česky english Vítejte, dnes je neděle 21. červenec 2024

Mít, či nemít? O smyslu nositelné elektroniky rozhodne vývojář

DPS 2/2018 | Články
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Nositelná elektronika si v posledních několika letech vydobyla pozici zařízení, o kterých se nejen hovoří, ale jsou také netrpělivě očekávána. Mediální humbuk je každopádně jedna věc a skutečnost, která mnohdy pokulhává, záležitostí druhou. Nositelná zařízení sice mají potenciál změnit naše životy a ještě přitom generovat výrobcům zisk, nicméně tempo, s jakým se v našich životech „zabydlují“ prozatím zůstává za očekáváním. Vždyť potíže ve snaze zajistit pro Apple Watch alespoň malý zlomek popularity, které se těší jejich chytré telefony, se nevyhnul ani samotnému Applu.

Postrádá již tedy trend v podobě nositelné elektroniky jakoukoli jiskru? Bude se jednat o jakýsi módní výstřelek, jehož čas již minul? Nebo zde máme spíše rodící se příležitost, která stále čeká na své využití?

Nová generace nositelných zařízení se konečně „našla“ a věci se daly do pohybu. S nasazením úsporných, a přece stále velmi výkonných procesorů SoC (system-on-a-chip) budou novinky z nositelné elektroniky znamenat ještě více, než jsme dosud mohli vidět.

Ošemetný problém

Zatímco s chytrými hodinkami a dokonce i zařízeními pro sledování pohybové aktivity jsme se mohli setkat již na konci minulé dekády, nositelná elektronika, tak jak ji známe dnes, ve skutečnosti dorazila až někdy okolo roku 2012. Tehdy se totiž na trh dostaly fitness náramky FuelBand od Nike nebo chytré hodinky Pebble. Tyto dvě kultovní záležitosti se těšily nesmírné oblibě a jejich úspěch pomohl nastartovat zájem veřejnosti právě o tuto oblast.

Mít, či nemít

Na trh prorazila řada firem, takže v současné době dostáváme na výběr z nepřeberného množství fitness zařízení či chytrých hodinek. Po pěti letech, které uplynuly od představení Fuel- Bandu by si někdo mohl říct, že touto dobou by již prakticky každé zápěstí mělo hostit nějaký ten chytrý doplněk. Opak je ale pravdou. Prodeje očekávání analytiků zase tolik nenaplňují a podle nedávného šetření [1] zde míra opuštění vykazuje takřka 30 procent. Přibližně jeden ze tří doplňků – fitness náramků nebo chytrých hodinek – skončí nakonec v šuplíku.

Nově vznikající technologie

Co tedy stojí v cestě masivnímu nasazení nositelných systémů? Stejně jako kterákoli jiná formující se technologie si také nositelná elektronika musela v rané fázi projít svými „dětskými nemocemi“.

Na pozici zcela nové kategorie zařízení zde nebyl žádný vyhovující hardwarový ekosystém, který by první generaci nositelné elektroniky podporoval. Vývojáři se proto museli spokojit se součástkami navrženými původně pro větší a také energeticky náročnější vestavné systémy. Výsledek byl nasnadě – pěkné sliby, nicméně nedostačující provedení.

První nositelné systémy často a ve velké míře nasazovaly diskrétní součástky, což se logicky odráželo v rozměrných a také drahých zařízeních, která povětšinou spotřebovala více energie, než bylo žádoucí. FuelBand od Nike třeba stavěl na samostatných součástkách zajišťujících funkci mikrokontroléru, paměti, senzorů či vf rozhraní. A přestože byl inženýry od Nike navržen vkusně, zůstal FuelBand na poměry náramku pořád relativně silný a s cenou 150 dolarů pro jednoduché sledování aktivity ještě k tomu i drahý.

Mít, či nemít 1

Starosti o výdrž baterie pak stejně jako vlastní omezené možnosti zpracování vedly řadu raných nositelných zařízení k odlehčení a přenesení náročnějších úkolů až do chytrého telefonu. Z pohledu vlastních funkcí jsme tak dostali evidentně omezené produkty. Jakákoli smysluplná analýza dat pocházejících z různých čidel se proto neobešla bez aplikace na telefonu.

První nositelná elektronika byla nakonec vnímána jako zařízení, která je spíše „pěkné mít“, než že je „musíme mít“. Přístup se mnohdy omezoval na prosté počítání kroků (které ani nebylo pokaždé přesné) nebo též snímání tepové frekvence. Řada zařízení navíc přinášela funkce, které nebyly pro většinu lidí klíčové a často je šlo nahradit samotnými chytrými telefony.

