Nositelná elektronika, kupříkladu „chytré“ hodinky, s námi komunikují, zatímco slouží jako externí displej pro tablety či smartphony nošené někde po kapsách nebo v krosně na zádech. Další systémy sledují naši kondici a díky své návaznosti na monitory srdečního tepu či krokoměry (pedometry) nabízí řadu údajů, třeba o našem tréninku. Pro sportovní nebo též rekreační aktivity, např. plavbu či pěší turistiku, máme zase k dispozici aplikace s navigací, resp. informacemi o aktuální poloze, a stranou pochopitelně nezůstávají ani čidla pro sledování a záznam pacientova zdravotního stavu, následný upload diagnostických údajů na příslušné servery a včasnou výstrahu v případě kritické události, např. pádu na zem.

 

Vývojáři hardwaru dnes mohou společně s programátory těžit z rostoucího výkonu a také míry integrace nejnovějších mikroprocesorů a Flash mikrokontrolérů určených dalším generacím přenosných či nositelných systémů (na HW serveru čtěte též Ze souboje MCU versus MPU vychází vítězně Atmel. Nabídne obojí). Takové procesory pak tvoří významné jádro produktů komunikujících bezdrátově se smartphony, počítači a tablety, zatímco budou měřit a následně ukládat nejrůznější data. V případě nositelných zařízení, od kterých se bude dále očekávat též odpovídající účinnost, to však vývojáři nemají vůbec jednoduché. Jejich nesnáze, ale také výzvy, jsme pro přehlednost rozdělili do pěti bodů, kterým se hodláme dále v textu blíže věnovat. Jedná se o

 

 

 

Nositelné, tzv. wearable systémy prostřednictvím senzorů monitorují dění okolo sebe, komunikují po drátech, ale též bez nich, a také periodicky aktualizují údaje na displeji a reagují na odezvu uživatele (vstup). Bude – li to možné, obvody vstupují do nízkopříkonových režimů a šetří tak drahocennou energii na další úkoly. Vývojář pak dostává za úkol vybrat vhodné součástky, které by v aktivním režimu účinně komunikovaly a zpracovávaly výstupy ze senzorů a během „spánku“ by o nich díky minimálnímu odběru nebylo téměř ani vědět. Celková výdrž bude navázána též na velikost baterie – větší články zajistí provozuschopnost po delší dobu a uživatel nemusí tak často nabíjet. Většina nositelné elektroniky však potřebuje být tak malá a lehká jak jen to půjde, takže nezbývá než minimalizovat právě spotřebu v aktivním i pohotovostním režimu.

 

 

 

Fyzické provedení elektroniky nošené okolo krku nebo připevněné na zápěstí hraje bezesporu důležitou roli. Koncové produkty musí být maličké a pokud možno co nejlehčí, takže si nemůžeme dovolit mrhat místem na desce plošného spoje. Souvisí s tím též obvody s vysokou mírou integrace, sdružující na jediném čipu hned několik funkcí. Jak jsme již zmínili výše, požadavky na minimální rozměry nebo omezenou tloušťku zařízení pak vývojáře často tlačí k volbě baterie s menší kapacitou, což zase přidává na významu samotného obvodového návrhu a jeho celkové spotřeby.

 

 

 

Kapesní zařízení dnes využívají spoustu různých bezdrátových systémů a protokolů. Ty pak vývojáři volí na základě jejich propustnosti, výkonové spotřeby a v neposlední řadě též souvisejících nákladů. Zařízení komunikující s chytrými hodinkami nebo tablety mohou využívat Wi-Fi 802.11 prostřednictvím access pointu nebo Wi-Fi Direct. Právě zmiňovaný Wi-Fi Direct pak rozšiřuje možnosti standardu 802.11 a umožňuje tak provoz ad hoc sítí. Hodinky tak např. budou komunikovat přímo s tabletem bez potřeby access pointu. Spoje realizované s využitím standardů 802.11 obvykle nabídnou též největší šířku pásma systému.

 

V řadě zdravotnických nebo fitness aplikací, stejně jako v mobilních telefonech a počítačích, se rovněž setkáme s možnostmi rozhraní Bluetooth, které sítě senzorů ke komunikaci s nositelnou elektronikou využívají. S rostoucí oblibou Wi-Fi Direct tak mohou vývojáři, v závislosti na celkových požadavcích systému a jeho energetické náročnosti, volit mezi Wi-Fi Direct a Bluetooth Low Energy. Stranou zájmu pochopitelně nezůstane ani standard pro bezdrátovou komunikaci IEEE 802.15.4 (Zigbee, 6LoWPAN), použitelný pro nízkopříkonovou komunikaci s nižší přenosovou rychlostí. Takto založené sítě obvykle podporují topologii mesh pro navýšení spolehlivosti a také rozsahu.

 

Jediným běžným drátovým rozhraním, se kterým se v případě nositelné elektroniky zpravidla setkáme, pak bude USB určené pro nahrávání dat do počítače, aktualizaci firmware a také nabíjení baterie.

