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Dispositivos de vestir e IoT: desarrollos recientes y soluciones de conectividad

Por Jon Gabay

Colaboración de Electronic Products

La noción de que todos y todo estarán disponibles como un nodo conectado a la nube y habilitado por Internet al que se podrá acceder como a un dispositivo comandado o de información de estado (o ambos) llama mucho la atención. Los futuristas imaginan un futuro en el que todo está conectado y los tuits, correos electrónicos, mensajes de texto y otras alertas le informarán lo que debe saber (y muchas cosas que, pues, bien podría vivir sin conocerlas).

Como resultado, si bien muchos dispositivos y equipos útiles estarán a disposición en tiempo real y "casi" real, muchos otros aparecerán como aplicaciones no tan útiles de la tecnología moderna, pero de todas formas atraerán a los más fácilmente impresionables. Sin embargo, es incorrecto descartarlas porque sabemos que incluso las aplicaciones tontas pueden convertirse en grandes éxitos ya que el público es voluble y sensible a la moda. El índice "caramba" sigue siendo una fuerza que impulsa.

Este artículo examina los tipos de dispositivos portátiles que serán una gran parte de la Internet de los objetos y los componentes y las tecnologías que la harán posible. Profundizaremos en los primeros productos pioneros, además de en la investigación en desarrollo para permitir la integración entre procesadores y radios. Todas las piezas, las hojas de datos, los tutoriales y los kits de desarrollo a los que se hace referencia pueden encontrarse en línea en el sitio web de Digi-Key.

Nos arremangamos la camisa (conectada) por usted

La vestimenta es una plataforma para la inteligencia y las comunicaciones integradas futuras. La vestimenta inteligente no se tratará solo de moda y genialidad, sino que también nos entretendrá, nos conectará con otros y contendrá sensores para monitoreo de la salud integrados en el ecosistema médico.

La vestimenta activa e interactiva no es nueva, sino que está al borde de un impulso de la próxima generación gracias a la conectividad en la nube y los adelantos en la ciencia de los materiales. Ya hay muchos artículos de vestimenta activa disponibles; sin embargo, generalmente requieren paquetes de baterías y controladores cableados. Incluso los sensores y las pantallas están "atornillados" en lugar de estar totalmente integrados.

Pensemos por ejemplo en la vestimenta de instrumento musical activo como la camisa de rock de guitarra eléctrica1 o la camisa de batería electrónica2 que se encuentran disponibles en la actualidad. Si bien son algo novedoso, introducen el concepto de sensores incorporados en nuestra vestimenta. En el extremo opuesto hay prendas disponibles que cuentan con pantallas activas. Por ejemplo, la camisa detectora de Wi-Fi novedosa3 cambia su pantalla "en la camisa" para reflejar la intensidad de la señal de Wi-Fi de donde usted se encuentre.

Las prendas novedosas modernas no están listas para la venta masiva por muchos motivos. En primer lugar, la electrónica, los sensores y las pantallas modulares no forman parte de la tela del material. Tienden a ser complementos de gran tamaño y costosos de las prendas. En segundo lugar, la electrónica, los sensores y las pantallas no se llevan bien con el lavado. En tercer lugar se encuentra la necesidad de energía o recolección de energía a bajo costo.

Todo esto pronto cambiará gracias a algunos adelantos, incluida la capacidad de imprimir dispositivos OLES flexibles en las telas. Varias tecnologías de chorro de tinta ya demostraron valer la pena y esto abrirá la puerta para vestimenta más activa con pantallas cambiantes e incluso de video.

Otro desarrollo que cambiará la vestimenta de un sistema pasivo a uno activo es la capacidad de tejer los sensores electrónico en las telas. Esta tecnología ya ha sido comprobada, incluso si los desarrolladores no están seguros sobre cómo aprovecharla. Por ejemplo, se están desarrollando pantalones con detección de movimiento4 en el Instituto Politécnico de Virginia. Utilizan cables y telas tejidos entre sí con sensores para detectar movimiento y pueden enviar señales de forma inalámbrica a la pantalla de una computadora.

Un elemento que aún no está listo (pero se acerca) son los fotovoltaicos basados en la tela que ofrecen la capacidad de recopilar incluso iluminación interior para proporcionar una fuente de energía confiable. Como con los primeros sensores y pantallas, las opciones modernas se fabrican en módulos (Figura 1).

Imagen de recolección de energía mediante la vestimenta

Figura 1: La recolección de energía mediante la vestimenta es un concepto innovador. Los primeros innovadores, como Tommy Hilfiger, están utilizando paneles solares desmontables en las camperas. Los fotovoltaicos tejidos no están muy lejanos, lo que significa que los portátiles del futuro tendrán un gran acceso a la energía para conectarse a la IoT.

