Verbundenes Spielzeug: Nutzung drahtloser Schnittstellen für neuartige Spielerfahrungen

Schon heute ist es nicht mehr ungewöhnlich, ein Mobiltelefon oder Tablet auf Android- oder iOS-Basis zu erleben, das mit einem Spielzeug verbunden ist und dieses steuert. Und die Palette der Spielzeuge, die heute eine Drahtlosverbindung auf der Basis von Bluetooth oder Wi-Fi enthalten, nimmt geradezu explosionsartig zu. In den Regalen der Geschäfte sind die unterschiedlichsten Roboter, fliegenden Drohnen und andere Spiele anzutreffen, die alle über eine Drahtlosverbindung verfügen. In derartige Spielzeuge lassen sich jetzt preisgünstig Ausstattungsmerkmale wie Drahtlosschnittstelle, Multiachsensensor, ein kleines Display, Berührungssteuerung integrieren – ganz einfach, weil die Implementierungskosten der entsprechenden Komponenten drastisch gesunken sind.

Die Komponentenpreise sind durch die Massenproduktion solcher Bausteine für den Einsatz in Mobiltelefonen und Tablets massiv gefallen, die neben Wi-Fi- und Bluetooth-Transceivern auch Bewegungssensoren, Gyroskope, GPS-Empfänger und Touchscreens als Grundausstattung enthalten. Doch nicht nur die Kosten für die Drahtlosanbindung sind gefallen, auch die von Multiachsensensoren, Mikrocontrollern und vielen anderen Komponenten, die dadurch inzwischen in der neusten Generation von Spielzeugen eingesetzt werden. Da außerdem die meisten Spielzeuge batteriebetrieben sind, ist auch ein geringer Stromverbrauch Grundvoraussetzung aller dieser Komponenten. Dadurch wurde auch die Übernahme des BLE-Standards (Bluetooth Low Energy) und seines neuen Verwandten Bluetooth Smart vorangetrieben.

Was ist also Bluetooth Smart? Im Grunde ist es dasselbe wie Bluetooth LE, doch es nutzt das Generic Attribute Profile (GATT), das auf dem Attribute Protocol (ATT) aufbaut. Das GATT-Profil schafft gemeinsame Operationen und Rahmenbedingungen für die Daten, die durch das ATT transportiert und gespeichert werden. Das GATT definiert sowohl eine Server- als auch eine Client-Rolle für die Bluetooth LE-Hardware. Die Profile GATT und ATT sind Voraussetzung für die Implementierung von LE, da GATT zum Aufspüren von Services verwendet wird. Durch den Einsatz von GATT wird für den Softwareentwickler der Aufspürungs- und Verknüpfungsprozess zwischen dem Telefon bzw. Tablet und dem Spielzeug viel einfacher.

Laut Fachjargon der Bluetooth-Entwicklerdokumente spezifiziert das GATT-Profil die Struktur, in der Profildaten ausgetauscht werden. Diese Struktur definiert die grundlegenden Elemente wie Dienste (Services) und Eigenschaften (Characteristics), die in einem Profil verwendet werden. Dabei verkörpert das Profil die oberste Hierarchieebene. Ein Profil besteht aus einem oder mehreren Diensten, die benötigt werden, um einen Anwendungsfall zu realisieren. Ein Dienst besteht aus Eigenschaften oder Referenzen zu anderen Diensten. Jede Eigenschaft enthält einen Wert und kann optionale Informationen über den Wert enthalten. Der Dienst und die Eigenschaft sowie die Komponenten der Eigenschaften (d. h. Wert und Deskriptoren) enthalten die Profildaten und sind alle in den Attributen auf dem Server gespeichert.¹

Der Bluetooth Low Energy-Standard soll den Energieverbrauch verringern, indem sehr schnelle Verbindungen (einige wenige Millisekunden) aufgebaut und kleine Datenmengen übertragen werden. Mit Hilfe dieser Techniken wird der Energieverbrauch auf ein Zehntel von Classic Bluetooth reduziert. BLE-Geräte können in einen Schlafmodus versetzt und für Ereignisaktivitäten aktiviert werden. Der maximale Stromverbrauch liegt bei weniger als 15 mA, der durchschnittliche Stromverbrauch bei etwa 1 µA. Somit kann eine kleine Knopfzelle – wie eine CR2032 – den Betrieb eines Geräts bis zu 10 Jahre aufrechterhalten.

Entwickler, denen es um das Hinzufügen von Single-Mode-BLE oder Bluetooth Small zu kleinen, tragbaren und energieefizienten Geräten geht, sollten die Module der BL600-Serie von Laird Technologies in Erwägung ziehen. Die BL600-Module, die auf dem nRF51822-Chipsatz von Nordic Semiconductor basieren, zeichnen sich durch einen niedrigen Energieverbrauch und eine gute Reichweite bei einem kompakten Flächenbedarf von nur 19 x 12,5 mm aus. Die Module enthalten sämtliche Hard- und Software, die zur Entwicklung von BLE-Anwendungen benötigt wird. Die BL600-Module sind auch vollständig als Bluetooth-Endprodukte qualifiziert, wodurch Entwickler sie in Geräte integrieren können, ohne dass dazu eine weitere Bluetooth-Qualifikation erforderlich ist.

