Dispositifs corporels et Internet des objets : développements récents et solutions de connectivité

L'idée que tout et tout le monde pourront devenir un nœud connecté à Internet et relié au cloud par l'intermédiaire d'un dispositif commandé ou donnant des rapports d'état, ou les deux, fait tourner bien des têtes. Les futuristes imaginent un monde où tout est connecté et où des tweets, e-mails, SMS et autres alertes vous informeront de ce que vous devez savoir (et même de ce que vous n'avez pas particulièrement besoin de savoir).

Par conséquent, si de nombreux dispositifs et équipements utiles seront accessibles en temps réel ou presque, beaucoup d'autres se révèleront des applications de technologie moderne peu pratiques, mais qui sauront séduire les plus impressionnables d'entre nous. Cependant, on aurait tort de les dédaigner trop vite, car nous savons que même les applications les plus absurdes peuvent connaître un franc succès, tant le public est capricieux et sensible à la mode. L'indice d'engouement est toujours un élément moteur.

Cet article s'intéresse aux types de dispositifs corporels amenés à occuper une part importante de l'Internet des objets, et aux composants et technologies qui y contribueront. Nous verrons en détail les produits novateurs précurseurs ainsi que l'état actuel de la recherche en matière de processeurs et de radio intégrés. Tous les composants, fiches techniques, didacticiels et kits de développement mentionnés ici sont disponibles sur le site Web de DigiKey.

Tomber la chemise… connectée

Les vêtements sont l'une des plateformes de l'intelligence et de la communication intégrées. Les vêtements intelligents ne nous permettront pas seulement d'être branchés et à la mode, ils serviront également à nous divertir, nous connecter et contiendront des capteurs de surveillance de la santé intégrés à l'écosystème médical.

Les vêtements actifs et interactifs ne datent pas d'hier, mais ils sont sur le point de passer à la vitesse supérieure grâce à la connectivité au cloud et aux avancées en science des matériaux. Plusieurs articles vestimentaires actifs sont déjà disponibles. Ils requièrent cependant généralement des blocs batteries et des contrôleurs filaires. Même les capteurs et les écrans sont « posés » sur le vêtement plutôt que véritablement intégrés.

Prenez l'exemple d'un vêtement actif jouant le rôle d'instrument de musique, tel que le t-shirt guitare électrique rock¹ ou le t-shirt batterie électronique² actuellement disponibles. Même s'il ne s'agit pas d'une révolution, ces articles introduisent le concept de capteurs intégrés à nos vêtements. À l'opposé, il existe déjà des vêtements proposant des écrans actifs. Par exemple, l'image sur l'écran du nouveau t-shirt détecteur de Wi-Fi³ change en fonction de la puissance du signal Wi-Fi à l'endroit où vous vous trouvez.

Ces nouveautés vestimentaires ne sont pas encore prêtes pour le grand public pour plusieurs raisons. D'abord, les composants électroniques, capteurs et écrans modulaires ne sont pas complètement intégrés au tissu. Il s'agit généralement de modules encombrants et coûteux posés sur les vêtements. Ensuite, ces trois éléments résistent mal au lavage. Enfin, ils requièrent une source d'alimentation ou un système de récupération d'énergie économique.

Tout cela est susceptible de changer prochainement, grâce à quelques progrès, notamment la possibilité d'imprimer des dispositifs à OLED sur les tissus. Plusieurs technologies d'imprimantes à jet d'encre se sont révélées efficaces en ce domaine, ce qui ouvrira les portes à d'autres articles vestimentaires actifs équipés d'écrans évolutifs et pouvant même afficher de la vidéo.

La capacité d'incorporer des capteurs électroniques au tissu est un progrès supplémentaire qui va permettre aux vêtements de passer à l'état actif. Il est prouvé que cette technologie fonctionne, même si les développeurs ne savent pas encore exactement comment l'exploiter. Par exemple, des pantalons équipés de capteurs de mouvement⁴ sont en cours de développement à l'institut polytechnique de Virginie. Ces pantalons sont composés de tissu et de fils tissés avec les capteurs afin de détecter les mouvements et, éventuellement, d'envoyer un signal sans fil à un écran d'ordinateur.

En ce qui concerne les tissus photovoltaïques, permettant de récupérer la lumière (y compris l'éclairage d'intérieur) pour en faire une source d'énergie fiable, la technologie avance, mais n'est pas tout à fait prête. Quant aux capteurs et écrans de première génération, ils sont proposés sous forme de modules modernes (Figure 1).

Figure 1 : La récupération d'énergie par le biais des vêtements est un concept novateur. Des précurseurs dans le domaine de l'innovation, tels que Tommy Hilfiger, utilisent des panneaux solaires amovibles sur leurs vestes. Nous ne sommes pas très loin de l'utilisation de cellules photovoltaïques tissées, ce qui signifie que dans le futur, les dispositifs corporels disposeront d'une importante source d'énergie à consacrer à la connectivité Internet des objets (IoT).

