Des plateformes permettent le développement rapide de dispositifs wearables
Par Simon Duggleby, Marketing Manager – Semiconductors, RS Components
La technologie wearable représente une nouvelle perspective de développement pour les systèmes embarqués, regroupant différentes technologies et les rendant accessibles de façon innovante aux utilisateurs. La technologie wearable multiplie les possibilités de nouveaux types d'interfaces utilisateurs, qui débouchent sur une électronique plus réactive pour les personnes qui les portent et permettent d'obtenir des données physiologiques importantes pour leur bien-être en général.
Le problème pour les jeunes entreprises vient de la difficulté à réaliser des prototypes et à fournir des produits quasi finalisés afin de réaliser des essais et de démarrer les premières étapes de la production. La nécessité d'intégrer des dispositifs électroniques sur des vêtements, dans des bracelets ou des ceintures impose des contraintes en termes d’encombrement. Bien qu'il soit possible d'utiliser des systèmes de développement conventionnels, ceux-ci se révèlent souvent trop encombrants pour être utilisés lors des essais. Un système d'analyse du sommeil, par exemple, qui serait lui-même gênant à porter, faussera les résultats des expériences et sera mal accepté par les utilisateurs.
Les cas d'usage des wearables conduisent typiquement à la nécessité de plateformes apportant une combinaison de microprocesseur, d’interfaces pour capteurs et de communications radio, pour permettre la transmission des données traitées vers un dispositif central, souvent un téléphone portable se trouvant dans la poche de l’utilisateur. La connexion sans fil peut permettre à un dispositif central d'obtenir les données en provenance de nombreux modules de capteurs portés un peu partout sur soi. Les développeurs se trouvent confrontés au choix de la norme sans fil, y compris Bluetooth Smart et 6LowPAN, et des interfaces personnalisées basées sur les normes IEEE 802.15.4 ou IEEE 802.15.4a et fonctionnant dans les bandes de fréquences autorisées à 2,4GHz, 433MHz ou 868MHz.
Un des avantages de Bluetooth Smart est qu'il fonctionne avec presque tous les smartphones ou tablettes. De récentes modifications du protocole Bluetooth ont amélioré la consommation de l'interface sans fil ainsi que la sécurité de la connexion, étant ainsi compatible avec des applications individuelles basées sur des capteurs nécessitant une confidentialité des données. Si Bluetooth sera certainement très courant dans les wearables, d'autres options pourront apporter d'autres fonctionnalités. Basé sur la technologie ultralarge bande (ULB), la norme IEEE 802.15.4a ajoute non seulement des fonctionnalités de communications pour réseaux de capteurs mais aussi la possibilité d'estimer avec très grande précision la localisation à l'intérieur.
De nombreux wearables traiteront des paramètres physiologiques enregistrés par des capteurs conçus pour détecter les déplacements, la fréquence cardiaque et la température de la peau ainsi que des paramètres environnementaux comme la pression. La fusion de données multi-capteurs est un aspect important de la conception des wearables et du développement de logiciel, améliorant le degré d’utilisation du dispositif en associant les entrées de plusieurs capteurs. Une telle fusion de données multi-capteurs enrichit la perception de l'environnement par le wearable.
Le déplacement vers l'avant détecté par les accéléromètres et les gyroscopes, s'accompagnant d'une fréquence cardiaque plus rapide, peut indiquer que la personne est en train de courir ou de marcher, sans qu’elle n'ait à appuyer sur un bouton ou à utiliser un écran tactile pour dire au dispositif dans quel mode doit-il fonctionner.
Une tendance croissante est aux modules de capteurs à associer pour aider les développeurs à utiliser des solutions commerciales disponibles immédiatement, là où, auparavant, ils auraient eu à utiliser des ASICS sur mesure. Un exemple en est le circuit de détection SFH 7050 BioMon d'Osram. Développé en réponse à la demande de wearables pour la forme physique et le bien-être, le dispositif comprend trois différentes sortes de LED associées à un photodétecteur.
Les LED dans le dispositif ont été choisies en fonction de leur capacité à mesurer différents paramètres physiologiques. Une lumière verte est mieux adaptée à la mesure du pouls sur le poignet, alors qu'une lumière rouge convient mieux à la mesure du pouls sur le bout du doigt et à la sphygmo-oxymétrie. Une LED infrarouge située à proximité peut servir de capteur de proximité pour que le logiciel du système puisse décider de commencer ou arrêter la mesure.
