Er is een groeiende markt voor wearables die het doen en laten van hun dragers bijhouden en die gegevens draadloos doorsturen. Wat komt er kijken bij het ontwerpen van zo’n klein en energiezuinig embedded systeempje? Dialog Semiconductor doet zijn ervaringen uit de doeken bij het creëren van een referentieontwerp.
Smartwatches mogen dan nog niet het verwachte gat in de markt zijn, al met al vormen geconnecteerde wearables een interessante groeimarkt. Fitnesstrackers zijn razend populair en steeds meer mensen hebben een polsbandje of ander device dat stappen telt of slaappatronen registreert. Ook voor het echte medische domein vormen wearables een interessante aanpak om patiënten te monitoren en te profileren zonder ze te beperken in hun doen en laten.
Een typische wearable in het iot-tijdperk bevat een handvol sensoren om beweging en andere parameters waar te nemen, een processor om de gegevens te verwerken, en een draadloos-zendontvanger om de meetgegevens door te sturen naar een cloud-backend. Eventueel is er een display voor dataweergave en bediening, maar net zo vaak wordt hier gewoon een smartphone voor gebruikt.
Om de bewegingen te bepalen, wordt doorgaans een combinatie van verschillende sensoren toegepast. Aan de basis liggen accelerometers. Die bepalen in een specifieke frequentieband de versnelling over de as waarvoor ze gevoelig zijn. Door een drieassige accelerometer te gebruiken, kan de positie in alle drie de dimensies worden bepaald.
De accelerometer wordt vaak aangevuld met een gyroscoop, die de rotatie om de x-, y- en z-as meet. Deze combinatie verhoogt de nauwkeurigheid van de plaatsbepaling en staat bekend als zesassige meting.
Device lifecycle management for fleets of IoT devices
Microchip gives insight on device management, what exactly is it, how to implement it and how to roll over the device management during the roll out phase when the products are in the field. Read more. .
Dit kan nog verder worden verfijnd met een magnetometer, of magneto, zoals de sensor meer algemeen wordt genoemd. Dankzij de extra informatie over het aardmagnetisch veld kunnen de plaatsbepalingsalgoritmes te allen tijde de positie van de sensor bepalen, en daarmee compenseren voor de systeemfout die zich langzaam opstapelt in de meting. De combinatie van drieassige accelerometer, gyroscoop en magneto staat bekend als negenassige meting.
Wearables beschikken daarnaast dikwijls nog over andere sensoren, bijvoorbeeld voor het meten van de hartslag, temperatuur, luchtvochtigheid of luchtdruk. Daarnaast moet er een radiochip aan boord zijn die de draadloze communicatie verzorgt. Daarvoor zijn verschillende opties, maar vandaag de dag is Bluetooth Smart (Bluetooth Low Energy) het meest voor de hand liggend vanwege het lage energieverbruik en de compatibiliteit met smartphones, tablets en pc’s. Ook de kosten zijn een overweging. Door zo veel mogelijk in te zetten op geïntegreerde componenten blijft de bill of materials laag. Bovendien biedt dit ruimtevoordelen.
Zeer zuinig
Al deze componenten moeten samen met de batterij worden geïntegreerd in een relatief kleine behuizing die past in een polsbandje, horloge of sieraad. Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Dialog Semiconductor heeft hier onlangs ervaring mee opgedaan tijdens het maken van een referentieontwerp op basis van zijn eigen geïntegreerde Bluetooth Smart-controller en sensoren van Bosch. Het platform kan worden gebruikt voor wearables en andere systemen waarbij het registreren van beweging nodig is, bijvoorbeeld voor immersive gaming, augmented reality en navigatie binnenshuis.
In het Dialog-systeem worden het geheugen en de processor geleverd door de Bluetooth Smart-soc. Die heeft 1 Mb flashgeheugen aan boord en draait op een 16 MHz Arm Cortex-M0-microcontroller. Deze biedt relatief weinig rekenkracht, maar daardoor kan het systeem het wel maanden uitzingen op een enkele knoopcel.
Voor de bewegingsmetingen worden twee aparte ic’s ingezet: een gecombineerde accerelometer en gyroscoop, en een aparte magneto. Daarnaast is er een omgevingssensor in het ontwerp opgenomen die de temperatuur, luchtvochtigheid en luchtdruk bepaalt. Alle drie de ic’s zijn klein en springen zeer zuinig om met energie, wat ze uitermate geschikt maakt voor deze toepassing. De soc kan direct communiceren met de sensoren via diverse interfaces en via een ingebouwde ad-converter.
De eerste overweging bij het ontwerp is de plaatsing van de batterij. Voor de capaciteit is een zo groot mogelijk exemplaar gewenst, maar in een kleine wearable zijn de afmetingen bepalend voor de grootte van het pcb. Daarnaast kunnen de batterij en de batterijhouder de werking van de magnetometer fors beïnvloeden. De onderlinge afstand van de twee componenten moet daarom drie tot vijf millimeter bedragen.
De meest logische plaats voor de batterijhouder is daarom onder het pcb. De beschikbare ruimte wordt daardoor optimaal gebruikt en de afstand tot de magneto – en andere sensoren – zo groot mogelijk gemaakt. Verder komt de batterij niet in het midden maar zo veel mogelijk naar de rand toe, waardoor er aan de andere rand een kleine vrije ruimte ontstaat. Door de magneto daar te plaatsen, wordt er voldoende afstand gecreëerd ten opzichte van de batterij.
De magneto moet ook minimaal tien millimeter verwijderd zijn van sporen waarop relatief hoge stromen staan, bijvoorbeeld rondom inductoren of dc-dc-converters. Daarnaast moet er een afstand van drie tot vier millimeter zijn tot de powerrails. Plaatsing boven het grondvlak is overigens geen probleem.
Voor de uitvoering van de antenne keek Dialog naar geprinte-circuit- en keramische antennes. De eerste zijn goedkoop uit te voeren maar vallen te groot uit voor dit soort kleine pcb’s. Keramische antennes zijn duurder maar wel klein, betrouwbaar, veelzijdig en eenvoudig af te regelen. Om die redenen koos Dialog voor een keramisch exemplaar.
De antenneprestaties zijn echter weer sterk afhankelijk van plaats en afmetingen. Volgens de datasheet moet de antenne aan de rand van het pcb terechtkomen, onder meer vanwege de ontvangst van het radiosignaal. Voorzichtigheid is echter geboden, want ook rf-signalen hebben invloed op de magneto. Die componenten moeten dus niet te dicht bij elkaar in de buurt worden gezet.
Al met al lukt het zo om een volledige wearable op een bordje van vijftien bij vijftien millimeter te maken. In slaaptoestand verstookt het slechts 11 uA. Met alle sensoren plus de verbinding actief stijgt dit tot 560 uA, en wanneer het device ook nog beweegt, piekt het verbruik op 1,35 mA.
Voor een 48 mAh knoopcelbatterij komt dat neer op een batterijlevensduur van respectievelijk een half jaar en anderhalve dag. Een realistische schatting is dat de iot-sensor in totaal twee uur per dag actief is, wat neerkomt op een levensduur van twee weken.