Více než jen „udělátko“

Ačkoli měla první generace nositelné elektroniky k dokonalosti daleko, na to, aby předvedla komerční potenciál rodícího se trhu, se prodávala docela dobře. A rychle zareagovali též výrobci čipů, kterým začalo být jasné, že zde data ze senzorů potřebujeme účinně zpracovat s minimálními odběry a v rámci kompaktního zapouzdření. Díky integraci mikrokontroléru (MCU), rozhraní Bluetooth a dalších důležitých prvků umožnil vývoj SoC současnou podobu nositelných zařízení, která budou tenčí, déle vydrží a nabídnou ještě více funkcí.

Potřeba SoC v nositelné elektronice pramení z předpokladu, že vývojáři zde musí na rozdíl od většiny zbývajících vestavných systémů pracovat ve skutečně stísněných podmínkách a s omezeným přídělem dostupné energie. K zajištění smysluplné činnosti navíc potřebujeme odpovídající podporu pro snímání a zpracování. A to se chytré telefony, vnímané z pohledu klasických vestavných systémů a jejich standardů jako malé, jeví ve srovnání i s těmi nejrozměrnějšími chytrými hodinkami stále jako obrovské. Nositelné systémy musí být prostě malé, aby nám dobře padly okolo zápěstí, a dostatečně lehké, to aby je šlo nenápadně nosit i na jiných částech těla nebo přímo v oblečení.

Další obrovský úkol se v nositelném světě pojí s energetickou účinností. Na rozdíl od chytrého telefonu, jehož funkce budou nyní pro průměrného uživatele zcela zásadní, nositelná elektronika se stále stává zejména periferní záležitostí, takže lidé nebudou tolik ochotní nabíjet ji každým dnem.

Otázky spojené s rozměry a vlastní spotřebou pomáhá řešit SoC. Nositelná zařízení tak mohou zůstat menší, lehčí, a tudíž i praktičtější a méně okázalá. Díky SoC lze nositelnou elektroniku z estetického hlediska navrhnout ještě líbivějším způsobem a stále přitom udržet několikadenní a v některých případech snad i několikatýdenní výdrž baterie.

Mít, či nemít 2

Revoluci mezi SoC zažehlo v létě 2012 představení SoC nRF51822 s rozhraním Bluetooth Low Energy (BLE) od společnosti Nordic Semiconductor. Čipy pamatují na nízkopříkonové MCU ARM Cortex-M0, vf část s Bluetooth a dále pak i paměť typu Flash, RAM, řízení napájení, A/D převodníky, D/A převodníky nebo vstupy a výstupy. Zapracováním těchto klíčových součástí, které nalezneme skoro v každém nositelném zařízení, pomáhá nRF51822 zjednodušit hardwarový návrh, snížit náklady na součástky, omezit proudovou spotřebu a ještě více zeštíhlit výslednou podobu zařízení.

Vystavěním svého SoC okolo procesoru ARM Nordic přináší úsporné řešení a pro vývojáře též nástroje s náležitou podporou. S vlastní SW výbavou (BLE stack) se bude s čipy pracovat snadněji než v případě klasických vf modulů s rozhraním Bluetooth. Spíše než spletitostem protokolu BLE se tak mohou vývojáři věnovat samotné aplikaci.

Prostor pro návrh nositelné elektroniky vybavené SoC zaznamenali i další výrobci čipů a rychle přispěchali s vlastním pohledem na BLE SoC stavějícím na ARM Cortex-M0. BLE modul PSoC 4 od Cypress Semiconductor nabízí procesor M0 taktovaný na 48 MHz, kontrolér pro kapacitní dotykové ovládání a ještě lepší podporu analogovým strukturám. Dalším modulem založeným na M0 bude ATSAMB11 od Atmelu s vynikající proudovou spotřebou a neobyčejně malým provedením pouzdra typu QFN o rozměrech 6 × 6 mm.

Zatímco zmiňované nové moduly SoC s integrovaným BLE rozvířily poklidné vody nositelné elektroniky, včetně internetu věcí, použité procesory ARM Cortex- M0 zůstaly relativně poddimenzované, což omezovalo jejich využití spíše na základní aplikace.

V roce 2015 proto přichází Nordic ještě jednou a uvádí na trh řadu nRF52. Druhá generace BLE SoC zaznamenala se 64MHz procesorem Cortex-M4F výrazně vyšší výkony, lepší citlivost vf části, dvojnásobnou paměť Flash a RAM a také poloviční spotřebu.