In gleicher Weise bieten die HF-Module der Panasonic PAN1326/1316-Serie sowohl Bluetooth Low Energy- als auch Standard-Bluetooth-Konnektivität. Durch diese Technologiekombination entsteht eine preisgünstige Netzwerklösung mit extrem niedrigem Energieverbrauch für Nahbereichsanwendungen. Die HCI (Host Controlled Interface) PAN1326/1316 bringt auch den CC2564 von Texas Instruments in ein einfach zu verwendendes Modulformat. Die kompakte Technologie von Panasonic bietet ein Modul von nur 85,5 mm² einschließlich Antenne. Die Module sind für Platinen mit einem Pad-Abstand von 1,3 mm und mit nur zwei Lagen zur leichten Implementierung und Fertigung ausgelegt.

Panasonic bietet auch ein Dreifach-Modus-Entwicklungsmodul für die drei Bluetooth-Standards an. Dieses Modul lässt sich direkt in die Entwicklungskits von Panasonic, Texas Instruments MSP430 und Stellaris-Experimentierplatinen einstecken, mit dem zusätzlichen Vorteil von Steckleisten, die die Prototyp-Verkabelung und Feldversuche vereinfachen.

Ein Spielzeug ist nichts weiter als ein eingebettetes Steuerungssystem

Die grundlegende Struktur eines verbundenen Spielzeugs ähnelt ganz stark der eines eingebetteten Steuerungssystems: Oft verfügen sie über einen zentralen Steuerungsprozessor mit lokalem Speicher und Energiemanagementfunktionen, unterschiedliche Signaleingänge, die mit Multiachsensensoren oder Schaltern verbunden sind, zusätzliche Ausgangssignale, die einen oder mehrere Motoren, ein Display oder eine Anzeigelampe oder einige andere Funktionen steuern, sowie eine drahtlose Schnittstelle zu den Wi-Fi- und/oder Bluetooth-Funkbausteinen (Abbildung 1). Heute handelt es sich bei dem Steuerungsprozessor oft um einen hochintegrierten Mikrocontroller, der auf einemARM® Cortex™-M0- oder M3/M4-Prozessorkern basiert, und die Funkfunktion wird üblicherweise durch getrennte Chips oder Module implementiert, welche die Sende-/Empfangsschaltungen und den Leistungsverstärker enthalten.


Abbildung 1: Dieses vereinfachte Schaltbild des elektronischen Subsystems im Inneren eines verbundenen Spielzeugs wie dem Sphero von Orbotix gleicht dem eines typischen eingebetteten Steuerungssystems. Ein Mikrocontroller führt das Programm aus, während die E/A-Pins der MCU für den Anschluss und die Steuerung der unterschiedlichen Sensoren, Motoren. Schalter, Displays und Funkbausteine sorgen.

Eines der interessanteren verbundenen Spielzeuge, die gerade den Markt erobern, ist der Roboterball Sphero vom Anbieter Orbotix (Abbildung 2). In das Innere eines transparenten Kunststoffballs mit etwa sieben Zentimetern Durchmesser haben die Hersteller ein Komplettsystem gepackt, das aus einem drahtlosen Ladesystem für die integrierten Batterien, einem Cortex-M4-basierten Mikrocontroller von STMicroelectronics, einem zweiten ARM-Prozessor zur Ausführung des Bluetooth-Protokollstapels, einem Motortreiber von Texas Instruments zur Steuerung des Motors, einem Gyroskopsensor von Bosch, farbigen LEDs zur Farbänderung des Sphero durch den Benutzer sowie eine Bluetooth Classic-Drahtlosschnittstelle von Amp’edRF besteht. Bei einer zweiten Generation des Sphero soll der Energieverbrauch gesenkt werden, indem die Bluetooth Classic-Schnittstelle durch eine Bluetooth Smart-Lösung ersetzt wird. Mit einer einzigen Batterieladung bietet der Sphero-Ball über eine Stunde Spielspaß. Er kann aus bis zu 30 Metern Entfernung gesteuert werden.


Abbildung 2: Im jüngsten von Orbotix entwickelten Roboterball, dem Sphero2, wird zur Steuerung eine Bluetooth LE-Drahtlosverbindung zu einem Smartphone oder Tablet auf Android- oder iOS-Basis genutzt. Die einfache Benutzeroberfläche kann auf ein Apple iOS- oder Android-Smartphone oder -Tablet heruntergeladen werden (siehe unten).

Roboterspielzeuge und fliegende Drohnen von Herstellern wie Wowwee und Parrot sind gute Beispiele, wie Smartphone- oder Tablet-Technologien eingesetzt wurden, um neuartige Funktionen anzubieten. So verfügt z. B. der „Jumping Sumo“ von Parrot, ein zweirädriges Roboterspielzeug, über eine integrierte Kamera und kann Videoaufnahmen über eine Wi-Fi-Verbindung zum Smartphone oder Tablet streamen (Abbildung 3, links). Die Wi-Fi-Verbindung wird auch zur Steuerung verwendet, und die Anwender können den Roboter herumfahren oder springen lassen: Er kann über einen Dreiviertelmeter hoch springen und landet dabei immer präzise auf seinen Rädern.

