I dispositivi indossabili e l'IoT: sviluppi recenti e soluzioni di connettività

L'idea che ogni persona e ogni cosa saranno disponibili come nodi abilitati per Internet e connessi nel cloud, accessibili come dispositivi controllabili o come dispositivi che forniscono solo uno stato (o come entrambi) attira l'attenzione di molti. I futuristi immaginano un mondo in cui tutto sia connesso e dove tweet, email, messaggi di testo e altri avvisi ci forniscano le informazioni di cui abbiamo bisogno (oltre a molte altre di cui potremmo fare tranquillamente a meno).

La conseguenza di questa situazione è che, se da un lato molti dispositivi e apparecchiature utili saranno resi accessibili in tempo reale e "quasi" reale, molti altri faranno la loro comparsa come applicazioni della tecnologia moderna certamente meno utili ma, non di meno, di grande attrattiva per quelli tra di noi che si lasciano impressionare più facilmente. Tuttavia sarebbe sbagliato scartare a priori queste applicazioni, perché sappiamo bene che il pubblico è volubile e soggetto alle mode del momento e pertanto anche quelle più sciocche possono finire col riscuotere un enorme successo. La capacità di stupire e accattivare è ancora una forza trainante.

In questo articolo esamineremo i tipi di dispositivi indossabili che costituiranno una parte importante dell'Internet delle cose e i componenti e le tecnologie che renderanno possibile tutto questo. Analizzeremo nel dettaglio i prodotti all'avanguardia e faremo il punto sulla ricerca attualmente in corso per la realizzazione di dispositivi radio e processori integrati. Tutti i componenti, le schede dati, i tutorial e i kit di sviluppo che vengono citati sono reperibili online nel sito Web di DigiKey.

Indumenti intelligenti

L'abbigliamento è una delle future piattaforme per le comunicazioni e l'intelligenza embedded. Gli indumenti intelligenti non saranno solo uno strumento per curare moda e look, ma ci forniranno intrattenimento, ci permetteranno di essere connessi agli altri e conterranno sensori per il monitoraggio della salute integrati nell'ecosistema medicale.

Gli indumenti attivi e interattivi non rappresentano una novità, ma conosceranno presto un forte impulso verso la prossima generazione grazie alla connettività cloud e ai progressi nella scienza dei materiali. Sono già disponibili vari indumenti attivi, che però in genere richiedono batterie e controller cablati. Anche i sensori e i display sono aggiunti a posteriori ("bolt-on"), piuttosto che realmente integrati.

Prendiamo ad esempio due capi attivi con strumenti musicali, come la maglietta con la chitarra elettrica¹ o la maglietta con la batteria elettronica² oggi disponibili. Naturalmente non sono altro che gadget divertenti, ma questi oggetti introducono il concetto di sensori embedded nei nostri indumenti. D'altro canto sono già disponibili anche indumenti dotati di display attivi, come ad esempio la maglietta con rilevatore Wi-Fi³, con il display che riflette l'intensità del segnale Wi-Fi nell'area in cui si trova chi la indossa.

Questi indumenti con gadget tecnologici non sono però pronti ad affrontare mercati più importanti, per varie ragioni: in primo luogo, perché l'elettronica modulare, i sensori e i display non sono realmente parte del tessuto del materiale, ma sono costosi dispositivi spesso ingombranti aggiunti ("bolt-on") ai capi di abbigliamento; in secondo luogo, perché l'elettronica, i sensori e i display non amano finire nel bucato; infine, perché richiedono alimentazione o energy harvesting a basso costo.

Tutto questo potrebbe presto cambiare grazie ad alcune innovazioni, come la possibilità di stampare dispositivi a OLED flessibili direttamente sui tessuti. Molte tecnologie a getto di inchiostro si sono già dimostrate utili e questo aprirà la strada alla realizzazione di indumenti più attivi con display variabili e addirittura in stile video.

