Realizzazione di dispositivi indossabili con moduli wireless

Riuscire a integrare connessione ed elaborazione nei dispositivi che indossiamo è un fattore sempre più importante per molti progetti e i moduli che utilizzano l'ultimo protocollo Bluetooth 4.0 Smart forniscono ai progettisti di sistemi indossabili un modo semplice e rapido per implementare la giusta connettività.

I moduli pre-certificati come PAN1326 di Panasonic e BLE112 di BlueGiga permettono di gestire l'elemento wireless del progetto direttamente e in modo agevole, evitando le complessità della progettazione di un'antenna o il processo di approvazione. Se questo approccio può non essere appropriato per i dispositivi indossabili più piccoli e con vincoli di spazio, i moduli giocano un ruolo importante in molte aree, come ad esempio i cardiofrequenzimetri indossabili, i sensori della pressione sanguigna e gli accessori mobili. I progettisti di questi moduli hanno anche ottimizzato la gestione della potenza e l'interfaccia wireless con il software embedded per realizzare un'implementazione a bassissima potenza. Questa ottimizzazione comporta un significativo risparmio di tempo durante il processo di sviluppo.

Anche i dispositivi indossabili sono soggetti alle mode, è quindi importante poter cambiare agevolmente un progetto per andare incontro alle ultime tendenze della moda senza dover passare attraverso il processo di approvazione.

Lo standard Bluetooth Low Energy (BLE) è progettato per ridurre il consumo energetico stabilendo connessioni molto veloci per il trasferimento di piccole quantità di dati. Grazie a queste tecniche, il consumo di energia è ridotto ad un decimo rispetto a Bluetooth Classic. I dispositivi Bluetooth Low Energy possono essere messi in modalità di sospensione e attivati per eventi come l'invio di file a un gateway, un PC o un cellulare. L'ottimizzazione della gestione della potenza in un modulo come PAN 1326 offre un consumo massimo di energia inferiore a 15 mA e un consumo medio di appena 1 µA. Ciò consente di utilizzare una piccola batterie a bottone (es. CR2032) per alimentare un dispositivo fino ad un massimo di 10 anni.


La serie PAN1326/1316 Host Controlled Interface (HCI) utilizza anche CC2564 di Texas Instruments in un modulo semplice da utilizzare con un ingombro di appena 85,5 mm², antenna inclusa. I moduli sono progettati per ospitare piazzole PCB di passo di 1,3 mm con appena due strati per una facile implementazione e produzione.

L'utilizzo di un modulo permette di aggiungere ai dispositivi indossabili vari livelli di prestazioni senza dover riprogettare il sistema. Ad esempio, la famiglia di moduli PAN131x supporta Bluetooth Classic, Bluetooth Low Energy (BLE) e una modalità doppia con Bluetooth e il protocollo a bassa potenza ANT, tutto con la stessa piedinatura, per agevolare la sostituzione drop-in con un nuovo modulo.

In modo analogo, la famiglia PAN132x supporta la stessa gamma di funzioni con l'antenna inclusa.

Serie	Descrizione	Compatibilità
PAN1315A	BT Classic	Piedinatura compatibile al 100%
PAN1316	BT e BLE
PAN1317	Modalità doppia BT e ANT
PAN1325A	BT Classic con antenna	Piedinatura compatibile al 100%
PAN1326	BT e BLE con antenna
PAN1327	Modalità doppia BT e ANT con antenna

L'opzione ANT è implementata nel silicio da Texas Instruments e Nordic Semiconductor ed è destinata alle reti personali nei dispositivi indossabili di misurazione delle prestazioni in campo sportivo. Come il Bluetooth, utilizza la banda dei 2,4 GHz, oltre a tecniche di ciclo di lavoro molto breve e modalità di sospensione profonda per garantire il bassissimo consumo.

Ogni nodo ANT può funzionare come slave o master, può trasmettere e ricevere, nonché funzionare come ripetitore, aumentando la portata; il protocollo utilizza un singolo canale a 1 MHz per più nodi tramite una tecnica di multiplazione a divisione temporale. Ogni nodo trasmette nel proprio intervallo temporale con una lunghezza base del messaggio di 150 µs, mentre la frequenza dei messaggi (ovvero il tempo tra una trasmissione e la successiva) varia da 0,5 a 200 Hz, con un carico utile di 8 byte per messaggio.

Tuttavia si tratta di un protocollo proprietario sviluppato da Dynastream Innovations, Inc., una filiale di Garmin (l'azienda dei GPS), e non di una specifica come Bluetooth, aperta e quindi supportata da un'ampia gamma di dispositivi differenti. Eppure disporre di un modulo in grado di supportarlo permette agli sviluppatori di massimizzare le opzioni di connettività per i loro progetti di dispositivi indossabili.

