low Energy et Bluetooth Mesh, convenant aux produits de maison intelligente, d'éclairage et de soins de santé portables.

Avec sa RF 2,4 GHz haute performance, sa faible consommation de courant, son accélérateur matériel AI/ML et son Secure Vault™, les fabricants de dispositifs IoT peuvent créer des produits intelligents, robustes et économes en énergie, protégeant contre les cyberattaques à distance et locales. Le ARM Cortex®-M33 fonctionne jusqu'à 78 MHz, avec 1,5 Mo de mémoire flash et 256 kB de RAM, fournissant des ressources pour des applications exigeantes tout en permettant une marge de développement futur. Les applications cibles incluent les passerelles/hubs, capteurs, interrupteurs, serrures de porte, prises intelligentes, éclairage LED, luminaires, glucomètres et oxymètres de pouls.

Solutions pour les dispositifs IoT sans fil à ultra-faible consommation d'énergie

Le SoC sans fil propriétaire 2,4 GHz de la série EFR32FG22 (FG22) offre une efficacité énergétique de pointe et une sensibilité du récepteur (RX), ce qui le rend idéal pour les appareils de divertissement intelligents économes en énergie. Il dispose d'une empreinte minuscule de seulement 4 x 4 mm et prend en charge les fonctionnalités Secure Vault. Les solutions SoC sans fil propriétaire 2,4 GHz EFR32FG22 et EFR32FG22E font partie de la plateforme Wireless Gecko Series 2.

Le FG22 SoC intègre un cœur Arm® Cortex®-M33 à 38,4 MHz avec TrustZone et une radio haute performance avec une sensibilité de réception de -102,3 dBm. Le FG22 vous permet de créer des applications économes en énergie, tandis que le FG22E (« E » pour Conservation d'Énergie) améliore encore les avantages de l'économie d'énergie en prolongeant la durée de vie des batteries et en prenant en charge des conceptions entièrement sans batterie. Ce SoC combine une puissance d'émission et de réception ultra-faible (8,2 mA TX à +6 dBm, 3,6 mA RX), une puissance en mode sommeil profond de 1,2 µA et des fonctionnalités innovantes à faible consommation telles que RFSense, offrant une efficacité énergétique de pointe pour prolonger la durée de vie des produits avec des options de batterie limitée ou de récupération d'énergie.

Le module sans fil RS9116 de Silicon Labs est un module Wi-Fi 4 SiP certifié RF à ultra-faible consommation (802.11 b/g/n) avec une antenne intégrée, prenant en charge Bluetooth Low Energy, Bluetooth Classique, et des piles de protocoles réseau sécurisés, le tout dans un format compact de 4,63 x 7,90 x 0,9 mm. Le module sans fil RS9116 est disponible en versions mono et bi-bande, offrant une solution complète de connectivité sans fil multiprotocole, incluant Wi-Fi et Bluetooth 5 à double mode. Le module sans fil offre des performances optimisées en énergie, délivrant un haut débit de données et une portée étendue, et est certifié FCC, IC, et ETSI/CE.

Le SiWx917 Wi-Fi 6 et Bluetooth Low Energy 5.4 Wireless SoC est un SoC qui prend en charge le Wi-Fi 6 à faible consommation et le Bluetooth Low Energy, adapté aux appareils intelligents économes en énergie, avec jusqu'à 8 Mo de mémoire flash et PSRAM externe. Le SiWx917 SoC est le SoC Wi-Fi 6 à la plus faible consommation d'énergie de Silicon Labs, idéal pour les appareils IoT sans fil ultra-basse consommation utilisant le Wi-Fi®, Bluetooth, Matter, et les réseaux IP pour une connectivité cloud sécurisée, ce qui en fait le choix parfait pour développer des appareils alimentés par des batteries longue durée.

Le SiWx917 SoC comprend un sous-système CPU sans fil Wi-Fi 6 et Bluetooth Low Energy 5.4 ultra-basse consommation, un sous-système d'application microcontrôleur (MCU) intégré, des fonctionnalités de sécurité, des périphériques et un sous-système de gestion d'alimentation, le tout intégré dans un boîtier QFN de 7 x 7 mm. Le sous-système sans fil comprend un processeur multithread fonctionnant jusqu'à 160 MHz, un traitement numérique du signal de bande de base, une interface analogique, un émetteur-récepteur RF 2,4 GHz et un amplificateur de puissance intégré.

Le sous-système d'application du SiWx917 se compose d'un ARM® Cortex®-M4F fonctionnant jusqu'à 180 MHz, de SRAM embarquée, de mémoire flash et d'un concentrateur de capteurs. L'ARM® Cortex®-M4F est dédié aux périphériques et au traitement lié aux applications, tandis que le processeur sans fil réseau exécute les piles de protocoles sans fil et réseau sur des threads indépendants, offrant une solution entièrement intégrée pour diverses applications IoT embarquées sans fil. Les applications ciblées incluent les maisons intelligentes, la santé grand public et les appareils portables, les soins de santé, l'industrie, la vente au détail, les bâtiments et villes intelligents, et la gestion des actifs.

Conclusion

Dans l'environnement technologique en évolution rapide d'aujourd'hui, le développement de dispositifs intelligents ne se limite pas à l'innovation technologique, mais constitue également une voie essentielle pour répondre aux besoins des utilisateurs et améliorer la qualité de vie. Dans le processus de conception des dispositifs intelligents, les concepteurs peuvent exploiter les technologies de capteurs avancées, l'analyse des big data et l'intelligence artificielle. Ces technologies modernes permettent aux dispositifs intelligents d'atteindre des méthodes d'interaction plus efficaces et intelligentes, offrant aux utilisateurs une expérience de vie plus pratique et confortable. Silicon Labs offre des solutions produits complètes et des services de support technique, ce qui en fait l'un des meilleurs partenaires pour le développement de produits connexes.