Applications médicales

Les solutions électroniques médicales, de santé et de fitness intégrées constituent un autre pôle d'intérêt. Des applications simples, comme des chaussures de course équipées de podomètres, peuvent vous éviter d'avoir à transporter un dispositif supplémentaire. Associées à un ordinateur corporel, des applications de géolocalisation peuvent vous informer lorsque vous passez à proximité de vos amis en faisant du jogging ou un autre sport. Par exemple, Nike a prévu dans ses chaussures de course un compartiment destiné à un capteur capable de communiquer sans fil avec votre lecteur de musique ou votre smartphone. Ce capteur adapte la musique que vous écoutez à votre rythme de course et vous fournit des statistiques, comme le nombre de calories dépensées, la distance parcourue, votre vitesse moyenne, la durée de l'entrainement, etc. (en n'oubliant pas que vos données sont aussi envoyées à Nike).

Entre autres exemples pertinents, citons les montres mesurant la tension artérielle et le taux de glycémie qui, grâce à la connectivité sans fil, en sont au point de pouvoir se connecter à Internet et émettre des alertes. Pour illustrer cela, prenons le capteur et émetteur de fréquence cardiaque Polar Wearlink, compatible avec Nike, l'iPod d'Apple et le GPS ANT (Figure 2).

Figure 2 : Ce capteur de fréquence cardiaque transmet également ses données à des montres de sport, des lecteurs de musique et des capteurs dans des chaussures de sport. Une version médicale peut envoyer des alertes aux services de secours, et même inclure des coordonnées GPS en cas d'accident cardiaque.

La recherche a beaucoup avancé en matière de contrôle des taux de glycémie et d'insuline en temps réel et sans prélèvement. Les appareils en question peuvent communiquer localement avec des pompes à perfusion implantées à l'aide de liens sans fil permettant une réponse physiologique en temps réel. Des courbes de données peuvent également être fournies au personnel médical afin de surveiller l'état du patient et de faciliter le diagnostic grâce aux données collectées en temps réel sur Internet.

Des rapports de fréquence cardiaque sont déjà disponibles, collectant des données lorsque se produit un accident cardiaque, que les médecins pourront consulter ultérieurement. Les stimulateurs cardiaques et défibrillateurs les plus perfectionnés permettent aussi la programmation locale et le contrôle de la fréquence cardiaque, et peuvent détecter les situations nécessitant une réanimation du cœur. Les capacités de traitement local ne cessant de s'accroître, la transmission des données en temps réel au cabinet du médecin peut s'avérer précieuse en cas d'accident cardiaque imminent, puisqu'elle permet d'avertir le patient à l'autre bout du monde qu'il doit prendre des mesures préventives.

Les vêtements de l'Internet des objets deviennent partie intégrante de ce système de relais d'information en agissant comme des liens basse consommation entre dispositifs corporels qui peuvent communiquer avec le cloud d'une manière écoénergétique. Au lieu d'utiliser plusieurs liens haute puissance actifs en permanence et occupant beaucoup d'espace, un flux synchronisé de données locales peut être transmis (souvent dans un format compressé), offrant une meilleure fiabilité et accessible quand vous en avez besoin.

Étiquettes RFID

Même si la recherche est en cours afin de mettre au point de nouvelles normes pour les réseaux personnels et corporels, de nombreuses normes et technologies existent et sont plus qu'adéquates pour les nœuds de l'Internet des objets portés ou installés en permanence.

Même si elles pèchent par leur manque de programmabilité, les étiquettes des transpondeurs RFID, en particulier celles de 2e génération, sont une solution envisageable à appliquer sur des vêtements. Celles de 1re génération étaient initialement conçues pour la prévention des vols et restent un moyen pratique de réduire les pertes de marchandise et d'en assurer le suivi à peu de frais. Celles de 2e génération disposent en plus d'une capacité de lecture/d'écriture longue portée (jusqu'à 9 m) et d'un système unique de récupération d'énergie intégré. Les étiquettes fonctionnent en mode passif, récupérant l'énergie du champ RF hôte afin d'alimenter une mémoire non volatile et même des processeurs basse consommation.

Plusieurs fabricants d'étiquettes et de lecteurs d'étiquettes proposent des produits, ainsi que des kits de développement et des codes. Les lecteurs comme le modèle AS3992-BQFP-50 d'ams prennent en charge les dispositifs plus économiques de 1re génération destinés au contrôle des stocks (ou à la prévention des vols), ainsi que les dispositifs plus modernes de 2e génération avec capacité de lecture/d'écriture et mémoire non volatile.

NXP fabrique également des dispositifs en lecture seule à faible coût, notamment le HTRC11001T/03EE,11, la gamme Hitag1 ou les modèles de la série MiFare, comme le MFRC50001T/0FE,112, ainsi que le système de développement correspondant, le OM5592/MF1S50,699.

Ces composants sont rendus attractifs grâce à leurs étiquettes transpondeurs à faible coût, comme le HTSH5601ETK,118 (Figure 3). Elles constituent souvent la majeure partie de la conception et sont économiques. L'ensemble des sous-systèmes est si petit qu'il peut tenir dans une étiquette vestimentaire, mini-antenne comprise.

Figure 3 : Un système de transpondeur complet doté d'une mémoire non volatile, d'une logique de contrôle et d'un émetteur-récepteur RF est assez petit pour tenir dans une étiquette vestimentaire.