Aplicaciones médicas

La electrónica médica y de salud/estado físico integrada es otra área de interés clave. Las aplicaciones simples, como las zapatillas para correr con podómetros integrados, pueden eliminar la necesidad de llevar un dispositivo por separado. Al estar coordinadas con una computadora portátil, el uso de aplicaciones de geolocalización le permite saber cuándo está cerca de sus amigos mientras trota o practica deportes. Por ejemplo, Nike tiene una funda en sus zapatillas para correr para un sensor que se puede comunicar de forma inalámbrica a su reproductor de música o smartphone. Coordina la música que escucha al correr y presenta estadísticas como calorías quemadas, distancia recorrida, velocidad promedio, duración y más (sus datos también se envían a Nike).

Otros ejemplos útiles son los relojes que miden la presión arterial y la tecnología de control de azúcar en sangre, que con la conectividad inalámbrica está llegando al punto en que la accesibilidad en línea y las distribuciones de alerta sean posibles. Un ejemplo es el Sensor y transmisor de frecuencias cardíacas Polar Wearlink, compatible con Nike y los iPod de Apple y ANT GPS (Figura 2).

Imagen de Sensor y transmisor de frecuencias cardíacas Polar Wearlink

Figura 2: Este sensor de frecuencia cardíaca también transmite a relojes deportivos, reproductores de música y sensores en zapatillas para correr. Una versión médica puede enviar alertas a los servicios de emergencia que pueden incluir datos de la ubicación del GPS si se detecta un evento cardíaco.

Hay investigación en curso sobre el control sin sangre y las muestras en tiempo real de los niveles de azúcar en sangre e insulina. Estos dispositivos se pueden comunicar localmente con bombas de infusión implantadas quirúrgicamente mediante enlaces inalámbricos para obtener una respuesta fisiológica en tiempo real. También se pueden proporcionar diagramas de datos al personal médico para controlar y diagnosticar las afecciones del paciente a partir de los datos obtenidos en tiempo real a través de Internet.

Ya hay disponibles registros de control cardíaco que recopilan datos cuando se produce un evento cardíaco que los médicos pueden revisar con posterioridad. Los marcapasos y desfibriladores implantado más capaces también permiten la programación y el control de la frecuencia cardíaca locales y pueden detectar afecciones que indican una restauración del corazón. Mientras que las capacidades de procesamiento local están en constante expansión, proporcionar datos en tiempo real al consultorio del médico podría ser un predictor valioso de que un evento está por ocurrir y servirá para alertar a un paciente del otro lado del mundo para que tome acciones preventivas.

La vestimenta de la Internet de los objetos forma parte de este sistema de relé de información al funcionar como un enlace de baja energía para los dispositivos que se visten y que pueden comunicarse con la nube de una manera energéticamente eficiente. En lugar de tener múltiples enlaces de alta energía continuamente activos y en lucha por el espacio aéreo, se puede enviar un flujo sincronizado de datos locales (generalmente en formato comprimido), lo que proporciona mayor confiabilidad y accesibilidad cuando resulte necesario.

Etiquetas RFID

Si bien hay una investigación en curso para establecer nuevos estándares para las redes de área personal (PAN) y las redes de área corporal (BAN), muchos estándares y tecnologías existentes son más que adecuadas tanto para los nodos de IoT que se visten como para los que están permanentemente colocados.

Mientras que carecen de programabilidad, las etiquetas del transpondedor RFID, especialmente de la clase Gen II, son una solución posible que se puede implementar en la vestimenta. La Generación I fue originalmente diseñada para la prevención de robos y aún se utiliza como un medio para reducir la pérdida de inventario y para realizar el seguimiento de activos a bajo costo. Gen II suma la capacidad de lectura/escritura a grandes distancias (de hasta 30 pies) y tiene una recolección de energía incorporada de gracia. Las etiquetas funcionan en un modo pasivo y recolectan energía del campo de RF host para alimentar la memoria no volátil e incluso los procesadores de baja energía.

Varios fabricantes de etiquetas y lectores de etiquetas ofrecen productos además de kits y códigos de desarrollo. Los lectores como el ams AS3992-BQFP-50 pueden admitir los dispositivos de Generación I de costo más bajo para el control de inventario (o disuasivos de robos), además de los dispositivos de Generación II más modernos de lectura/escritura no volátiles.

NXP también fabrica dispositivos de solo lectura de bajo costo, incluido el HTRC11001T/03EE,11, la Serie Hitag1 o miembros de su Serie MiFare como el MFRC50001T/0FE,112 y su sistema de desarrollo correspondiente, el OM5592/MF1S50,699.

Lo que atrae tanto de estas piezas son sus etiquetas de transpondedor de bajo costo, como el HTSH5601ETK,118 (Figura 3). Generalmente las piezas más numerosas de un diseño son económicas y los subsistemas completos son tan pequeños que pueden acoplarse dentro de la etiqueta de una prenda, incluso una mini antena.

Diagrama del sistema de transpondedor HTSH5601ETK,118 de semiconductores NXP.

Figura 3: Un sistema de transpondedor completo con memoria no volátil, lógica de control y transceptores de RF es lo suficientemente pequeño como para adaptarse dentro de la etiqueta de una prenda.