Un altro sviluppo che trasformerà gli indumenti da sistemi passivi ad attivi è la capacità di inserire i sensori elettronici direttamente nella trama dei tessuti. Questa tecnologia è stata dimostrata, anche se gli sviluppatori non hanno ancora messo a fuoco come ricavarne vantaggi. Ad esempio, al Virginia Polytechnic Institute sono allo studio dei pantaloni in grado di rilevare il movimento⁴: utilizzano fili elettrici inseriti nella trama del tessuto insieme ai sensori per rilevare il movimento e possono inviare segnali in modalità wireless al display di un computer.

Una innovazione ancora non pronta (ma non troppo lontano dall'esserlo) è rappresentata dalle celle fotovoltaiche integrate nei tessuti, in grado di effettuare l'harvesting persino della luce negli ambienti chiusi per ricavarne una fonte di energia affidabile. Come anche i primi sensori e display, i prodotti moderni sono realizzati in modo modulare (Figura 1).

Figura 1: L'abbigliamento che permette di realizzare l'energy harvesting è un concetto innovativo. I pionieri del settore, come Tommy Hilfiger, utilizzano pannelli solari rimovibili sulle giacche. Il tessuto fotovoltaico non è più fantascienza e questo significa che i dispositivi indossabili del futuro avranno ampio accesso all'energia per sfruttare la connettività IoT.

Applicazioni medicali

Un'altra area di grande interesse è rappresentata dai dispositivi elettronici per applicazioni medicali e di salute/fitness. Applicazioni semplici, come le scarpe da running con il contapassi incorporato, possono liberarci dalla necessità di portare con noi un dispositivo separato. Con l'utilizzo di applicazioni di geolocalizzazione in abbinamento con un computer indossabile possiamo sapere se ci sono amici nelle nostre vicinanze quando facciamo jogging o pratichiamo uno sport. Ad esempio, Nike nelle sue scarpe da corsa ha previsto una taschina per contenere un sensore in grado di comunicare in modalità wireless con il lettore musicale o lo smartphone; coordina la musica da ascoltare durante gli allenamenti e offre statistiche quali le calorie bruciate, la distanza percorsa, la velocità media, la durata, e molto altro ancora (tenere presente che i dati vengono inviati anche a Nike).

Altre applicazioni utili sono gli orologi che misurano la pressione del sangue e la tecnologia per il monitoraggio della glicemia, che grazie alla connettività wireless permetterà presto l'accessibilità online e la distribuzione di avvisi. Un esempio è il Sensore e Trasmettitore della frequenza cardiaca Polar Wearlink, compatibile con Nike + iPod e ANT GPS (Figura 2).

Figura 2: Questo sensore della frequenza cardiaca trasmette i dati anche agli orologi sportivi, ai lettori musicali e ai sensori applicati alle scarpe da running. Una versione per il settore medicale è in grado di inviare avvisi ai servizi di emergenza, compresi i dati sulla posizione GPS, qualora venga rilevato un evento cardiaco.

È a buon punto la ricerca nel campo dell'analisi in tempo reale dei livelli di insulina e zuccheri nel sangue senza prelievo venoso. Vi sono dispositivi in grado di comunicare in locale con le pompe per infusione impiantate chirurgicamente, mediante collegamenti wireless per una risposta fisiologica in tempo reale. È inoltre possibile fornire al personale medico i tracciati dei dati per scopi di monitoraggio e diagnosi del paziente a partire dai dati raccolti in tempo reale tramite il web.

Sono già disponibili i registri dei monitor cardiaci, nei quali vengono raccolti i dati quando si verifica un evento cardiaco, in modo tale che i medici possano visionarli in un secondo tempo. I modelli più avanzati di defibrillatori e pacemaker impiantati permettono inoltre il controllo e la programmazione in locale della frequenza cardiaca, nonché la rilevazione delle condizioni che impongono il riavvio del cuore. Se da un lato le capacità di elaborazione in locale sono sempre in espansione, l'invio in tempo reale di informazioni all'ambulatorio del medico può consentire di prevedere l'imminente verificarsi di un evento e avvisare il paziente, che magari si trova all'altro capo del mondo, in modo tale che mettere in atto le necessarie misure preventive.

