I dispositivi indossabili sono diventati una categoria tecnologica in forte crescita negli ultimi anni grazie al loro modo di rivoluzionare la nostra vita quotidiana, dalla gestione della salute al monitoraggio delle attività fisiche. Questi dispositivi sono caratterizzati da una complessa integrazione di componenti elettronici avanzati, ognuno dei quali svolge un ruolo chiave nel rendere possibile l'esperienza utente e fornire tutte le funzionalità. In questo articolo, esploreremo nel dettaglio i cinque elementi chiave dei dispositivi indossabili, tra cui sensori, interfacce grafiche, gestione della batteria, algoritmi e connettività.
L'innovazione tecnologica ha trasformato il panorama dei dispositivi indossabili, rendendoli non solo dispositivi di moda, ma strumenti di monitoraggio della salute e del benessere sempre più sofisticati. In questo articolo, sono stati categorizzati i cinque elementi fondamentali nella progettazione di un dispositivo indossabile. Tra le varie funzionalità offerte da questi dispositivi, gli algoritmi di analisi dei dati giocano un ruolo fondamentale nell'acquisizione, nell'interpretazione e nell'elaborazione delle informazioni relative alla salute, all’attività e allo stato degli utilizzatori di questi dispositivi.
Sensori e Trasduttori
Primi tra tutti gli elementi troviamo i sensori perché questi sono il cuore pulsante di qualsiasi dispositivo elettronico embedded, soprattutto se consideriamo i dispositivi diagnostici indossabili. Infatti, i dispositivi indossabili nascono principalmente per la raccolta di dati biometrici, movimenti del corpo o dall'ambiente circostante. Ogni sensore ha una funzione specifica e contribuisce alla precisione delle informazioni raccolte. Ecco una panoramica dei sensori più comuni utilizzati nei dispositivi indossabili.
- Accelerometro: questo componente misura l'accelerazione lineare in tre dimensioni ed è fondamentale per il monitoraggio dell'attività fisica. Gli accelerometri, come il modello MEMS ADXL345 della Analog Devices, utilizzano microscopi per rilevare le variazioni di posizione e accelerazione.
- Giroscopio: il giroscopio misura la velocità angolare del dispositivo e aiuta a determinare la sua orientazione nello spazio. I giroscopi a basso consumo energetico, come il componente STMicroelectronics L3GD20H, sono spesso utilizzati per il rilevamento del movimento non solo nei dispositivi indossabili ma anche in altre innumerevoli applicazioni come tablet e smartphone o negli autoveicoli.
- Sensore di frequenza cardiaca: questo sensore è cruciale per il monitoraggio della salute. Ad esempio, il sensore ottico di frequenza cardiaca MAX30102 prodotto dalla Maxim Integrated utilizza LED infrarossi e fotodiodi per misurare la frequenza cardiaca attraverso il flusso sanguigno. Oltre alla frequenza cardiaca, questo componente consente l’acquisizione anche dell’ossigenazione.
- L'utilizzo dei sensori GPS consente di determinare la posizione esatta dell'utente e calcolare la distanza percorsa. Chip GPS come il NEO-6M (o le versioni successive della uBlox) sono ampiamente utilizzati nei dispositivi indossabili per il monitoraggio delle attività all'aperto.
- Sensore di temperatura: questo sensore misura la temperatura corporea o ambientale. Esistono innumerevoli componenti capaci di fornire accurate misure di temperatura.
- Sensore di luce ambientale: questo sensore regola automaticamente la luminosità dello schermo in base alle condizioni di illuminazione circostanti. Il sensore di luce ambientale Adafruits TSL2561 è noto per la sua precisione nella misurazione dell'intensità luminosa.
Tutte queste tipologie di sensore risultano tra quelle più utilizzate per la realizzazione di dispositivi wearable per il fitness e dei maggiori algoritmi. Esistono poi innumerevoli sensori specifici o in fase di ricerca per applicazioni nel settore elettromedicale, al centro dell’attenzione per le ricerche scientifiche ed universitarie.
Interfacce Grafiche
Per la maggior parte dei dispositivi indossabili come gli smartwatch ed i fitness tracker, l’interfaccia grafica (GUI) è un aspetto fondamentale per l’interazione tra l’utente e il dispositivo. Anche le interfacce sono al centro di un continuo processo di ricerca affinché queste possano essere chiare, intuitive ed efficienti, considerando comunque lo spazio limitato a disposizione. Questo si traduce nella ricerca non solo dell’ottimizzazione delle informazioni trasmesse ma anche nell’individuazione di soluzioni tecnologiche specifiche per garantire la corretta visualizzazione delle informazioni, con un occhio particolare sempre ai consumi. Ad esempio, alcune delle tecnologie coinvolte nelle interfacce grafiche sono:
- Schermo OLED/AMOLED: molte soluzioni di dispositivi indossabili utilizzano schermi OLED o AMOLED (Figura 1) per una visualizzazione chiara e a basso consumo energetico. Ad esempio, lo schermo AMOLED SSD1306 è noto per la sua nitidezza.
- Touchscreen: in alcuni dispositivi, come gli smartwatch, i touchscreen capacitivi sono integrati per consentire l'interazione diretta con l'utente.
- Pulsanti fisici: alcuni dispositivi indossabili includono pulsanti fisici, spesso realizzati con microswitch come il famoso modello B3F-1000.
- Indicatori luminosi e LED: i LED possono essere utilizzati per segnalare notifiche o lo stato del dispositivo. Il LED RGB WS2812B è ampiamente utilizzato per la sua versatilità.
Figura 1: Schermo di un fitness tracker
Gestione della Batteria
La gestione della batteria è una sfida cruciale nei dispositivi indossabili, dato che devono rimanere leggeri e compatti senza sacrificare l'autonomia. Alcune componenti chiave coinvolte nella gestione della batteria includono:
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- Batterie a polimeri di litio: queste batterie ad alta densità energetica, come le celle Li-Po, sono comunemente utilizzate nei dispositivi indossabili per garantire un'elevata autonomia.
- Regolatori di tensione: componenti come il regolatore di tensione aiutano a mantenere una tensione stabile per l'alimentazione dei sensori e dei componenti elettronici.
- Carica veloce: alcuni dispositivi supportano la tecnologia di carica veloce per ridurre i tempi di ricarica e l'eventuale inattività del dispositivo anche se in linea generale le batterie presenti sui dispositivi indossabili hanno capacità molto più ridotte rispetto a quelle di smartphone e tablet.
- Ricarica wireless: risulta essere il modo più veloce e semplice di consentire la ricarica dei dispositivi. Infatti, adottare la ricarica senza fili consente di eliminare connettori e cavi di collegamento che possono presentare problemi di certificazione quando si vogliono realizzare dispositivi anche resistenti all’acqua (ad esempio IP67) per attività sportive acquatiche come il nuoto. Tuttavia, le soluzioni di ricarica wireless devono essere ottimizzate anche in funzione delle dimensioni del dispositivo.
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