La pratica dello sport e il regolare svolgimento dell’attività fisica sono elementi essenziali di uno stile vita sano, per le persone di ogni età ed estrazione. Non a caso, la promozione dello sport è tra gli obiettivi di molte importanti iniziative. È ampiamente riconosciuto che l’attività sportiva è uno strumento potente per migliorare la qualità della vita. L’industria dello sport, inoltre, rappresenta una parte significativa dell’economia globale. Per quanto riguarda gli Usa, le statistiche dicono che nel 2014 questo settore ha dato lavoro a oltre 1,5 milioni di persone, pari circa all’1% del totale degli occupati. A livello mondiale, il giro d’affari complessivo dell’industria dello sport nel 2014 è stato stimato in 700 miliardi di dollari, pari circa all’1% del Pil globale. Nei prossimi cinque-dieci anni, i dispositivi indossabili per lo sport e il fitness contribuiranno in modo significativo al fatturato dell’industria dello sport: secondo le previsioni, infatti, il fatturato generato da questi prodotti crescerà ad un tasso annuo composto del 103%, raggiungendo nel 2020 a livello mondiale un giro d’affari di 9,4 miliardi di dollari. I dispositivi indossabili offrono molti benefici agli atleti professionisti, agli sportivi dilettanti e a coloro che svolgono attività di fitness. Consentono infatti di migliorare la sicurezza nel corso delle gare, di prevenire gli infortuni in allenamento, di monitorare le condizioni fisiche e le prestazioni. Nel golf, ad esempio, oggi è molto diffuso l’impiego degli orologi da polso con Gps per migliorare l’esecuzione dello “swing” nel corso delle sessioni di prova. I dispositivi indossabili, inoltre, favoriscono la regolarità dell’attività fisica: chi li utilizza riferisce infatti che questi prodotti contribuiscono a stimolare l’esecuzione regolare degli esercizi. I dati di mercato evidenziano che quasi il 77% dei possessori di dispositivi indossabili per il fitness è costituito dalla “generazione mobile” di età compresa tra 18 e 54 anni. Questa fascia della popolazione ha adottato con convinzione gli indossabili per lo sport, facendone parte integrante della propria vita quotidiana. Oltre ai benefici per gli atleti e i cultori del fitness, la tecnologia possiede il potenziale per rendere più coinvolgente l’esperienza degli appassionati che seguono lo sport come spettatori. Utilizzando sensori wireless incorporati negli equipaggiamenti o nelle divise degli atleti, gli spettatori potranno infatti conoscere in tempo reale i dati che descrivono i movimenti del giocatore e le statistiche delle sue prestazioni, quali accelerazione e velocità massima. Con il contributo di elaborazioni analitiche e della grafica, questa tecnologia potrà cambiare drasticamente le dirette televisive dei grandi eventi sportivi. Considerando i benefici sociali, sanitari ed economici ottenibili dall’attività fisica e sportiva, il tema scelto per la sessione di Isocc dedicata alle tecnologie per lo sport appare indubbiamente molto attuale. Il successo dei dispositivi indossabili nello sport presuppone innovazioni nel campo dei System-on-Chip, per quanto riguarda l’elaborazione basata su microprocessore, la gestione dell’alimentazione, la fusione dei segnali di più sensori e la connettività dei dispositivi.
