Giocattoli connessi: sfruttare le interfacce wireless per creare nuove esperienze di gioco

Oggi non è raro vedere un cellulare o tablet Android o iOS utilizzato per collegarsi e controllare un giocattolo e la varietà di giocattoli con una connessione wireless Bluetooth o Wi-Fi sta esplodendo. Sugli scaffali dei negozi è possibile trovare una varietà di robot, droni volanti e molti giochi che incorporano tutti le interfacce wireless. Questi giocattoli possono ora incorporare economicamente un'interfaccia wireless, un sensore multi-asse, un piccolo display, controllo tattile e molte altre caratteristiche grazie ai costi drasticamente ridotti di implementazione di questi componenti.

I costi dei componenti sono scesi come conseguenza della produzione ad alto volume dei dispositivi destinati all'uso in telefoni cellulari e tablet che incorporano transceiver sia Wi-Fi che Bluetooth, così come sensori di movimento, giroscopi, ricevitori GPS e touchscreen come parte delle loro specifiche di livello base. Non solo il costo delle connessioni wireless è diminuito, ma anche il costo di sensori multi-asse, microcontroller e molti degli altri componenti che stanno per essere sempre più integrati nell'ultima generazione di giocattoli connessi. Inoltre, poiché la maggior parte dei giocattoli tende ad essere a pile, anche il basso consumo energetico è un requisito fondamentale per tutti questi componenti e ciò ha stimolato l'adozione dello standard Bluetooth Low Energy (BLE) e del suo nuovo cugino, soprannominato Bluetooth Smart.

Quindi , che cosa è Bluetooth Smart? Fondamentalmente è lo stesso di Bluetooth LE, ma utilizza il profilo di attributo generico (GATT), realizzato sulla base del protocollo di attributo (ATT). Il profilo GATT stabilisce le operazioni comuni e un quadro operativo per i dati trasportati e archiviati da ATT. GATT definisce un ruolo server e client per l'hardware Bluetooth LE. I profili GATT e ATT devono obbligatoriamente essere implementati in LE poiché GATT è usato per la rilevazione dei servizi. L'uso di GATT consente agli sviluppatori software di semplificare l'individuazione e il processo di collegamento tra il telefono o tablet e il giocattolo.

Nel gergo dei documenti per sviluppatori Bluetooth, il profilo GATT specifica la struttura nella quale vengono scambiati i dati del profilo. Questa struttura definisce gli elementi di base quali i servizi e le caratteristiche utilizzate in un profilo. Il primo livello della gerarchia è un profilo. Un profilo è composto da uno o più servizi necessari per compiere un caso d'uso. Un servizio è costituito da caratteristiche o riferimenti ad altri servizi. Ogni caratteristica contiene un valore e può contenere informazioni opzionali su tale valore. Il servizio, la caratteristica e i componenti della caratteristica (cioè valore e descrittori) contengono i dati del profilo e sono tutti memorizzati negli attributi sul server.¹

Lo standard Bluetooth Low Energy è progettato per ridurre il consumo energetico stabilendo connessioni molto veloci (pochi millisecondi) e trasferendo piccole quantità di dati. Grazie a queste tecniche, il consumo di energia è ridotto ad un decimo rispetto a Bluetooth Classic. I dispositivi BLE possono essere portati in modalità di sospensione e attivati per le attività di un evento. Inoltre, il consumo massimo di energia è inferiore a 15 mA e il consumo medio è di circa 1 µA. Quindi, una piccola batterie a bottone - come il tipo CR2032 - è in grado di alimentare un dispositivo per un massimo di 10 anni di funzionamento.

I progettisti che desiderano aggiungere BLE in modalità singola o Bluetooth Smart a piccoli dispositivi portatili, sensibili ai consumi potrebbero prendere in considerazione i moduli della serie BL600 di Laird Technologies. Basati sul chipset nRF51822 di Nordic Semiconductor, i moduli BL600 offrono bassi consumi e ottimo campo in un ingombro compatto di 19 x 12,5 mm. I moduli incorporano tutto l'hardware e il firmware necessari per supportare lo sviluppo di applicazioni BLE. I moduli BL600 sono anche pienamente qualificati come prodotti finali Bluetooth, consentendo ai progettisti di integrarli nei dispositivi senza la necessità di ulteriore qualificazione Bluetooth.

