Wearables und das Internet der Dinge (IoT) - Aktuelle Entwicklungen und Verbindungslösungen

Die Vorstellung, dass jede Person und alle Dinge über die Cloud und im Internet als Knoten verfügbar sein werden – aufrufbar als gesteuertes Gerät oder als Status-Reporting-System (oder beides) – versetzt viele in Staunen. Futuristen stellen sich eine Welt vor, in der alles miteinander vernetzt ist und Tweets, E-Mails, Textnachrichten und andere Benachrichtigungen Sie über interessante Dinge informieren (und auch über viele Dinge, die Sie gar nicht wissen möchten).

Während aus diesem Grund viele hilfreiche Vorrichtungen und Geräte in Echtzeit und „beinahe“ Echtzeit verfügbar gemacht werden, wird es viele andere Anwendungen moderner Technologie geben, die sich als weniger nützlich erweisen und dennoch ihre Zielgruppe finden werden. Man sollte solche Anwendungen jedoch nicht von vornherein links liegen lassen, da selbst unsinnige Anwendungen zu riesigen Hits werden können, weil die Öffentlichkeit wankelmütig und begeisterungsfähig ist. Der „Wow“-Effekt ist nach wie vor eine treibende Kraft.

In diesem Artikel werden diejenigen Arten von Wearables behandelt, die ein wesentlicher Bestandteil des Internets der Dinge sein werden, sowie die Komponenten und Technologien, die sie Realität werden lassen. Wir werden uns mit Produkten befassen, die auf diesem Gebiet Pionierarbeit geleistet haben, und mit laufenden Forschungen bei integrierten Prozessoren und Funklösungen. Alle in diesem Artikel erwähnten Komponenten, Datenblätter, Anleitungen und Systeme sind online auf der Website von DigiKey verfügbar.

Intelligente Bekleidung

Bekleidung ist eine Plattform der Zukunft für integrierte Intelligenz und Kommunikation. Bei intelligenter Bekleidung geht es nicht nur um Mode und um Coolness. Sie soll uns auch unterhalten, uns die Kommunikation mit anderen Menschen ermöglichen, und sie wird Sensoren zur Gesundheitsüberwachung enthalten, die mit dem medizinischen System vernetzt sind.

Aktive und interaktive Bekleidung ist nichts wirklich Neues, allerdings steht gerade kurz davor, die nächste Entwicklungsstudie zu erreichen – Cloud-Konnektivität und Fortschritten in der Materialforschung sei Dank. Derzeit sind bereits verschiedene aktive Bekleidungsartikel erhältlich, die jedoch üblicherweise noch kabelgebundene Batterien und Controller benötigen. Selbst Sensoren und Displays sind noch nicht wirklich integriert, sondern vielmehr an der Kleidung befestigt.

Nehmen wir beispielsweise die Bekleidung mit aktiven Musikinstrumenten wie etwa das T-Shirt mit der E-Gitarre¹ oder das mit dem elektronischen Schlagzeug², die heutzutage erhältlich ist. Diese T-Shirts führen praktisch das Konzept der in unsere Kleidungsstücke integrierten Sensoren ein. Das andere Ende des Spektrums markieren jederzeit verfügbare Kleidungsstücke mit aktiven Displays. Eine weitere Neuheit ist das T-Shirt zur Ermittlung des Wi-Fi-Empfangs³. Sein Display zeigt stets die Stärke des Wi-Fi-Signals für Ihren aktuellen Standort an.

Allerdings sind diese Kleidungsstücke aus verschiedenen Gründen noch nicht bereit für eine großangelegte Markteinführung. Erstens sind die modulare Elektronik, die Sensoren und die Displays noch nicht wirklich ein Bestandteil des Materials, aus dem die Bekleidung besteht. In der Regel handelt es sich dabei um sperrige und teure „Add-ons“ für die Kleidungsstücke. Zweitens sind die Elektronik, die Sensoren und die Displays nicht zum Waschen geeignet. Drittens muss die Stromversorgung oder ein kostengünstiges Energy Harvesting (Energieernte) bereitgestellt werden.

Doch alles das könnte sich schon bald ändern. Der Grund hierfür sind einige technische Fortschritte wie beispielsweise die Möglichkeit, flexible OLEDs auf Textilien zu drucken. Diverse Inkjet-Technologien haben sich bereits bewährt, wodurch die Tür für mehr aktive Bekleidung mit Displays geöffnet wird, die ihre Anzeige ändern und sogar Videos anzeigen können.