Die voll flugfähige Drohne AR.Drone2.0 von Parrot wird von vier Propellern angetrieben und verfügt über eine HD-Kamera mit einer Auflösung von 720p bei 30 Bildern pro Sekunde. Die Videodaten werden dabei mit einem H.264-Encoder codiert (Abbildung 3, rechts). Über die integrierte Wi-Fi-Schnittstelle können die Videodaten direkt auf das Smartphone oder Tablet gestreamt werden; gleichzeitig verfügt das System über einen USB-Steckplatz für einen Flash-Speicherstick zur lokalen Videospeicherung. Der bordeigene Computer des Steuerungssystems basiert auf einem 32-Bit-ARM-Mikrocontroller sowie dem Video-DSP-Chip TMS320DM64x von Texas Instruments.


Abbildung 3: Der vom Hersteller Parrot angebotene springende Roboter Jumping Sumo kann einen Dreiviertelmeter hoch springen und verfügt über eine integrierte Kamera, die Videodaten über eine Wi-Fi-Schnittstelle auf ein Smartphone oder Tablet streamen kann. Die voll flugfähige Drohne AR.Drone2.0 Quadricopter, ebenfalls von Parrot, zeichnet sich durch extrem präzise Flugsteuerung und automatische Stabilisierung aus. So lassen sich während des Flugs HD-Videodaten erfassen. Mehrere Sensoren liefern dabei Daten zur Stabilisierung, Positionierung, Zielausrichtung und Geschwindigkeit über Grund.

Die Wi-Fi-Schnittstelle bietet Konnektivität nach 802.11b/g/n. Weitere Sensoren der Drohne sind ein Dreiachsengyroskop, ein Beschleunigungsmesser und ein Magnetometer zur Unterstützung der GPS-Positionierung, ein Drucksensor und Ultraschallsensoren zur Messung der Höhe über Grund. Eine zweite Kamera mit niedriger Auflösung (QVGA) erfasst 60 Bilder pro Sekunden und erleichtert damit die Messung der Geschwindigkeit über Grund. Der Flugantrieb der Drohne stammt aus vier bürstenlosen Motoren mit einer maximalen Drehzahl von 28.500 U/min, und für die Steuerung jedes Motors ist eine CPU aus der 8-MIPS-AVR-Familie von Atmel zuständig. Ihren Strom bezieht die Drohne aus einem Lithium-Polymer-Akku mit 1000 mAh. Mit der im Apple App Store kostenlos erhältlichen App AR.Free Flight kann die Drohne per iPhone, iPod Touch oder iPad gesteuert werden.

Für Ingenieure, die sich mit der Wi-Fi-Konnektivität ihrer Designprojekte befassen, dürfte das Skyworks SE2594L interessant sein: ein vollständiges 802.11a/b/g/n WLAN-HF-Frontend-Modul, das sämtliche Funktionen des Leistungsverstärkers, Filterung, Leistungsdetektor, T/R-Switch, Diplexer sowie die zugehörige Abstimmung bietet. Bei dem auf maximale Benutzerfreundlichkeit ausgelegten Modul sind alle HF-Ports auf 50 Ω abgestimmt, um das Platinen-Layout und die Schnittstelle zum Transceiver-RFIC zu vereinfachen. Das SE2594L enthält außerdem einen Sendeleistungsdetektor für jedes Frequenzband und jede Übertragungskette, mit einem Dynamikbereich von 20 dB für jede Übertragungskette. Das SE2594L bietet eine vollständige 2,4- und 5-GHz-WLAN-HF-Lösung vom Ausgang des Senders bis zur Antenne mit einem kompakten Formfaktor.

Fassen wir zusammen: Wir erleben gerade, wie Drahtlosspielzeuge den Markt erobern, seien es winzige Helikopter und Multipropellerdrohnen, die in der Luft umherschwirren, oder Roboter-Avatare, die sich auf den Fußböden tummeln. In diesen unterschiedlichsten Geräten kommt Drahtlostechnologie zum Einsatz, um ihre Bewegungen zu steuern. In einigen Fällen dient sie auch dem Senden und Empfangen von Videodaten. Dieser Artikel hat einen Blick auf einige dieser Technologien geworfen – Bluetooth, Wi-Fi und sogar Mobilfunk –, die von verschiedenen Spielzeugherstellern genutzt werden, um die Konnektivität und Steuerung ihrer Produkte zu ermöglichen. Alle vorgestellten Beispiele verdeutlichen: Die Konzepte für verbundene Spielzeuge kennen keine Grenzen – Grenzen setzt lediglich die Kreativität ihrer Designer.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschrieben Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktinformationsseiten auf der Digi-Key-Website.

Referenzen

1. Informationen für Bluetooth-Entwickler