Concetti di design e soluzioni per lo sviluppo di dispositivi intelligenti

Progettare dispositivi sanitari e indossabili Bluetooth più intelligenti e compatti

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

Per progettare dispositivi sanitari Bluetooth, è possibile utilizzare diversi concetti di design per accelerare lo sviluppo del prodotto e integrare più funzioni. Innanzitutto, i dispositivi sanitari Bluetooth possono utilizzare acceleratori AI/ML integrati per migliorare le funzioni di controllo intelligente del dispositivo. Attraverso l'apprendimento automatico (ML), è possibile elaborare grandi quantità di dati dei sensori basati su modelli esistenti per identificare irregolarità e determinare quali dati devono essere trasmessi al cloud. Oggigiorno, i dispositivi wireless possono trasmettere tutti i dati raccolti al cloud per l'elaborazione e l'analisi. Identificando i dati chiave sul dispositivo, è possibile trasmettere solo alcuni sottoinsiemi di dati per risparmiare risorse preziose e prolungare la durata della batteria.

L'intelligenza artificiale (AI) può essere utilizzata anche per applicazioni come l'assistenza agli anziani a domicilio. In queste applicazioni, il monitoraggio dei segni vitali, il tracciamento dei cambiamenti nei dati, l'osservazione dei modelli di deambulazione e l'identificazione generale di schemi anomali possono fornire dati diagnostici cruciali ai fornitori. Può anche attivare allarmi salvavita per assistenti e familiari, migliorando notevolmente e persino salvando la vita dei pazienti.

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

Basso consumo energetico per una maggiore efficienza energetica e durata della batteria

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

Per prevedere e prevenire l'esaurimento imprevisto della batteria durante applicazioni sanitarie critiche, i contatori coulomb, che sono 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 Bluetooth LE SoC devono soddisfare una precisione dell'orologio di riposo specificata di ±500 ppm.

Dati i bassi livelli di potenza utilizzati dai dispositivi sanitari e indossabili, è importante ridurre il numero di strati di PCB e componenti nel design mantenendo prestazioni RF accettabili quando si abbinano le reti. Minimizzare il consumo energetico dei dispositivi Bluetooth è essenziale, permettendo ai produttori di dispositivi di ridurre il form factor dei dispositivi.

Prospettive promettenti per il mercato globale dei dispositivi AR/VR

I consumatori di oggi sono sempre più centrati sulla casa: lavoro, istruzione, assistenza sanitaria, shopping e intrattenimento devono essere accessibili 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, afferrare un paio di controller portatili e immergerti veramente in giochi o film in 3D. In alternativa, puoi entrare in un centro commerciale virtuale realistico da casa, provare nuovi vestiti o vedere come appare un nuovo divano. Le applicazioni AR/VR possono migliorare le esperienze 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 per il design wireless. Devono essere estremamente efficienti dal punto di vista energetico per massimizzare la durata e gli intervalli della batteria, minimizzando al contempo il peso della batteria. Allo stesso tempo, devono gestire video ad alta larghezza di banda per fornire un'esperienza visiva naturale. La latenza tra i controller VR e l'HMD è fondamentale, richiedendo un ritardo minimo per risposte tempestive a gesti e movimenti.

Le applicazioni AR e VR hanno tre requisiti wireless fondamentali: basso consumo energetico, bassa latenza e connessione stabile. L'efficienza energetica è cruciale per migliorare l'esperienza utente di dispositivi alimentati a batteria e ricaricabili, come controller VR, occhiali intelligenti e cuffie AR/VR. Inoltre, la sicurezza è una delle principali preoccupazioni per gli utenti di dispositivi connessi, poiché HMD e controller VR possono fungere da gateway per attacchi malevoli sulle 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 alcuni prodotti chiave e le loro caratteristiche.

La serie EFR32BG22 è un SoC BLE all'avanguardia noto per la sua efficienza energetica e la sensibilità del ricevitore (RX), rendendolo ideale per dispositivi di intrattenimento intelligenti a risparmio energetico. Il SoC misura solo 4 x 4 mm e supporta le funzionalità Secure Vault. Parte della piattaforma Wireless Gecko Series 2, sia le soluzioni EFR32BG22 che EFR32BG22E BLE SoC sono progettate con un forte focus sull'efficienza energetica, offrendo una potenza di trasmissione e ricezione ultra-bassa. Il nucleo 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.

BG22 di Silicon Labs aiuta a creare applicazioni ad alta efficienza energetica, mentre BG22E ("E" sta per Conservazione dell'Energia) migliora ulteriormente l'efficienza energetica prolungando la durata della batteria e supportando design completamente senza batteria. Le serie BG22 e BG22E sono SoC ideali per dispositivi IoT Ambientali o di recupero energetico. Le applicazioni target includono nodi a basso consumo nelle reti mesh Bluetooth, serrature intelligenti, dispositivi per la salute personale e fitness.

La serie EFR32BG27 presenta SoC compatti e ultra-efficienti disponibili in pacchetti WLCSP (2,3 x 2,6 mm) e QFN, supportando il Bluetooth Low Energy ad alte prestazioni. Questi SoC includono un convertitore boost DCDC per un ampio intervallo di voltaggio e un contatore di coulomb per un tracciamento preciso del livello della batteria, e supportano la sicurezza PSA Livello 2. I SoC wireless della serie EFR32BG27 possono funzionare con batterie a bottone, aprendo nuove possibilità per i produttori di dispositivi. Questa serie permette ai produttori di soddisfare le esigenze di applicazioni con fattore di forma estremamente ridotto senza compromettere prestazioni e sicurezza.