Choix en matière de communication

Les étiquettes corporelles RFID permettent à Internet de savoir qui nous sommes, où nous sommes et ce que nous faisons, et jouent ainsi un rôle dans l'Internet des objets. Elles peuvent déclencher la diffusion de publicités ciblées tandis que nous nous déplaçons et stocker des informations sur les produits que nous achetons et utilisons. Jusqu'à cinquante lecteurs peuvent être placés dans un rayon d'un kilomètre carré. Notre emplacement et nos activités font donc partie intégrante de l'Internet des objets, étant donné que nous portons ces étiquettes. Cependant, le véritable but de l'Internet des objets est de faire en sorte que des processeurs actifs à l'intérieur d'objets fonctionnels puissent communiquer avec le cloud d'une manière ou d'une autre. C'est là qu'entre en jeu l'ajout de la technologie RF.

Tandis que la plupart des points d'accès utilisent la 3G, la 4G ou même la 5G (lorsqu'elle sera disponible) comme passerelle du fournisseur d'accès, les communications locales peuvent se faire via Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee ou ANT dans un périmètre très limité.

La technologie Bluetooth Low-Energy vise directement un grand nombre de ces applications. Un grand nombre d'émetteurs-récepteurs monopuce et de modules permettant un développement de conception rapide sont disponibles. Par exemple, le module ABBTM-NVC-MDCS71(50PCS) d'Abracon prend en charge la technologie Bluetooth 4.0 comprenant un système de streaming audio hérité ainsi que des modes basse consommation et haut débit.

Le module monomode SESUB-PAN-T2541 de TDK destiné à une prise en charge faible énergie est contrôlable et accessible via UART ou SPI. Il existe des solutions encore plus économiques, comme le dispositif ENW-89835C1KF de Panasonic, offrant une fonction Bluetooth Low-Energy uniquement, et pouvant être intégrées à une conception pour moins de 11 dollars, à peine plus cher qu'un circuit intégré. Ces modules pré-certifiés présentent également l'avantage de vous faire gagner du temps et de l'argent afin de commercialiser vos produits au plus vite.

Les services 3G et 4G faisant du Wi-Fi une liaison de communication plus largement répandue, le potentiel de connexion d'appareils déployés à grande échelle avec le cloud augmente radicalement.

Ici, par exemple, des composants comme le module Wi-Fi et Bluetooth combinés WL1835MODGBMOCT à montage en surface de Texas Instruments méritent notre attention. Dans le cas présent, le Bluetooth peut servir d'agrégateur à faible puissance pour tous les dispositifs locaux ou corporels, tandis que le Wi-Fi sert à transporter les données vers et depuis le cloud.

Les jeux de puces et modules cellulaires peuvent offrir une connectivité directe aux fournisseurs d'accès sans fil et éliminer le besoin d'agrégation ou de points d'accès Wi-Fi. Le problème avec les puces cellulaires est que le marché est tel que les fabricants refusent les commandes de petits et moyens volumes. Par conséquent, il ne reste que les modules pour tester et développer cette technologie.

Des modules tels que le MT100EOCG-H5-SP de Multi-Tech Systems peuvent être utilisés comme connecteurs cellulaires dans votre agrégateur et, si vos volumes de production deviennent suffisamment importants, ils peuvent être remplacés par votre propre conception. Cependant, remarquez que les certifications pour les dispositifs cellulaires peuvent être coûteuses et chronophages, alors que les modules peuvent contourner ces contraintes. Pour plus d'informations à ce sujet, consultez le module de formation en ligne présentant les certifications pour les dispositifs cellulaires de Multi-Tech.

Résumé

Tandis que les composants électroniques intégrés sont généralement autonomes, la possibilité d'imprimer et de tisser des éléments d'affichage, des conducteurs et des dispositifs de récupération d'énergie dans les vêtements est en cours de perfectionnement. L'impression de certaines fonctions hautement intégrées, telles que les puces radio et les microcontrôleurs, sur les vêtements n'est, cependant, pas encore faisable et elles apparaîtront encore quelque temps sous forme d'éléments discrets.

Les connexions PAN-vers-cellulaire et PAN-vers-Wi-Fi sont possibles et grâce au protocole IPv6, permettant un plus grand nombre d'adresses individuelles que jamais, même votre basket gauche aura bientôt sa propre adresse IP et une identité sur le cloud. S'il est plus que probable que des applications absurdes émergeront, l'apparition de nombreux périphériques, capteurs et conceptions médicales et de santé est également à prévoir.

Il est encore impossible de savoir quelles technologies et quels protocoles deviendront prédominants dans l'Internet des objets, mais en attendant, comme cet article l'a démontré, les ingénieurs ont en main les outils, les composants et les matériaux nécessaires à la conception de dispositifs corporels fonctionnels désormais dotés d'une connectivité embarquée.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages du site Web de DigiKey.

Références

1. T-shirt guitare électrique rock
2. T-shirt batterie électronique
3. T-shirt détecteur de Wi-Fi
4. Pantalon intelligent pour l'imagerie médicale