Winzige Wearable-Designs mit hoher Energieeffizienz

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Dies gilt es bei der Wearable-Entwicklung zu beachten

Zu den großen Herausforderungen, mit denen sich die Hersteller von Wearables konfrontiert sehen, zählen das Format, der Leistungsbedarf und die Benutzerfreundlichkeit der Geräte. Im Segment der Wearable-Technologien gelten bei näherer Betrachtung völlig andere Designparameter als bei Handies. Typische Wearable-Produkte lassen sich üblicherweise grob in zwei Kategorien einteilen:

• Designs, die auf der Funktionalität leistungsstarker und doch Strom sparender MCUs basieren, und

• Designs, die eine ähnliche Prozessorfunktionalität wie in Handyapplikationen nutzen, also den in Smartphones eingesetzten Prozessoren ähnlich sind.

Die Tabelle zeigt, wie die Anforderungen der Applikation die Art der MCU oder des Applikationsprozessors und den zugrunde liegenden ARM Cortex-Kern bestimmen.

Rechenleistung und Leistungsbedarf der beiden Gerätekategorien unterscheiden sich grundlegend, wobei die auf einem Handy-Applikationsprozessor basierenden Konzepte im Vergleich mit Mikrocontroller-Designs einen höheren Leistungsdurchsatz bei geringerer Batterielaufzeit liefern.

Format

Wenn wir ein typisches Wearable und seine Anforderungen analysieren, so merken wir sofort, dass das erste Problem im Format liegt. Ein Wearable-Produkt muss klein und unauffällig sein. Die verfügbare Layoutfläche wird dadurch ebenso eingeschränkt wie die Funktionsdauer der Batterie und die Wärmeableitung. Ein typisches modernes Handy hat eine Batteriekapazität von etwa 3000 mAh, während eine Uhr mit 300 mAh auskommen muss. Da nur etwa 1/10 der Batteriekapazität eines Handys zur Verfügung steht, muss der Energiebedarf sehr sorgfältig analysiert werden, um eine möglichst lange Zeit zwischen den Aufladungen zu erreichen.

Aktuell sind die Kunden daran gewöhnt, dass sie ihr Smartphone jeden Tag aufladen, aber bei Wearables erwartet der Verbraucher, dass er diese nicht öfter als einmal pro Woche - oder im Idealfall nur einmal pro Monat - aufladen muss. In der Realität bedeuten die geringere Batteriekapazität und die längeren Ladeabstände, dass wir für eine Smartwatch im Vergleich mit einem Smartphone nur in etwa 1/50 der Energie zur Verfügung haben. Kleine Abmessungen lassen sich über Halbleiterintegration und modernste Gehäusetechnologien realisieren. Das Kinetis-Portfolio mit Rechenkernen aus der Cortex-M-Familie integriert Speicher, Peripheriefunktionen wie USB, Touchsensor- und Analogkomponenten und erlaubt so eine deutliche Reduktion der Gerätegröße. Kinetis-MCUs werden in einer Vielzahl von Gehäusen angeboten, unter anderem auch in WLCSPs (Wafer Level Chip Scale Packaging), um maximale Rechenleistung auf kleinstem Raum zu erreichen.

Stromaufnahme

Android-basierte Wearable-Produkte stellen Anforderungen an das Hardwaresystem, die den Einsatz eines Mikrocontrollers mit beschränkten Funktionen verbieten. Für solche Geräte benötigen die Entwickler Prozessoren, die unter anderem Speichervisualisierung, Grafikfunktionen und eine höhere CPU-Bandbreite unterstützen. Einen Cortex-A-basierten Prozessor wie einen i.MX Applikationsprozessor auf das extreme Energieprofil eines Wearable-Produkts abzustimmen, ist knifflig. Die optimale Balance zwischen Energieverbrauch und Rechenleistung erreicht man mit Taktfrequenzen, die deutlich unter denen eines herkömmlichen Handyprozessors liegen (z.B. 500 MHz vs. 1 GHz), und eine Optimierung der Rechenkernkonfiguration auf die Applikation (z.B. kleinere Cachespeicher und leckstromarme Prozessstrukturen).

Wenn wir das Einsatzszenario einer Smartwatch analysieren, so sehen wir, dass das Gerät mehr als 80% der Zeit im Sleep-Modus verbringt, einfach nur Sensoren überwacht, die Umgebungsdaten aufzeichnet und gelegentlich die Anzeige aktualisiert. Da die Benutzer eher auf den Bildschirm blicken, um sich auf den neuesten Stand zu bringen, anstatt mit dem Gerät wie mit einem Smartphone zu interagieren, fällt die Nutzerinteraktion mit einer Smartwatch eher spärlich aus.

Anwenderfreundlichkeit

Die Einsatzmöglichkeiten eines Wearable-Produkts hängen in hohem Maße davon ab, wie jemand mit dem Gerät interagieren kann, und die Anwenderfreundlichkeit hängt in hohem Maße von der Benutzeroberfläche ab. Um das Feeling für den Kunden zu optimieren, müssen beim Design unter andeTem folgende Aspekte untersucht werden: Gibt es eine Anzeige oder nicht, wie erfolgt die Kommunikation, wie sollen Lademöglichkeiten und Ladeintervalle gestaltet werden, welchen Stil soll das Gerät bekommen?

Einen kritischen Punkt für die Realisierung dieser Designaspekte stellt die Software dar. Welche Art von Betriebssystem soll auf dem Gerät laufen? Ein vollwertiges Betriebssystem wie Android oder Linux bietet mit komfortabler Grafik, besseren Kommunikationsfunktionen und einfacherer Erweiterbarkeit insgesamt mehr Komfort. Dieser Komfort aber wirkt sich auf das Format, die Spieldauer mit einer Batterieladung und die Kosten aus, da ja ein Applikationsprozessor oder Ähnliches implementiert werden muss. Echtzeit-Betriebssysteme lassen sich auf kleinerem Raum realisieren, indem man einen Mikrocontroller mit integriertem Speicher einsetzt. So werden kleinere Abmessungen, eine längere Funktionsdauer und geringere Kosten erreicht. Dafür allerdings müssen Kompromisse bei Grafikfunktionen, Leistungsdurchsatz und Optionen für die Unterstützung künftiger Funktionen in Kauf genommen werden. Ein Wearable-Entwickler muss sich daher viele Fragen stellen und viele Aspekte abwägen, bevor er sich für eine Architektur entscheidet.

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