Analogamente, la serie di moduli RF PAN1326/1316 di Panasonic offre sia connettività Bluetooth Low Energy sia Bluetooth Standard. Questa combinazione tecnologica crea una soluzione di rete wireless a basso costo e bassissimo consumo per applicazioni a corto raggio. La serie PAN1327/1316 con interfaccia controllata dall'host (HCI) offre anche il formato di modulo CC2564 facile da utilizzare di Texas Instruments. La tecnologia di ingombro compatto di Panasonic offre un modulo di soli 85,5 mm², antenna compresa. I moduli sono progettati per ospitare piazzole PCB di passo di 1,3 mm con appena due strati per una facile implementazione e produzione.

Panasonic offre anche un modulo di sviluppo a tripla modalità per i tre protocolli Bluetooth standard. Il modulo si inserisce direttamente nei kit di sviluppo Panasonic così come nelle schede sperimentali MSP430 e Stellaris di Texas Instruments e offre l'ulteriore vantaggio di connettori di testa che semplificano il cablaggio del prototipo e le prove sul campo.

Un giocattolo è solo un sistema di controllo embedded

L'architettura di base di un giocattolo collegato è molto simile a quella di un sistema di controllo embedded — spesso esiste un processore centrale di controllo con memoria locale e capacità di gestione di potenza, vari ingressi di segnale che si connettono a sensori multi-asse o interruttori, segnali di uscita supplementare che controllano uno o più motori, una display o una spia luminosa o altre funzioni e l'interfaccia wireless per la connessione Wi-Fi e/o la radio Bluetooth (Figura 1). Oggi, il processore di controllo è spesso un microcontroller altamente integrato, basato su un core processore ARM® Cortex™-M0 o M3/M4 e la funzione radio è in genere un modulo o chip separato che contiene i circuiti di trasmissione e ricezione e un amplificatore di potenza.


Figura 1: Questo schema semplificato del sottosistema elettronico all'interno di un giocattolo collegato come Sphero di Orbotix richiama un tipico sistema di controllo embedded. Un microcontroller esegue il programma, mentre i pin I/O dell'MCU collegano e controllano i vari sensori, motori, interruttori, display e radio wireless.

Uno dei più interessanti giocattoli collegati sul mercato è la palla robotica Sphero sviluppata da Orbotix (Figura 2). All'interno di una palla di plastica trasparente delle dimensioni di una palla da baseball, l'azienda ha confezionato un sistema completo che comprende un sistema a ricarica wireless per le batterie interne, un microcontroller basato su Cortex-M4 di STMicroelectronics, un secondo processore ARM per eseguire lo stack Bluetooth, un driver motore di Texas Instruments per comandare il motore, un sensore giroscopio di Bosch, LED colorati per consentire all'utente di cambiare il colore di Sphero e un'interfaccia wireless Bluetooth Classic prodotta da Amp'edRF. La versione di seconda generazione di Sphero ridurrà il consumo energetico sostituendo l'interfaccia Bluetooth Classic con una soluzione Bluetooth Smart. Con una carica completa la palla Sphero fornisce più di un'ora di gioco a pieno regime e può essere controllata a distanze fino a circa 30 metri.


Figura 2: La palla robotica sviluppata da Orbotix, Sphero2, impiega un collegamento wireless Bluetooth LE a uno smartphone o tablet iOS o Android per il controllo (in alto). La semplice interfaccia utente può essere scaricato in uno smartphone o tablet Apple iOS o Android (in basso).

I giocattoli robotici e i droni volanti prodotti da aziende come Wowwee e Parrot sono ottimi esempi di come la tecnologia smartphone o tablet sia stata applicata per fornire nuove funzionalità. Ad esempio, "Jumping Sumo" di Parrot è un giocattolo robotico a due ruote con una fotocamera incorporata in grado di eseguire video in streaming su una connessione Wi-Fi per riprodurla su uno smartphone o tablet (Figura 3, a sinistra). La connessione Wi-Fi è anche utilizzata per il controllo e gli utenti possono far rotolare o anche saltare il robot di oltre 1 metro in altezza e farlo sempre atterrare sulle sue ruote.