Il valore dei moduli come BLE112 di BlueGiga è che offrono tutte le caratteristiche del protocollo Bluetooth Low Energy, compresi radio, stack, profili e spazio applicazione per le applicazioni cliente, quindi non è richiesto l'uso di un processore esterno. Il modulo fornisce inoltre interfacce hardware flessibili per collegare i sensori e interfacce utente semplici o persino display direttamente per il modulo, offrendo allo sviluppatore più opzioni per la progettazione di dispositivi indossabili. Nella modalità di sospensione a bassissima potenza consuma appena 400 nA e si riattiva in poche centinaia di microsecondi, quindi può essere alimentato con una batteria a bottone da 3 V standard oppure una coppia di batterie AAA, aiutando a ridurre lo spazio necessario per il dispositivo indossabile.


Ci sono questioni da prendere in considerazione nella progettazione di apparecchiature che utilizzano questi moduli, in particolare in relazione al layout e alla produzione. L'antenna verrà implementata in una posizione particolare con un profilo di uscita particolare e questo deve essere preso in considerazione nel progetto del dispositivo indossabile, ove possibile. Nel caso di un'apparecchiatura finale in cui l'antenna sia ricoperta di materiale, è possibile che le prestazioni wireless risultino ridotte. Ciò può comportare l'esigenza di utilizzare una batteria di maggior potenza per compensare, con un impatto sull'affidabilità del dispositivo.

Anche se il modulo è già costruito e approvato, deve ancora essere posizionato sul circuito stampato e collegato al resto del progetto. È pertanto necessario prendere in considerazione i requisiti di rifusione durante la fase di produzione, per garantire la piena funzionalità del modulo anche dopo l'assemblaggio finale.

Front-end RF

Per evitare ai progettisti di dover implementare il proprio front-end, il front-end RF di BLE112 comprende balun adattato e filtro passa-basso combinati e antenna in chip ceramico con rete di adattamento. Ciò fornisce un adattamento ottimale combinato con un filtro passa-basso per armoniche ed emissioni spurie in banda estremamente basse e aiuta la progettazione di dispositivi indossabili con spazio disponibile molto ridotto. È disponibile un'opzione in cui l'RF può essere tracciata ad un connettore embedded oppure al pin RF del modulo per collegare un'antenna esterna.

Layout

Per ottenere prestazioni ottimali dell'antenna, BlueGiga consiglia di posizionare il modulo all'angolo della PCB senza componenti o tracce metalliche nelle vicinanze o addirittura senza materiali plastici o dielettrici di altro tipo, in quanto questa vicinanza desintonizza l'antenna verso frequenze più basse. Ciò può essere difficile in un progetto indossabile che ha un fattore di forma compatto e che potrebbe essere circondato da tessuto.

Tutti i pin di messa a terra devono essere collegati direttamente ad un solido piano GND con le piste il più vicino possibile ai pin GND. Rispettando buone pratiche di layout, si eviterà l'accoppiamento di rumore eccessivo alle linee di segnale o alle linee di tensione di alimentazione, che può ridurre le prestazioni e aumentare il consumo di energia.

Assemblaggio

Il modulo BLE112 è specificamente compatibile con il profilo di rifusione standard del settore per le saldature senza piombo. Il profilo di rifusione utilizzato dipende dalla massa termica dell'intera PCB popolata, dall'efficienza di trasferimento del calore del forno e dal particolare tipo di pasta per saldatura utilizzato.

Poiché il flusso di rifusione dipende dal processo e dal layout, il profilo ottimale va ricercato caso per caso; tuttavia è opportuno prendere in considerazione la pasta per saldatura specifica per le configurazioni di profilo ed evitare di ricorrere a più di un flusso. L'affidabilità del giunto di saldatura e l'autoallineamento del componente dipendono dal volume di saldatura, tuttavia si consiglia uno spessore minimo dello stencil di 150 µm con un'apertura delle stesse dimensioni della piazzola.


Conclusione

I moduli rappresentano un modo semplice per aggiungere connettività wireless al progetto di un dispositivo indossabile. I moduli pre-certificati permettono ai progettisti di concentrarsi sugli elementi a valore aggiunto dell'hardware e del software, ovvero il profilo compatto e l'interfaccia utente, piuttosto che sulla connettività wireless. Con la potenza e il front-end RF ottimizzati dai fornitori, questi moduli offrono lunga durata della batteria e connettività affidabile, in grado di potenziare le funzionalità di dispositivi indossabili senza costi o tempi di sviluppo aggiuntivi. È anche possibile utilizzare moduli sostitutivi drop-in compatibili a livello di pin per fornire livelli differenti di connessione Bluetooth, dal classico streaming al trasferimento di dati a bassa potenza e persino protocolli proprietari. Tutto ciò offre al progettista di dispositivi indossabili una maggiore flessibilità, senza la preoccupazione legata all'implementazione dettagliata della connettività wireless.