Lo scenario applicativo
Lo scenario applicativo degli indossabili per lo sport ed il fitness comprende dispositivi da polso, equipaggiamenti sportivi dotati di sensori incorporati, indumenti intelligenti che includono circuiti elettronici all’interno del tessuto o stampati su di esso. Gli indossabili da polso riscuotono il più alto livello di interesse da parte dei consumatori; esempi di questa categoria di dispositivi sono le ‘fitness band’ e gli orologi Gps per il golf - Negli Usa, la National Football League sta valutando l’adozione di equipaggiamenti - in particolare i paraspalle dei giocatori - dotati di sensori incorporati di tipo Rfid. Il sistema raccoglie in tempo reale dati sui movimenti del giocatore e statistiche sulle sue prestazioni. Questo è anche un esempio pratico di “edge analytics” applicata a Internet of Things, poiché l’elaborazione è svolta nei pressi della fonte dei dati anziché in un nodo centralizzato nel cloud. Gli indumenti intelligenti che impiegano la soluzione sviluppata da Sarvint Technologies dimostrano le possibilità utilizzabili nell’ingegneria tessile: Sarvint incorpora nella trama del tessuto delle fibre speciali che consentono di trasmettere i parametri vitali dell’utilizzatore ad un’unità centrale di elaborazione. In alternativa è possibile utilizzare ‘inchiostro elettronico’ per stampare un circuito sull’indumento, collegando così i sensori dislocati sul corpo ad un’unità di elaborazione centrale. Questi interessanti sviluppi applicativi riguardanti il rilevamento dei parametri fisiologici, il monitoraggio dei movimenti del corpo e l’uso della edge analytics sono resi possibili dai progressi tecnologici delle soluzioni SoC.
Tendenze tecnologiche nei SoC
• Opzioni per la partizione del sistema - Quasi tutti i dispositivi indossabili devono soddisfare requisiti progettuali comprendenti dimensioni miniaturizzate, bassissimo consumo, capacità di rilevamento di parametri fisiologici od ambientali, capacità di collegamento ad una rete. Gli elementi essenziali che compongono i dispositivi indossabili per lo sport ed il fitness sono l’unità centrale di elaborazione a microcontrollore, il circuito integrato per la gestione dell’alimentazione, i sensori e il front end analogico per il condizionamento dei segnali forniti dai sensori. I progettisti che affrontano la creazione di un dispositivo indossabile hanno a loro disposizione tre opzioni per la partizione del sistema: Mcu dotata di Afe integrato ad alte prestazioni; Mcu con Afe integrato di tipo semplice; Mcu affiancata a un Afe separato. Generalmente le opzioni 1 e 3 sono necessarie quando si lavora con sensori basati su elettrodi, che richiedono il condizionamento di segnali analogici. L’opzione 2 è utile nel caso di sensori con interfaccia digitale, che integrano nel chip la conversione del segnale. I progettisti dovranno scegliere l’opzione migliore sulla base dei requisiti del prodotto finale: formato e dimensioni, sorgente di alimentazione ed autonomia operativa, precisione ed accuratezza richieste.
• SoC per elaborazione - Secondo le previsioni, la prossima generazione delle soluzioni SoC per elaborazione (compute SoC), vedrà tre principali tendenze tecnologiche: l’adozione di stringenti misure di sicurezza per la Mcu, una maggiore capacità di memoria e una particolare attenzione ai metodi di accesso alla memoria che consentono di ridurre i consumi energetici. I dispositivi indossabili sono vulnerabili sul fronte della sicurezza e devono quindi essere protetti con misure efficaci che consentano di respingere gli attacchi volti a corrompere o sottrarre dati. La sicurezza è necessaria anche per proteggere la proprietà intellettuale custodita nel dispositivo indossabile, ad esempio algoritmi di elaborazione esclusivi. L’autenticazione sicura previene la clonazione dei dispositivi e offre protezione contro la contraffazione delle periferiche. Per contrastare tutti i possibili pericoli, i progettisti di SoC devono prendere in considerazione la costruzione di numerosi livelli di crittografia e di sicurezza fisica nell’architettura della Mcu. Un esempio di Mcu dotata di Trust Protection Unit integrata è il microcontrollore MAX32621. La convergenza tra i dispositivi indossabili