Il drone aviotrasportato AR di Parrot.Drone2.0 è un dispositivo a quattro eliche che racchiude una telecamera HD che può acquisire video a 720p a 30 fps e codificare il video con un encoder H.264 (Figura 3, a destra). Sebbene l'interfaccia Wi-Fi integrata consenta lo streaming del flusso animato a uno smartphone o tablet, il sistema prevede anche uno slot USB per una chiavetta di memoria flash che può archiviare il video localmente. Il sistema del computer/controllo su scheda inizia con un microcontroller basato su ARM di 1 GHz e 32 bit e un chip DSP video TMS320DM64x di Texas Instruments.


Figura 3: Un giocattolo robotico che salta, Jumping Sumo, offerto dal Parrot può saltare fino a 1 metro in altezza e comprende una fotocamera incorporata per lo streaming del video su uno smartphone o tablet attraverso un'interfaccia Wi-Fi (a sinistra). Il drone aviotrasportato AR.Il quadricottero Drone2.0, anch'esso prodotto da Parrot, offre un controllo di estrema precisione e stabilizzazione automatica per acquisire video HD in volo. Molteplici sensori forniscono i dati su stabilizzazione, posizionamento, orientamento (direzione) e velocità di terra.

L'interfaccia Wi-Fi fornisce connettività 802.11b/g/n e sensori multipli tra cui un giroscopio a tre assi, accelerometro e magnetometro che aiutano nel posizionamento GPS, un sensore di pressione e sensori ad ultrasuoni per le misure altimetriche da terra. Una seconda fotocamera a bassa risoluzione (QVGA) acquisisce i fotogrammi a 60 fps per aiutare a misurare la velocità di terra. Per il decollo del drone sono stati previsti quattro motori brushless che possono funzionare fino a 28.500 giri/min e per il controllo di ogni motore è predisposta una CPU della famiglia a 8 MIPS di Atmel. Alimenta il drone una batteria ricaricabile al litio polimero di 1000 mAH. Un'applicazione software gratuita è disponibile su Apple App Store: AR.Free Flight permette a un iPhone, iPod Touch o iPad di controllare il drone.

I progettisti intenti allo sviluppo di connettività Wi-Fi per un progetto dovrebbero dare un'occhiata a SE2594L di Skyworks, un modulo front-end RF WLAN 802.11a/b/g/n completo che fornisce tutta la funzionalità di amplificatori di potenza, filtraggio, rilevatore di potenza, interruttore T/R, diplexer e corrispondente abbinamento. Progettato per la facilità d'uso, tutte le porte RF sono abbinate a 50 Ω per semplificare il layout della PCB e l'interfaccia al transceiver RFIC. SE2594L comprende anche un rilevatore di potenza del trasmettitore per ciascuna banda e una catena di trasmissione con gamma dinamica di 20 dB cadauna. SE2594L fornisce una soluzione RF WLAN completa a 2,4 e 5 GHz dall'uscita del transceiver all'antenna in un fattore di forma compatto.

In sintesi, assistiamo al momento a un assalto di giocattoli wireless sul mercato, da piccoli elicotteri e droni a più eliche, fino ad avatar robotici che vagano tra gli uffici. I numerosi dispositivi disponibili sfruttano la tecnologia wireless per controllare i loro movimenti e in alcuni casi, inviare e ricevere video. Questo articolo ha esaminato alcune delle tecnologie, Bluetooth, Wi-Fi e persino i sottosistemi cellulari, utilizzati da vari fornitori di giocattoli per fornire connettività e controllo. Come hanno dimostrato tutti gli esempi, i giocattoli collegati di nuova concezione non conoscono limiti; l'unico limite è dato dalla creatività del progettista.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito Digi-Key.

Riferimenti

1. Informazioni per sviluppatori Bluetooth.