Opciones de comunicaciones

Las etiquetas de RFID que se pueden vestir permitirán que Internet esté al tanto de nosotros y de dónde estamos y qué estamos haciendo, y así desempeñar un papel en la IoT. Pueden activar la publicidad dirigida mientras nos movemos y almacenar información sobre los productos que utilizamos y compramos. Se pueden colocar hasta cincuenta lectores dentro de un área de un kilómetro cuadrado por lo que, en efecto, nuestras ubicaciones y actividades se convierten en parte de la IoT debido a quiénes son los host (nosotros) de la etiqueta. Sin embargo, el propósito real de la IoT es hacer que los procesadores activos en cosas funcionales se comuniquen con la nube de alguna forma. Es aquí donde entra en juego la agregación de tecnología RF.

Mientras que la mayoría de los puntos de agregación posiblemente utilizan 3G, 4G o incluso 5G (una vez que esté disponible) en la puerta de enlace del proveedor del servicio, las comunicaciones locales podrían incluir Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee o ANT como medio para las comunicaciones muy localizadas.

Bluetooth de baja energía apunta directamente a muchas de estas aplicaciones. Hay muchos transceptores de chip único y módulos disponibles que permiten un desarrollo rápido del diseño. Por ejemplo, el módulo Abracon ABBTM-NVC-MDCS71(50PCS) admite Bluetooth 4.0 que incluye audio de transmisión heredada, además de modos de baja energía y alta velocidad.

El módulo de modo único deTDK SESUB-PAN-T2541 para soporte de baja energía es controlable y accesible a través de un Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) o una Interfaz periférica serial (SPI). Incluso las soluciones de menor costo como el Panasonic ENW-89835C1KF ofrecen la funcionalidad de Bluetooth de baja energía solamente y pueden integrarse a un diseño por menos de 11 dólares, no mucho más que un CI. Otro beneficio es que estos módulos previamente certificados ahorran tiempo y dinero al intentar ingresar al mercado rápidamente.

Con los servicios de 3G o 4G que hacen que Wi-Fi sea un vínculo de comunicación más universalmente implementado, el potencial de conectar servicios ampliamente implementados a la nube aumenta significativamente.

Aquí, por ejemplo, vale la pena observar piezas como el módulo combinado de montaje en superficie de Wi-Fi y Bluetooth Texas Instruments WL1835MODGBMOCT . En este caso, Bluetooth puede desempeñarse como el agregador de baja energía para todos los dispositivos locales y que se visten, mientras que Wi-Fi funciona como el mecanismo de transporte desde y hacia la nube.

Los juegos de chip de celulares y los módulos pueden permitir la conectividad directa entre los proveedores del servicio inalámbrico y eliminar la necesidad de agregación de puntos de conexión por Wi-Fi. El problema con los chips de celulares es que el mercado es tal que los fabricantes de CI generalmente no trabajar con clientes de volumen bajo a medio. Esto hace que los módulos sean la forma de evaluar y desarrollar la tecnología.

Los módulos como el MT100EOCG-H5-SP de Multi-Tech Systems pueden usarse como un conector celular en su agregador y, si sus volúmenes de producción aumentan lo suficiente, pueden ser reemplazados por su propio diseño. Tenga en cuenta, no obstante, que las certificaciones para los dispositivos celulares pueden ser costosas y demandar mucho tiempo y el uso de los módulos podría evitar esto. En relación con esto, resulta de utilidad el Módulo de capacitación sobre productos “Descripción general de certificaciones de dispositivos celulares” en línea de Multi-Tech.

En resumen

Si bien la electrónica integrada en su mayoría es independiente, la capacidad de imprimir y tejer elementos de visualización, conductores y recolección de energía en las telas está en ascenso en la curva de aprendizaje. Imprimir determinadas funciones altamente integradas como chips de radio y microcontroladores en la vestimenta, no obstante, aún no es viable y permanecerán como elementos discretos por ahora.

Tanto PAN a celular como PAN a Wi-Fi son posibles, y con IPv6 que permite más direcciones únicas que nunca antes, incluso su zapatilla izquierda podría pronto tener su propia dirección IP única y presencia en la nube. Mientras que, sin dudas, emergerán aplicaciones tontas, también se pueden esperar muchos periféricos, sensores y diseños útiles de salud y médicos.

Aún queda determinar qué tecnologías y protocolos serán los dominantes en la IoT, pero mientras tanto, tal como demostró este artículo, los ingenieros tienen las herramientas, las piezas y los materiales de apoyo para diseñar portátiles que puedan vestirse con conectividad atornillada.

Para obtener más información acerca de las piezas tratadas en este artículo, use los enlaces proporcionados para acceder a las páginas del producto en el sitio web de Digi-Key.

Referencias

  1. Camisa de guitarra eléctrica de rock
  2. Camisa de batería electrónica
  3. Camisa detectora de Wi-Fi
  4. Pantalones inteligentes para generación de imágenes médica

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