Wearables für die Industrie

Die Weiterentwicklung der Mikroelektronik und der Computersysteme hat sich in den letzten zehn Jahren rasant beschleunigt. Damit sind Sensoren und Mobilgeräte mit zahlreichen neuen Funktionen möglich geworden. Kleinere Abmessungen, geringere Kosten und hohe Rechenleistung in Kombination mit kleineren Sensoren und Funktechnik haben dazu geführt, dass Wearables mittlerweile in verschiedenen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen: von der Medizintechnik über Sport und Training bis hin zur Sicherheit (Bild 1). Die Fähigkeit von Wearables, Einblick in die Aktivitäten und die Lebensweise des Nutzers zu erhalten, wird unser Leben stark beeinflussen – genauso wie es die PCs in den 1980er Jahren taten.

Bild 1: Beispiele für aktuelle Wearables. Dialog Semiconductor

Wearables für die Medizintechnik gibt es in verschiedenen Ausführungen, zum Beispiel zur Messung von Körpertemperatur, Pulsfrequenz, Gehirnaktivität, Muskelbewegung und andere wichtige Daten, um den Gesundheitszustand eines Patienten nach einer Operation zu überwachen. Dies kann dann zuhause anstatt in einem Krankenhaus erfolgen.  Wearables können auch in intelligenten Sensorsystemen für ältere Menschen zum Einsatz kommen, zum Beispiel um Stürze zu erkennen oder als intelligente Notfall-/Paniktaste . Beim Sport und Training können Wearables wie Smartwatches, Tracking-Geräte und Smart-Glasses die Bewegungen und Aktivitäten verfolgen und analysieren, um daraus die Anzahl der Schritte und den Kalorienverbrauch zu ermitteln. Selbst Teams im Profisport nutzen die Geräte, um zu entscheiden, welcher Spieler fit für ein Spiel ist und welcher Spieler eine Pause benötigt.

Aufbau des Sensorsystems

Der grundlegende Aufbau eines Aktivitäts-Trackers lässt sich auf einen Sensor, einen Prozessor zur Sammlung der Rohdaten und ein Display oder einen Funk-Transceiver reduzieren, der die Daten an ein anderes Gerät sendet (Bild 2). Der in einem solchen System verwendete Sensor hängt von der jeweils gemessenen Größe ab. Tabelle 1 stellt gängige Sensoren für Aktivitäts-Tracker dar.

Eine Reihe weiterer Sensoren kann für die Aktivitätsüberwachung zum Einsatz kommen, vor allem in der Medizintechnik. Dazu zählen Sensoren zur Messung der Körpertemperatur oder der Pulsfrequenz, die einen Hinweis auf die körperliche Verfassung des Nutzers geben. Da sich die Technologie immer weiter entwickelt, werden Wearables auch immer komplexer. In immer größerem Umfang bieten diese Sensoren zusätzliche Freiheitsgrade (DoF, Degrees of Freedom) für die Anwendungsentwicklung.

Basisfragen zur Entwicklung von Wearables

Bild 2: Vereinfachter Aufbau eines Aktivitäts-Überwachungssystems. Dialog Semiconductor

Bei der Entwicklung von Wearables müssen die Entwickler drei entscheidende Parameter berücksichtigen: Als erstes müssen sie sich für die Art der Sensoren entscheiden und in welcher Kombination sie zum Einsatz kommen.  Durch die Kombination von Sensoren in Wearables ergeben sich nämlich zusätzliche Informationen. In einem Aktivitäts-Tracker, mit dem Anwender ihre Schrittzahl oder Schlafqualität überwachen können, sorgen ein 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und ein Funk-Transceiver für die Datenspeicherung auf einem PC/Tablet oder einem Smartphone. Genauere Bewegungs- und Positionsprofile lassen sich erstellen, wenn das Gerät zusätzlich integrierte Umgebungssensoren enthält. Für Wearables, die medizintechnische Informationen bereitstellen sollen, ist zusätzlich ein Pulsmesser und/oder ein Körpertemperatursensor erforderlich.

Als nächstes müssen die Entwickler darüber entscheiden, welches stromsparende Funkprotokoll zum Einsatz kommen soll. Unter den verschiedenen Funkprotokollen, die heute zur Verfügung stehen, ist Bluetooth Smart die stromsparendste Technologie , die in den meisten Wireless Personal Devices wie Tablets und Smartphones zu finden ist.

Die dritte und letzte Basisfrage ist die Frage nach der Baugröße des Geräts. Wearable-Sensorknoten müssen klein, leicht und kostengünstig sein, damit sie sich einfach in Wearables wie Uhren, Armbänder, Schmuck und ähnliche Produkte integrieren lassen.

Unter Berücksichtigung dieser Forderungen vereint das ideale Wearable für Aktivitäts-Tracking eine 9-Achsen-Sensorik und Umgebungssensoren – und zwar mit stromsparender Bluetooth-Smart-Funktechnik zusammen in einem äußersten kleinen Systemaufbau.

Von Sensoren zum Systemdesign

Tabelle 1: Gängige Sensoren in Systemen zur Aktivitätsüberwachung. Dialog Semiconductor

Ein Sensorsystem, das 12 DoF (9-Achsen-Tracking mit Temperatur-, Barometer- und Feuchtigkeits-Sensorik) kombiniert, wird äußerst genaue und detaillierte Daten für das Aktivitäts-Tracking bereitstellen. Daten, die eine genaue Positionierung bereitstellen, werden durch weitere Informationen der Umgebungssensoren zusätzlich verbessert. Die Herausforderung besteht darin, alle diese Sensoren in ein kleines System zu integrieren, das sich für ein Wearable-Gerät eignet. Dazu zählt die Platzierung des Magnetometers, um Störungen anderer Magnetfelder oder metallischer Oberflächen zu vermeiden; die Platzierung des Akkus und des Halters, um den Platz zu maximieren und die Größe zu minimieren; sowie die Platzierung der Antenne, um die Leistungsfähigkeit zu optimieren. Auch die Baugröße der Komponenten sowie eine hohe Integration haben Einfluss auf die Stückliste.

IoT-Sensor-Referenzdesign

Das IoT-Sensor-Referenzdesign von Dialog Semiconductor vereinfacht nutzerbezogenes Aktivitäts-Tracking. Es basiert auf dem Bluetooth-Smart-Controller DA14583 und Bosch-Sensoren, womit sich das stromsparendste und kleinste 12-DoF-Funksensormodul ergibt. Der hochintegrierte DA14583 enthält sämtliche Hardware und Software, die zur schnellen Entwicklung fortschrittlicher IoT-Geräte erforderlich ist.

Bei diesem Referenzdesign handelt es sich um eine komplette Entwicklungsplattform für Bewegungssensorik-Module, die in Wearables, Spielen, Augmented-Reality und 3D-Indoor-Mapping/Navigation zum Einsatz kommen. Es vereint Bluetooth-Funktechnik und einen Prozessor  des Typs ARM Cortex-M0 mit einem Beschleunigungsmesser, Gyroskop, Magnetometer und Umgebungssensoren. Der Baustein eignet sich auch gut für ressourcenbeschränkte Systeme, da er den Speicher-, Datenverarbeitungs- und Strombedarf verringert.

(av)