Zaloguj
Połączenia bezprzewodowe
Firma Nordic Semiconductor uczestniczyła w rozwoju branży cywilnej elektroniki ubieralnej od samego początku. A gdzie na osi czasu należy szukać początków? Przełom nastąpił wtedy, gdy możliwe stało się pozbycie się „kabelków” i bezprzewodowe podłączenie do telefonu niewielkich urządzeń zasilanych za pomocą baterii (np. CR2032). Umożliwiły to dwie technologie bezprzewodowe: Bluetooth Low Energy oraz ANT.
Technologia Bluetooth istniała od 1998 roku, ale służyła głównie do transferu dźwięku i danych na niewielkie odległości. Nie była też tania w zastosowaniu i pobierała sporo energii. Inżynierowie firmy Nokia pracowali nad standardem, który mógłby bazować na radiu Bluetooth zintegrowanym w telefonie, ale jednocześnie umożliwiłby podłączanym czujnikom pracę z małym poborem energii. Tak narodziła się bezprzewodowa technologia Wibree, pokazana przez Nokię w 2006 roku. W tym samym roku do inicjatywy dołączył Nordic Semiconductor, zapowiadając stworzenie niewielkich układów radiowych wspierających tę technologię. Dalej sprawy potoczyły się znanym torem – jeszcze w 2007 roku podjęto decyzję, że technologia Wibree stanie się częścią specyfikacji Bluetooth i tak się stało w roku 2010, wraz z opublikowaniem standardu Bluetooth 4.0. Pierwszym telefonem obsługującym ten protokół był iPhone 4S z 2011 roku. Nordic Semiconductor miał już wtedy wieloletnie doświadczenie w tej technologii, dzięki wcześniejszemu zaangażowaniu w pracę nad układami radiowymi na potrzeby Wibree. Od tego czasu firma jest na bieżąco z każdą kolejną wersją standardu Bluetooth – najnowszy wariant Bluetooth 6 będzie obsługiwany przez kolejną rodzinę SoC: Nordic nRF54.
Standard ANT powstawał równolegle w firmie Dynastream Innovations – jego głównym przeznaczeniem był sport. W 2006 firma ta została wykupiona przez Garmin i od tego czasu implementacja ANT trafia do urządzeń sportowych, takich jak zegarki, liczniki i nawigacje rowerowe, pulsometry, sensory mocy pedałowania oraz wiele innych. ANT ma przygotowane profile do różnych rodzajów urządzeń sportowych i cały czas powstają nowe projekty stosujące ten protokół – zazwyczaj na układach Nordic Semiconductor, gdyż oferują one deweloperom łatwy start, zarówno za sprawą dostępnych układów, jak i SDK.
Ostatnie lata to także rozwój komunikacji LTE, umożliwiającej łączność przez sieć komórkową przy użyciu technik niskiego poboru energii. Najbardziej popularne standardy to Cat-M1 oraz NB-IoT. Umożliwiają one wysyłanie niewielkiej ilości danych do chmury przez sieć komórkową, zapewniając jednocześnie długi czas pracy przy zasilaniu bateryjnym. Nordic Semiconductor ma w swojej ofercie moduły z rodziny nRF91, które dzięki małemu rozmiarowi i niskiemu zużyciu energii można wbudować nawet w zegarek.
Integracja w małym chipie
Bezprzewodowe protokoły komunikacyjne wymagają układu radiowego do uruchomienia łączności (modulacji, przełączania toru antenowego, filtracji itd.), a także układu cyfrowego do obsługi stosu komunikacyjnego. W zdecydowanej większości przypadków przydaje się ponadto dodatkowa moc obliczeniowa i pamięć dostępna do aplikacji użytkownika, która realizuje główne zadanie urządzenia ubieralnego (np. pomiar tętna). W Nordic Semiconductor stawiamy na integrację jak największej funkcjonalności, oferując inżynierom układy typu SoC – System on Chip – czyli umieszczając na jednym chipie (w jednym płatku krzemu) nie tylko układ radiowy i obsługujący go procesor (w układach Nordic jest to znany z mikrokontrolerów ARM Cortex-M), ale także między innymi: pamięć wewnętrzną – zarówno RAM, jak i nieulotną (pamięć programu), podsystemy bezpieczeństwa danych, układy peryferyjne cyfrowe i cyfrowo-analogowe, interfejsy szeregowe, obwody zasilania czy liczniki czasu. Wiele układów jest dostępnych w obudowie typu CSP (Chip-Scale Package), która odwzorowuje wielkość chipu krzemowego, na którym zbudowany jest układ. Dzięki temu niemal cała funkcjonalność urządzenia może być zintegrowana w układzie scalonym wielkości nawet 2,5×2,5 mm – do realizacji gotowego produktu wystarczy zatem podłączyć zewnętrzne czujniki, baterię, antenę i elementy pasywne. Integracja wielu podsystemów cyfrowych w jednym układzie scalonym – poza zmniejszeniem rozmiaru aplikacji – redukuje także zużycie energii oraz poprawia bezpieczeństwo systemu: między innymi dzięki temu, że program wykonywany jest z wewnętrznej pamięci mikrokontrolera. Oprogramowanie uruchamiane na układach SoC tworzone jest w środowisku nRF Connect SDK – wspólnym dla wszystkich rodzin SoC marki Nordic, poczynając od nRF52. Pakiet bazuje na Zephyr RTOS, dzięki czemu tworzone aplikacje mogą być łatwo konfigurowalne i przenoszone pomiędzy różnymi wersjami sprzętu (opartymi nawet na różnych mikrokontrolerach), zapewniając jednocześnie niski pobór prądu.