Eine andere Entwicklung, die Kleidungsstücke von passiven zu aktiven Systemen machen wird, ist die Möglichkeit, elektronische Sensoren in Textilien einzuweben. Diese Technologie wurde zwar bereits vorgestellt, allerdings wissen die Entwickler noch nicht, wie sie sie nutzen sollen. So werden derzeit am Virginia Polytechnic Institute beispielsweise Hosen mit Bewegungserkennung⁴ entwickelt. Hierfür werden mit Sensoren verwebte Drähte und Textilien verwendet, die Bewegungen erkennen und Signale drahtlos an ein Computerdisplay senden können.

Ein weiteres Element, das noch nicht voll einsatzfähig ist, ist die textilbasierte Photovoltaik. Mit ihr wäre es möglich, selbst die Energie von Innenraumbeleuchtungen zu „ernten“, um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten. Wie die frühen Sensoren und Displays werden auch moderne Komponenten modular gefertigt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das Energy Harvesting mit Kleidungsstücken ist ein innovatives Konzept. Frühe Innovatoren wie Tommy Hilfiger verwenden abnehmbare Solarmodule auf Jacken. Schon bald werden auch gewebte Solarzellen verfügbar sein. Das bedeutet, dass die Wearables der Zukunft über ausreichend Leistung für Konnektivität zum IoT verfügen werden.

Medizinische Anwendungen

Ein weiteres großes Interessengebiet stellen integrierte elektronische Komponenten für die Bereiche Medizin, Gesundheit und Fitness dar. Einfache Anwendungen, wie etwa Laufschuhe mit integrierten Schrittzählern, machen es überflüssig, ein separates Gerät bei sich zu tragen. Durch die Verwendung von Apps zur Standortbestimmung in Kombination mit Wearable Computing wissen Sie immer, wenn sich beim Joggen oder Sporttreiben Bekannte in der Nähe befinden. So ist in die Laufschuhe von Nike beispielsweise eine kleine Tasche für einen Sensor integriert, der drahtlos mit Ihrem Musik-Player oder Smartphone kommunizieren kann. Der Sensor wählt die beim Laufen gehörte Musik und zeigt Statistiken wie etwa die verbrannten Kalorien, die gelaufene Strecke, die durchschnittliche Geschwindigkeit, die vergangene Zeit und vieles mehr an. Beachten Sie, dass Ihre Daten auch an Nike übermittelt werden.

Weitere sinnvolle Beispiele sind den Blutdruck messende Uhren und Technologie zur Überwachung des Blutzuckerspiegels. Hier erreicht die drahtlose Konnektivität dann auch den Punkt, an dem Online-Zugang und Alarmausgaben möglich werden. Ein Beispiel hierfür ist der Sensor zur Messung und Übertragung der Herzfrequenz von Polar Wearlink, der mit Nike und Apple iPods sowie mit ANT GPS kompatibel ist (Abbildung 2).

Abbildung 2: Dieser Sensor zur Herzfrequenzmessung überträgt die gemessenen Werte auch an Sportuhren, Musik-Player und Sensoren in Laufschuhen. Eine medizinische Version kann bei Herzproblemen Benachrichtigungen an Rettungsdienste senden, die Positionsdaten erhalten können.

Die Forschung macht große Fortschritte bei der blutlosen Überwachung und der Echtzeitmessung des Blutzucker- und des Insulinspiegels. Diese Vorrichtungen können lokal mit implantierten Infusionspumpen kommunizieren, die über kabellose Verbindungen in Echtzeit für eine physiologische Reaktion sorgen. Außerdem können die Daten an medizinische Fachkräfte übermittelt werden, die den Zustand des Patienten mithilfe der Daten in Echtzeit über das Internet überwachen und eine Erkrankung diagnostizieren können.

Bereits erhältlich sind Herzmonitorprotokolle zur Erfassung von Daten zum gesundheitlichen Zustand des Patienten, die von den Ärzten zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet werden können. Die fortschrittlichsten implantierten Herzschrittmacher und Defibrillatoren ermöglichen außerdem eine lokale Programmierung und Steuerung der Herzfrequenz und können überdies Zustände erkennen, die einen Neustart des Herzens erfordern. Obwohl die lokalen Verarbeitungsmöglichkeiten immer besser werden, könnten in Echtzeit verfügbare Daten dem Arzt dabei helfen, einen Patienten auf der anderen Seite der Welt darüber zu informieren, dass ein Herzanfall bevorsteht und entsprechende vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden sollten.