Une prise en charge intégrée des multiples LED facilite la mise en œuvre de la fusion de données multi-capteurs. Certains dispositifs de mesure de la forme physique sur le marché utilisent une combinaison de valeurs lues par le photodétecteur en provenance de différentes LED pour détecter la fréquence du pouls. Si les valeurs lues en provenance des différents capteurs sont cohérentes, la confiance dans le résultat final sera plus importante. Parallèlement à l'utilisation du changement d'absorption de la lumière verte dû à une plus grande quantité de sang sous le poignet, par exemple, il est possible d'utiliser de l'infrarouge. Une pression artérielle plus élevée au début de la pulsation augmente la pression autour du capteur, ce qui modifie la quantité de lumière reçue par le capteur optique.
De même, dans un sphygmo-oxymètre, la détection infrarouge associée à la détection de la lumière rouge améliore globalement la qualité des données. Le sang désoxygéné tend à prendre une couleur bleue, qui absorbe préférentiellement la lumière rouge. Le sang très oxygéné n'absorbe pas autant de lumière rouge mais tend à présenter une plus grande absorption dans l'infrarouge. Le point où les caractéristiques d'absorption se croisent agit donc comme une confirmation que les mesures d'oxygène sont de bonne qualité.
Lors de la détermination des performances d'un wearable à base de capteurs, la consommation d'énergie totale est importante. Il y a souvent peu de place pour une grosse batterie dans un dispositif porté sur soi. Pour améliorer le rendement énergétique, de nombreux développeurs ont profité des modes de veille disponibles sur les microcontrôleurs basse consommation couramment utilisés, comme ceux basés sur l'architecture ARM Cortex-M ou le MSP432 de Texas Instruments.
Bien qu'un wearable puisse être perçu, par l'utilisateur, comme surveillant constamment les entrées des capteurs, la nature des paramètres de déplacement, environnementaux et physiologiques signifie que les entrées n'ont pas besoin d'être échantillonnées fréquemment. Certaines entrées ne doivent être échantillonnées que quelques fois par seconde et peut-être jusqu'à cent fois pour une détection haute résolution. Comme le temps de traitement des entrées, même dans les cas de calculs de fusion de données multi-capteurs, seront typiquement courts par rapport à l'intervalle de temps entre échantillons, le MCU peut être mis en veille sur de longues périodes de temps. Le cycle d'utilisation minimise la consommation et améliore la durée de vie totale de la batterie.
L'aspect esthétique est important dans le dispositif final, permettant de pouvoir s'éloigner du traditionnel facteur de forme rectangulaire des cartes embarquées. Le Lilypad d'Arduino en est un bon exemple. L'électronique, compatible avec l'environnement de développement de logiciel largement répandu, est montée sur une carte PCB ronde équipée de trous qui permettent de la coudre facilement sur un vêtement. Une option similaire est la Flora d'Adafruit Industries, qui, bien qu'un peu plus petite que le Lilypad, présente plus de capteurs intégrés et d'équipement de communications et de mémoire, mais moins de canaux pour les E/S personnalisées.
Grâce à sa petite taille, le Curie d'Intel se présente comme une option pour conception wearable tenant dans de nombreux boîtiers destinés aux wearables. Un peu plus gros qu'un bouton de chemise, le module rectangulaire parvient à englober un processeur complet 32 bits Quark d'Intel, un capteur de déplacement à six axes, une fonctionnalité de communication Bluetooth Smart et 384Ko de mémoire flash.
Conçue en collaboration avec Intel, la carte d'apprentissage et de développement Genuino 101 présente les performances et la faible consommation du Curie d'Intel avec la simplicité d'Arduino à un prix d'entrée de gamme.
L'avènement de l'impression 3D peut aider à concevoir le prototype ou à mettre en œuvre la production à petite échelle pour les essais. En utilisant des logiciels gratuits comme DesignSpark Mechanical de RS Components, le développeur peut concevoir facilement puis produire rapidement une coque ronde et robuste pour une carte comme le Lilypad, pour que l'électronique et les capteurs soient bien protégés pendant l'utilisation.
D'autres types de système de prototypage de wearable sont prévus pour se rapprocher de l'application finale. Le Chronos de TI, par exemple, fournit une plateforme de développement de montre connectée sans fil basée sur un microcontrôleur MSP430 et un écran, qui est prête à porter mais qui peut être démontée pour permettre le remplacement par une carte d'application personnalisée. L'unité de base comprend un capteur de pression et un accéléromètre pour la détection de déplacement, ainsi qu'un émetteur-récepteur sans fil pour faire parvenir les données à un concentrateur intelligent.
En associant du matériel commercial disponible immédiatement, la technologie d'impression 3D et une offre croissante de modules de détection, le développement et le prototypage des wearables sont maintenant accessibles à un bien plus grand nombre d'équipes d'ingénieurs qu'auparavant. La tendance va se poursuivre avec un nombre inégalé de types de dispositifs lancés sur le marché.