Ve stejném roce společnost Texas Instruments modernizuje svou nabídku a představuje řadu BLE SoC CC2640 s procesory Cortex-M3 a docela výkonnými 48MHz jádry, které výraznou měrou posunuly možnosti návrhů s BLE SoC. Proudová spotřeba se stále drží velmi nízko, při 0 dBm na úrovni 5,9 mA pro RX a 6,1 mA pro TX.

Tato druhá generace procesorů SoC nyní dodává výkon pro novou vlnu nositelných zařízení, která budou cenově dostupnější a také praktičtější nebo i líbivější než kdykoli předtím.

Ať je stojí za to nosit

S nejnovějšími procesory BLE SoC od předních výrobců čipů budou fitness náramky spolu s další tradiční nositelnou elektronikou ještě přesnější a také užitečnější. Rovněž mohou stát za zrodem zbrusu nových aplikací.

Nejnovější příliv zařízení sledujících pohybové aktivity, která se mohou pochlubit lepšími a ještě preciznějšími výsledky, demonstruje Lumo Run. K dosažení útlého profilu s tloušťkou půl palce a sotva znatelnou váhou využívá SoC nRF52832. Zatímco první generace senzorů pro fitness měly co do činění se zápěstím, kde se při sledování aktivit spodní části těla s přesností nijak zvlášť nevyznamenaly, Lumo Run připevníme raději na zadní část kalhot, poblíž trupu.

Na základě monitorování pohybu nedaleko středu těla dokáže Lumo Run vysledovat tempo, odskoky, zpomalování, pohyb pánve nebo i rotaci. S takovými podrobnými informacemi se již dostáváme za hranici běžných počítadel kroků. Uživatel totiž obdrží přesnou akční zpětnou vazbu, důležitou pro další zlepšování běžecké kondice.

Kromě vyvíjejících se fitness senzorů bude nejnovější vlna nositelné elektroniky dále zahrnovat i chytré oblečení, monitorovací zařízení pro pacienty, wellness počítadla či hybridní hodinky.

Novou třídu produktů, jdoucích nad rámec doplňků nošených na způsob náramku, může tvořit i „Owlet Smart Sock“ – jakási chytrá ponožka sovího holátka sledující u miminek úrovně kyslíku společně s tepovou frekvencí. Zahrnuje pulsní oxymetr stejně jako transmitter pro BLE. Informace provázané se základními fyziologickými funkcemi budou přenášeny přes BLE do základnové stanice, která je pak odesílá do cloudu, odkud je zase dokážeme vyčíst zpět přes počítač nebo mobilní aplikaci. Smysl zařízení spočívá v navození duševní pohody rodičů, kteří mohou takto alespoň na dálku sledovat u svého dítěte životní pochody.

Profesionální sportovci a zranění – to je vždy velká nepříjemnost. Předcházet poraněním loktů, která nejsou u hráčů baseballu ničím neobvyklým, by zase mohl pomoci nový stahovací rukáv (Motus) vybavený akcelerometrem sledujícím u nadhazovačů namáhání lokte při každém hodu. Získaná data pomohou trenérům i hráčům optimalizovat rozvrh tréninků, zamezit přetěžování a také rozhodnout, zda má hráč zůstat ve hře, nebo se již vrátit na lavičku.

Doba nositelná

Po neohrabaných začátcích se nositelná elektronika začíná konečně prosazovat. První generace zde využívala provizorních technologií určených pro větší zařízení, což nejednou vedlo k dražším a rozměrnějším řešením, která se mohla obvykle pyšnit spíše bombastickou reklamou než vlastními funkcemi. Jakmile však ekosystém okolo hardwaru dohnal zpoždění, začalo se dařit i tomuto odvětví elektroniky. Dostupnost energeticky účinných a výkonných čipů BLE SoC od společností Nordic, Cypress, Atmel, TI a dalších výrobců dodávajících bezdrátové technologie dala v současnosti vzniknout poslední generaci nositelné elektroniky nacházející tu správnou rovnováhu mezi vlastní spotřebou, výkonem a úsporou místa pro zajištění odpovídajících funkcí, líbivým vzhledem a také smysluplným nasazením.

Na rozdíl od mnoha očekávání nemusí úspěch nositelných zařízení nutně znamenat fitness senzory na každém zápěstí, ale spíše přemíru elektroniky ve všech jejích tvarech i podobách, kdy řeší konkrétní otázky z medicíny, průmyslu, ve spotřebním světě a dokonce i mezi sportovci. A nejvydařenější, resp. nejslibnější, dnes automaticky nemusí být zařízení, která vyhlížíme, ale ta, která jsme prostě nikdy nečekali.