Wydajne zasilanie z akumulatora
Ekspansja elektroniki ubieralnej to także skutek rozwoju nowoczesnych źródeł energii – akumulatorów i baterii. Na tyle pojemnych, by mogły zasilić cały system wraz z odczytem czujników, przetwarzaniem danych i przede wszystkim wysyłaniem ich drogą radiową, ale także na tyle małych i lekkich, by nie przeszkadzały w codziennym użyciu. Wykorzystanie SoC produkcji Nordica w urządzeniach ubieralnych od zawsze szło w parze z użyciem jakiegoś magazynu energii. W wielu przypadkach SoC można zasilić bezpośrednio z baterii (zwracając uwagę na zakres dopuszczalnych napięć zasilających) ale w przypadku gdy używamy akumulatora, pojawia się kilka dodatkowych zagadnień: trzeba go sprawnie i bezpiecznie naładować, dobrze by było znać ilość zgromadzonej energii pozostałej do wykorzystania, nie zaszkodziłoby także zredukowanie zużycia prądu w czasie od produkcji do pierwszego uruchomienia przez klienta. Aby usprawnić realizacje projektów z wbudowanym akumulatorem, Nordic wprowadził do oferty układ zarządzana zasilaniem (PMIC) o oznaczeniu nPM1300 – trzeci w rodzinie nPM układów PMIC od Nordic Semiconductor. Jest on idealnym kompanem dla SoC z Bluetooth Low Energy lub modułów komunikacyjnych LTE nRF91. Poza ładowarką akumulatorów (o wydajności do 800 mA) oferuje on funkcję precyzyjnego pomiaru stanu naładowania, udostępnia efektywne przetwornice typu buck oraz kilka funkcji przydatnych w zarządzaniu systemem, m.in.: tryb wysyłki, twardy reset, dodatkowy watchdog czy też funkcję hibernacji. nPM1300 pozwala na dalsze wydłużenie czasu pracy na jednym naładowaniu, dodatkowo informując system i użytkownika o procencie energii pozostałej do użycia oraz dbając o reset systemu w razie „twardego” zawieszenia się głównego procesora.
Nordic Semiconductor pomaga inżynierom w tworzeniu urządzeń ubieralnych na każdym etapie projektowania sprzętu, a także w tworzeniu aplikacji na telefon (dzięki kodom źródłowym aplikacji referencyjnych na Android i iOS). Gama dostępnych niskoenergetycznych układów typu SoC, wraz z odpowiednim oprogramowaniem – zarówno stosami komunikacyjnymi, jak i przykładami prostych aplikacji – umożliwia dopasowanie odpowiedniego rozwiązania do tworzonego urządzenia. Dodatkowo układy PMIC rodziny nPM wspierają projektantów w uproszczeniu układu zasilania, zwiększając jednocześnie jego funkcjonalność. Kolejnym, widocznym już wyraźnie trendem jest wykorzystywanie uczenia maszynowego (ML – Machine Learning) do analizowania danych zebranych z wielu czujników podłączonych do jednostki centralnej, które monitorują np. parametry zdrowotne użytkownika. Do tego typu zadań stworzony został SoC nRF54H20 o wielu rdzeniach obliczeniowych i bardzo małym zużyciu energii podczas przetwarzania danych, wyposażony w wydajne radio Bluetooth. Układ już wkrótce będzie miał swoją rynkową premierę. Wygląda na to, że rozwój elektroniki ubieralnej cały czas trwa i wkrótce możemy spodziewać się w sprzedaży kolejnych, supernowoczesnych urządzeń.
Maciej Michna
Nordic Semiconductor