L'abbigliamento pronto per l'Internet delle cose diventa parte integrante di questo sistema di trasferimento di informazioni fungendo da collegamento a bassa potenza per i dispositivi indossati in grado di comunicare con il cloud in modo efficiente dal punto di vista energetico. Piuttosto che avere più collegamenti ad alta potenza continuamente attivi e in competizione per lo stesso spazio, è possibile trasmettere un flusso sincronizzato di dati locali (spesso in formato compresso), che garantisce accessibilità e affidabilità superiori quando necessario.

Tag RFID

Anche se è in corso la ricerca finalizzata a creare nuovi standard per le reti PAN (Personal Area Network) e BAN (Body Area Network), molti degli standard e delle tecnologie esistenti sono più che adeguati per i nodi IoT indossati o permanentemente posizionati.

Pur essendo carenti sul piano della programmabilità, i tag o transponder RFID, soprattutto quelli di classe Gen II, rappresentano una possibile soluzione applicabile agli indumenti. La tecnologia di Generazione I era stata originariamente creata per la prevenzione dei furti ed ancora oggi è utile come mezzo per ridurre le perdite di inventario e per la gestione delle risorse in movimento di basso costo. Gen II aggiunge le funzioni di lettura/scrittura a grandi distanze (fino a 9 metri circa) ed incorpora una sorta di energy harvesting. I tag funzionano in modalità passiva, raccogliendo energia dal campo RF host per alimentare la memoria non volatile e persino i processori a bassa energia.

Molti produttori di tag e di lettori di tag offrono, oltre al prodotto, anche il codice e i kit di sviluppo. Lettori quali AS3992-BQFP-50 di ams possono supportare i dispositivi di prima generazione, che hanno costi minimi, per applicazioni di controllo di inventario (o deterrenza di furti), ma supportano anche i moderni dispositivi Gen II di tipo non volatile per lettura/scrittura.

Anche NXP produce dispositivi di sola lettura a basso costo, come HTRC11001T/03EE,11, la serie Hitag1 o i dispositivi della serie MiFare come MFRC50001T/0FE,112 e il relativo sistema di sviluppo, OM5592/MF1S50,699.

Ciò che rende questi componenti così interessanti sono i tag di basso costo come HTSH5601ETK,118 (Figura 3). Sono economici e questo è un aspetto importante, trattandosi spesso dei componenti più numerosi di un progetto; inoltre i sottosistemi completi sono talmente compatti da poter essere inseriti nell'etichetta di un capo di abbigliamento, mini-antenna compresa.

Figura 3: Un sistema transponder completo, con memoria non volatile, logica di controllo e transceiver RF, è talmente piccolo da poter essere inserito nell'etichetta di un capo di abbigliamento.

Opzioni di comunicazione

I tag RFID indossabili possono segnalare a Internet la nostra presenza, la nostra posizione, le azioni che stiamo compiendo, svolgendo così un ruolo nell'IoT. Possono attivare delle pubblicità mirate durante i nostri spostamenti e memorizzare informazioni sui prodotti che utilizziamo e acquistiamo. In un'area di un chilometro quadrato è possibile posizionare fino a 50 lettori, quindi di fatto le nostre posizioni e attività diventano parte dell'IoT nella misura in cui lo siamo noi che indossiamo i tag. Il vero scopo dell'IoT è però disporre di processori attivi in oggetti funzionali che in qualche modo comunicano con il cloud ed è qui che entra in gioco l'aggregazione di tecnologia RF.

Mentre i punti di aggregazione con ogni probabilità utilizzeranno 3G, 4G o anche 5G (quando sarà disponibile) come gateway del fornitore di servizi, le comunicazioni locali potranno includere le tecnologie Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee o ANT, come mezzo per una comunicazione molto localizzata.

Bluetooth Low Energy sta puntando direttamente su molte di queste applicazioni. Sono disponibili molti moduli e transceiver a chip singolo in grado di consentire il veloce sviluppo del progetto. Ad esempio, il modulo ABBTM-NVC-MDCS71(50PC) di Abracon supporta la tecnologia Bluetooth 4.0, che comprende lo streaming audio legacy, nonché le modalità a bassa energia e alta velocità.