Il SoC Bluetooth BG27 integra la funzionalità di boost DCDC, 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 l'immagazzinamento o il trasporto, consumando meno di 20 nA di potenza, garantendo che la batteria rimanga utilizzabile. Il contatore di coulomb integrato monitora con precisione i livelli della batteria, prevenendo l'esaurimento improvviso della batteria in applicazioni critiche. Le applicazioni target includono dispositivi di assistenza sanitaria connessi, dispositivi indossabili, sensori, interruttori, serrature intelligenti, e illuminazione commerciale e LED.

L'EFR32BG24 è un SoC wireless ad alte prestazioni e a basso consumo energetico adatto per dispositivi smart indossabili a risparmio di batteria, caratterizzato da un acceleratore AI/ML integrato e da Secure Vault™ con la certificazione PSA Level 3 più alta. L'EFR32BG24 wireless SoC è ideale per la connettività wireless IoT utilizzando reti Bluetooth Low Energy e Bluetooth Mesh, adatto per prodotti per la casa intelligente, l'illuminazione e la sanità portatile.

Con il suo RF ad alte prestazioni da 2.4 GHz, il basso consumo di corrente, l'acceleratore hardware AI/ML e Secure Vault™, i produttori di dispositivi IoT possono creare prodotti intelligenti, robusti ed efficienti dal punto di vista energetico, proteggendo contro gli 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 esigenti consentendo spazio per la crescita futura. Le applicazioni target includono gateway/hub, sensori, interruttori, serrature delle porte, prese intelligenti, illuminazione LED, apparecchi di illuminazione, misuratori di glucosio nel sangue e pulsossimetri.

Soluzioni per dispositivi wireless IoT a bassissimo consumo energetico

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

L'FG22 SoC 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. L'FG22 consente di creare applicazioni a risparmio energetico, mentre l'FG22E ("E" per Conservazione dell'Energia) migliora ulteriormente i vantaggi del risparmio energetico estendendo la durata della batteria e supportando progetti completamente senza batteria. Questo SoC combina potenza di trasmissione e ricezione ultra-bassa (8,2 mA TX a +6 dBm, 3,6 mA RX), potenza in modalità sleep profondo di 1,2 µA e caratteristiche innovative a basso consumo come RFSense, fornendo un'efficienza energetica leader del settore per estendere la durata dei prodotti con batterie limitate o opzioni di raccolta energetica.

Il modulo wireless Silicon Labs RS9116 è un modulo SiP Wi-Fi 4 a basso consumo energetico con certificazione RF (802.11 b/g/n) dotato di un'antenna integrata, che supporta Bluetooth Low Energy, Bluetooth Classic e stack di protocolli di rete sicuri, tutto in una dimensione compatta di 4.63 x 7.90 x 0.9 mm. Il modulo wireless RS9116 è disponibile in versioni a banda singola e doppia, offrendo una soluzione completa di connettività wireless multiprotocollo, incluso Wi-Fi e Bluetooth 5 a doppia modalità. Il modulo wireless offre prestazioni ottimizzate per il consumo energetico, garantendo un'elevata quantità di dati e un raggio d'azione esteso, ed è certificato FCC, IC e 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 intelligenti a basso consumo energetico, con fino a 8 MB di memoria flash e PSRAM esterna. Il SiWx917 SoC è il SoC Wi-Fi 6 a più basso consumo di Silicon Labs, ideale per dispositivi wireless IoT a bassissimo consumo energetico che utilizzano Wi-Fi®, Bluetooth, Matter e reti IP per una connettività cloud sicura, rendendolo perfetto per lo sviluppo di dispositivi alimentati da batterie di lunga durata.

Il SiWx917 SoC include un sottosistema CPU wireless con Wi-Fi 6 e Bluetooth Low Energy 5.4 a bassissimo consumo energetico, un sottosistema applicativo con microcontrollore (MCU) integrato, funzioni di sicurezza, periferiche e un sottosistema di gestione dell'energia, tutti integrati in un package QFN 7 x 7 mm. Il sottosistema wireless comprende un processore multi-thread con frequenza fino a 160 MHz, elaborazione del segnale digitale di base, front-end analogico, ricetrasmettitore RF a 2,4 GHz e amplificatore di potenza integrato.

Il sottosistema applicativo del SiWx917 è costituito da un ARM® Cortex®-M4F che funziona fino a 180 MHz, SRAM integrata, memoria flash e un hub sensori. L'ARM® Cortex®-M4F è dedicato ai periferici e all'elaborazione delle applicazioni, mentre il processore di rete wireless esegue gli stack di protocollo wireless e di rete su thread indipendenti, fornendo una soluzione completamente integrata per varie applicazioni IoT wireless integrate. Le applicazioni target includono case intelligenti, salute dei consumatori e indossabili, sanità, industria, retail, edifici e città intelligenti e tracciamento degli asset.

Conclusione

Nell'odierno 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 di dispositivi intelligenti, i designer possono sfruttare tecnologie avanzate dei 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.