Die IoT-Bekleidung wird zu einem Bestandteil dieses Informationssystems, indem sie als Verbindung zu getragenen Vorrichtungen fungiert, die stromsparend mit der Cloud kommunizieren können. Statt mit mehreren ständig aktiven Verbindungen mit höherem Stromverbrauch zu arbeiten, die auch noch um die verfügbaren Bandbreiten kämpfen, kann ein synchronisierter lokaler Datenstrom erzeugt werden (oftmals in komprimierter Form), wodurch bei Bedarf die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit verbessert werden können.

RFID-Tags

Während noch nach neuen Standards für Personal Area Networks und Body Area Networks geforscht wird, sind zahlreiche existierende Standards und Technologien bereits mehr als geeignet sowohl für am Körper getragene als auch für dauerhaft platzierte IoT-Knoten.

Insbesondere RFID-Transponder-Tags der zweiten Generation sind trotz der fehlenden Programmierbarkeit eine mögliche Lösung, die in Bekleidung zum Einsatz kommen kann. Die erste Generation wurde ursprünglich als Diebstahlschutz entwickelt und eignet sich nach wie vor gut zur Verringerung von Inventarverlusten und für das kostengünstige Asset Tracking. Die zweite Generation wurde um Lese-/Schreibfunktionen über größere Entfernungen (bis zu 9 Meter) erweitert und bietet verschiedene Arten des Energy Harvestings. Die Tags arbeiten im passiven Modus. Die nötige Energie für den nicht flüchtigen Speicher und sogar für sparsame Prozessoren beziehen sie aus dem HF-Feld des Trägers.

Diverse Hersteller von Tags und Tag-Lesegeräten bieten Produkt- und Entwicklungs-Kits sowie den entsprechenden Code an. Lesegeräte wie das ams AS3992-BQFP-50 eignen sich sowohl für die kostengünstigen Tags der ersten Generation zur Inventarüberwachung (oder zur Diebstahlsicherung) als auch für die modernen Tags der zweiten Generation mit Lese-/Schreibfunktion und nicht flüchtigem Speicher.

NXP stellt ebenfalls kostengünstige Read-only-Transponder her, unter anderem den HTRC11001T/03EE,11, die Hitag1-Baureihe oder Produkte aus der MiFare-Baureihe wie etwa den MFRC50001T/0FE,112 und das zugehörige Entwicklungssystem OM5592/MF1S50,699.

Was diese Bauteile so attraktiv macht sind die kostengünstigen Transponder-Tags wie beispielsweise den HTSH5601ETK,118 (Abbildung 3). Diese Komponenten, die häufig in großen Mengen verwendet werden, sind preiswert, und die kompletten Subsysteme sind so klein, dass sie einschließlich einer Mini-Kamera im Einnäher eines Kleidungsstücks untergebracht werden können.

Abbildung 3: Ein komplettes Transponder-System mit nicht flüchtigem Speicher, Steuerungslogik und HF-Transceivern ist klein genug, um im Einnäher eines Kleidungsstücks Platz zu finden.

Kommunikationsmöglichkeiten

Am Körper tragbare RFID-Tags teilen dem Internet mit, wo wir uns befinden und was wir gerade tun. Somit spielen sie für das IoT eine wichtige Rolle. Sie können zielgerichtete Werbung einblenden, während wir umherlaufen, und sie speichern Informationen zu von uns genutzten und gekauften Produkten. Bis zu 50 Lesegeräte können innerhalb eines Gebiets von einem Quadratkilometer positioniert werden. Somit werden letztendlich unser Standort und unsere Aktivitäten zu einem Bestandteil des IoT, da auch die Träger (also wir) des Tags Bestandteil davon sind. Die eigentliche Intention des IoT ist es jedoch, funktionale Dinge mit aktiven Prozessoren auszustatten, die mit der Cloud kommunizieren können. Und genau hier kommt die Aggregation der HF-Technologie ins Spiel

Während die meisten Aggregationspunkte sehr wahrscheinlich 3G, 4G oder sogar 5G (sobald verfügbar) als Gateway des Dienstanbieters nutzen, können für die lokal begrenzte Kommunikation auch Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee oder ANT verwendet werden.