Il modulo in modalità singola SESUB-PAN-T2541 di TDK per il supporto a bassa energia è controllabile e accessibile attraverso un'interfaccia UART o SPI. Vi sono persino soluzioni a costi inferiori come ENW-89835C1KF di Panasonic che forniscono la sola funzionalità a bassa energia Bluetooth e possono essere integrate in un progetto con un investimento inferiore a 11 dollari, non molto di più rispetto a un CI. Un altro vantaggio è rappresentato dal fatto che questi moduli precertificati permettono di risparmiare tempo e denaro quando l'obiettivo è arrivare velocemente sul mercato.

Con i servizi 3G o 4G che rendono il Wi-Fi un collegamento di comunicazione distribuito a livello ancora più universale, aumenta significativamente il potenziale per la connessione al cloud di dispositivi ampiamente distribuiti.

In questo contesto è opportuno esaminare più da vicino componenti come il modulo combinato Wi-Fi e Bluetooth a montaggio superficiale WL1835MODGBMOCT di Texas Instruments. In questo caso la tecnologia Bluetooth può agire da aggregatore a bassa potenza per tutti i dispositivi locali o indossati, mentre il Wi-Fi funge da meccanismo di trasporto da e verso il cloud.

I moduli e i chipset cellulari possono consentire la connettività diretta a fornitori di servizi wireless ed eliminare la necessità per l'aggregazione o gli hotspot Wi-Fi. Il problema dei chip cellulari è che il mercato è tale che i produttori di CI generalmente non si occupano di clienti con volumi medio-bassi. Per questo non rimangono che i moduli come strumento per testare e sviluppare la tecnologia.

È possibile utilizzare moduli come MT100EOCG-H5-SP di Multi-Tech Systems come connessione cellulare nell'aggregatore e in un secondo tempo, laddove i volumi di produzione raggiungessero un livello sufficiente, sostituire questi moduli con dispositivi di propria progettazione. Tenere presente, tuttavia, che le procedure di certificazione per i dispositivi cellulari possono essere lunghe e costose, ostacolo che può essere aggirato optando per l'uso di moduli. A questo riguardo può essere utile la consultazione del Modulo didattico per l'uso dei prodotti di Multi-Tech dedicato alla Panoramica sulle certificazioni dei dispositivi cellulari disponibile online.

In sintesi

Nonostante l'elettronica integrata sia principalmente composta di dispositivi autonomi, si stanno registrando grandi progressi nella capacità di stampare e integrare gli elementi di un display, i conduttori e la funzionalità di energy harvesting direttamente nella trama dei tessuti. Tuttavia la stampa sugli indumenti di alcune funzioni altamente integrate, come i chip radio e i microcontroller, non è ancora praticabile e quindi questi per il momento rimangono ancora componenti discreti.

Sono possibili entrambi i collegamenti da PAN a cellulari e da PAN a Wi-Fi e con il protocollo IPv6, che oggi consente di utilizzare un numero di indirizzi univoci mai così alto prima d'ora, presto anche la nostra scarpa sinistra potrebbe avere un indirizzo IP univoco ed essere presente nel cloud. Indubbiamente faranno la loro comparsa anche applicazioni di svago di scarsa utilità pratica, ma accanto a queste possiamo attenderci senz'altro anche molti sensori, periferiche e progetti utili in campo sanitario e medico.

Quali tecnologie e protocolli emergeranno come dominanti nell'IoT è ancora da stabilire, ma nel frattempo, come abbiamo visto in questo articolo, i progettisti dispongono degli strumenti, dei componenti e dei materiali di supporto necessari per progettare dispositivi indossabili funzionali ora con connettività "bolt-on".

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

Riferimenti

1. Maglietta con chitarra elettrica 
2. Maglietta con batteria elettronica 
3. Maglietta con rilevatore Wi-Fi 
4. Pantaloni intelligenti (imaging medicale)