 

 

 

Senzory měří reálné signály, např. při vyhodnocování otáček nebo intenzity světla, a svůj výsledek pak nabízí v elektrickém formátu. Lokální čidla výrobce opatřil analogovým výstupem, s procesorem však mohou komunikovat i číslicově, např. prostřednictvím I2C. Vzdálené senzory pak využijí protokoly bezdrátové. Jakmile budou surová data k dispozici, začíná je mikrokontrolér zpracovávat. Pro navýšení přesnosti zkoumaných parametrů přitom často kombinuje výstupy z několika čidel (např. kurs).

 

Řada senzorů měří relativně pomalu se měnící signály a umožňuje tak zařízení ušetřit energii tím, že se mezi jednotlivými vzorky uspí. Od systému to pak v případě výskytu dalšího vzorku vyžaduje rychlé probuzení. Účinnost zpracování se dále podmiňuje výpočetním výkonem mikrokontroléru. V závislosti na aplikaci a také typu konkrétních čidel může být požadováno i 32bitové zpracování, hardwarová podpora násobení a dělení nebo jednotka FPU (Floating Point Unit).

 

 

Nositelná zařízení na svém displeji často ukazují data jako je např. čas, naměřené údaje, mapy či nejrůznější zprávy. V závislosti na aplikaci a jejím cenovém rozpočtu se pak setkáváme s levnými, monochromatickými segmentovými displeji, ale též plně barevnými TFT LCD. Komunikace s uživateli se pak může odehrávat prostřednictvím mechanických tlačítek, ale též intuitivního dotykového rozhraní, např. s kapacitní technologií. Tlačítka a slidery lze umístit na zkosenou hranu nebo po straně produktu. Nic pochopitelně nebrání ani multidotykové interakci se senzory umístěnými přímo na displeji. Komplikované rozhraní se již nenosí, zvláště budeme – li v praxi využívat stejně jen několik málo základních funkcí.

 

 

Při výběru dílčích obvodů můžeme vybírat mezi více dodavateli. Nejedno řešení systémů pro nositelnou elektroniku, založených na mikrokontrolérech nebo též mikroprocesorech, nabízí též společnost Atmel. Které skutečnosti by nám mohly pomoci při rozhodování? Zdejší mikrokontroléry a mikroprocesory byly navrženy tak aby v aktivních, ale též pohotovostních režimech vykazovaly minimální možnou spotřebu. Výrobce vše podtrhuje chráněným označením EventSystem™ spolu se SleepWalking™, kdy perifériím umožňuje vzájemné automatické propojení a to i v případě tzv. „ultra low power“ módů, výrazně tak zjednodušuje otázku rozhraní senzorů a pomáhá dále snižovat velikost proudového odběru (téma spotřeby si podrobněji rozebereme v některém z připravovaných článků). Doba potřebná k probuzení byla minimalizována, takže lze nízkopříkonové režimy směle používat, aniž bychom se museli obávat o ztrátu dat či přehlédnutí právě vzniklé události.

 

 

Firemní struktury byly vybaveny řadou prvků napomáhajících při snížování velikosti zastavěné plochy na DPS, např. USB transceivery či vestavěnými zakončovacími rezistory, a spousta obvodů je kromě toho již tak nabízena ve velmi malých provedeních pouzder. ASF (Atmel Software Framework) obsahuje komunikační knihovny s podporou vnějších obvodů Wi-Fi a Bluetooth, topologií mesh a point-to-point (rodina obvodů AT86RF, 802.15.4 / Zigbee) a nechybí zde ani podpora rozhraní USB nebo oblíbených senzorů třetích stran – akcelerometrů, gyroskopů či magnetometrů. Mikrokontroléry nabídnou hardwarové násobení a dělení, ale též periferní funkce, např. EventSystem™, pro podporu efektivní práce s čidly. K dispozici jsou též mikrokontroléry a mikroprocesory s možností přímého řízení TFT či segmentových LCD (na HW.cz čtěte též Navrhujeme systémy s bohatým uživatelským rozhraním. Na doma i do provozu). Paralelní nebo sériové rozhraní displejů podporují všechny rodiny obvodů.

 

O Atmelu je zároveň často slyšet ve spojitosti s kapacitním dotykovým ovládáním. Samostatné kontroléry umožňují jednoduchou implementaci tlačítek, sliderů nebo ovládacích koleček a prostřednictvím dodávaných softwarových knihoven pak mohou veškeré mikrokontroléry kapacitní tlačítka spravovat též přímo. Ve výčtu ještě zmíníme řadu kontrolérů kapacitních dotykových panelů maXTouch pro přímé řízení průhledné snímací vrstvy na LCD displejích. Dotyková řešení lze odladit i pro případ výskytu vlhkosti, což bude v případě nositelné elektroniky docela často klíčovým požadavkem.

 

 

Zdroj: Atmel