Bluetooth Low Energy ist speziell auf viele dieser Anwendungen ausgerichtet. Zahlreich verfügbare Einzelchip-Transceiver und -Module ermöglichen die schnelle Entwicklung neuer Systeme. Das Modul ABBTM-NVC-MDCS71(50PCS) von Abracon etwa unterstützt den Standard Bluetooth 4.0, der Audio-Streaming sowie energiesparende und schnelle Übertragungsmodi.

TDKs Einzelmodus-Modul SESUB-PAN-T2541 benötigt wenig Strom und kann über einen UART oder SPI gesteuert und aufgerufen werden. Selbst kostengünstigere Lösungen wie der Panasonic ENW-89835C1KF bieten die stromsparende Bluetooth-Technologie und können für weniger als 11 Euro in ein Design integriert werden. Dieser Betrag ist nicht viel höher als etwa für eine integrierte Schaltung. Ein weiterer Pluspunkt ist, dass man mit diesen bereits zertifizierten Modulen Zeit und Geld spart, wenn eine schnelle Markteinführung gewünscht ist.

Die Standards 3G und 4G, durch die Wi-Fi jetzt praktisch überall verfügbar ist, haben dazu beigetragen, dass die Verbindung weit verbreiteter Geräte mit der Cloud nunmehr erheblich mehr Potenzial hat.

In dieser Hinsicht verdienen Bauteile wie beispielsweise das Texas Instruments WL1835MODGBMOCT, ein Surface-Mount-Wi-Fi- und Bluetooth-Modul, eine nähere Betrachtung. In diesem Fall kann Bluetooth als stromsparender Aggregator für alle lokalen oder getragenen Geräte verwendet werden, während Wi-Fi für die Übertragung an und aus der Cloud genutzt wird.

Chipsätze und Module für Mobiltelefone ermöglichen eine direkte Verbindung zu Mobilfunkanbietern und machen eine Aggregation oder Wi-Fi-Hotspots überflüssig. Das Problem mit solchen Chips liegt darin, dass die Hersteller integrierter Schaltkreise häufig nur an Kunden liefern, die große Mengen abnehmen. Somit bleiben Module auch weiterhin nur eine Möglichkeit, um die Technologie zu testen und weiterzuentwickeln.

Module wie das MT100EOCG-H5-SP von Multi-Tech Systems können in Ihrem Aggregator als Mobilfunkverbindung genutzt und später – bei ausreichend großem Produktionsvolumen – durch Ihr eigenes Design ersetzt werden. Beachten Sie jedoch, dass Zertifizierungen für Mobilfunkgeräte kostspielig und zeitaufwändig sein können und diese Probleme durch die Verwendung von Modulen umgangen werden können. In dieser Hinsicht hilfreich ist das online verfügbare Produktschulungsmodul „Overview of Cellular Device Certifications“ (Übersicht der Zertifizierungen für Mobilfunkgeräte) von Multi-Tech.

Zusammenfassung

Bei integrierter Elektronik handelt es sich in den meisten Fällen um in sich abgeschlossene Systeme. Die Möglichkeit, Display-Elemente, Leiter und Produkte für das Energy Harvesting in Textilien einzuweben, ist jedoch ebenfalls auf dem Vormarsch. Die Einbettung hoch integrierter Funktionen wie Funkchips und Mikrocontroller in Kleidungsstücke ist jedoch noch nicht praktikabel. Sie müssen also bis auf Weiteres noch als diskrete Elemente verwendet werden.

Sowohl PAN-zu-Mobilfunk als auch PAN-zu-Wi-Fi ist möglich und dank der Vielzahl eindeutiger Adressen durch IPv6 wird vielleicht schon bald Ihr linker Turnschuh über eine eigene IP-Adresse verfügen und in der Cloud sichtbar sein. Obwohl man zweifelsohne mit diversen unsinnigen Anwendungen rechnen muss, wird es bestimmt viele nützliche Peripheriegeräte, Sensoren und medizinische Anwendungsmöglichkeiten geben.

Welche Technologien und Protokolle im IoT besonders dominant sein werden, gilt es noch abzuwarten. Doch wie dieser Artikel gezeigt hat, stehen den Technikern auch heute schon die nötigen Mittel, Bauteile und Materialien zur Verfügung um funktionale Wearables zu designen.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.

Referenzen

1. T-Shirt mit E-Gitarre 
2. T-Shirt mit elektronischem Schlagzeug 
3. T-Shirt zur Ermittlung des Wi-Fi-Empfangs 
4. Intelligente Hosen zur medizinischen Bildgebung