per lo sport/fitness e la IoT assegna oggi un ruolo prioritario alla sicurezza nel processo di progettazione e selezione della Mcu. I dispositivi indossabili richiedono inoltre una crescente capacità di memoria, per l’effetto combinato di vari fattori: l’aumento del numero di sensori, la necessità di applicazioni software mobili e la diffusione della edge analytics. Nel 2020, un dispositivo indossabile tipico integrerà 4,1 sensori, quasi tre volte di più rispetto al 2013. Più sensori significa più dati e quindi più traffico sulla connessione che collega il dispositivo indossabile al punto di accesso della rete. Per ridurre la congestione del collegamento occorre minimizzare il volume dei dati trasmessi, un obiettivo che può essere ottenuto grazie alla edge analytics. Collocando l’elaborazione analitica più vicino al dispositivo, infatti, ci sarà meno traffico di dati sulla rete e quindi meno congestione. Ciò comporta però una maggiore attività di elaborazione dei segnali all’interno del dispositivo indossabile: gli algoritmi esclusivi utilizzati per elaborare i dati dei sensori e il software applicativo mobile dovranno risiedere nel dispositivo stesso, che dovrà quindi avere una maggiore capacità di memoria. A livello di sistema, più memoria significa anche maggior consumo di energia. L’accesso diretto alla memoria può essere ottimizzato dal punto di vista dei consumi energetici tramite un’apposita unità di gestione delle periferiche. La Pmu (Peripheral Management Unit) è una macchina a stati programmabile che esegue opcode e operandi residenti nello spazio di memoria principale della Mcu. Questo metodo consente di diminuire il carico di lavoro che grava sul core del processore principale, liberandolo dai servizi rivolti alla memoria e alle periferiche con l’effetto di ridurre il consumo totale.
• SoC per la gestione dell’alimentazione - Per ottenere bassissimi consumi operativi e quindi una lunga autonomia con le piccole batterie a bassa capacità utilizzate nei dispositivi indossabili, la gestione dell’alimentazione e delle batterie stesse deve essere progettata con estrema cura. Le soluzioni SoC per la gestione dell’alimentazione (cioè i Pmic) utilizzate in questi prodotti devono quindi integrare funzioni ottimizzate per le applicazioni indossabili. Il profilo di funzionamento dei dispositivi indossabili differisce in modo significativo da quello di dispositivi mobili come gli smartphone. Un tipico dispositivo indossabile trascorre la maggior parte del tempo in modalità stand-by a bassissimo consumo, e di tanto in tanto si risveglia assumendo una modalità attiva con un consumo molto maggiore. Si noti che il 25% della capacità della batteria è consumato in modalità standby. Con questo profilo di funzionamento, assumono un ruolo fondamentale la corrente di quiescenza del Pmic e la sua efficienza su un’ampia gamma di carichi. Inoltre l’algoritmo di indicazione di carica della batteria (fuel gauge) deve essere preciso e stabile per prolungare al massimo l’autonomia tra le ricariche. Una soluzione Pmic completa comprendente un algoritmo fuel gauge integrato, un sistema di ricarica della batteria e vari regolatori Dc-Dc ad alta efficienza può consentire di realizzare dispositivi indossabili che conciliano miniaturizzazione, lunga autonomia, alta affidabilità e basso costo di sistema. Un esempio di Pmic è il MAX14676, una soluzione miniaturizzata di gestione della ricarica per dispositivi elettronici indossabili quali fitness monitor e orologi Gps.
L’ecosistema
Il progresso nel campo delle tecnologie per lo sport richiede partnership strategiche e cooperazione tra tutti i soggetti che fanno parte dell’ecosistema di questo settore. L’ecosistema comprende gli sviluppatori di software per applicazioni mobili e gli sviluppatori di IP per i sensori. Il software per applicazioni mobili e gli algoritmi di elaborazione dei segnali dei sensori sono elementi fondamentali nell’ecosistema degli indossabili. Entrambi, in modi diversi, ricoprono un ruolo essenziale di collegamento tra il dominio analogico, il dominio digitale e l’interfaccia utente, arricchendo l’esperienza di atleti e appassionati di fitness. Del resto, lo scopo dei dispositivi indossabili nello sport e nel fitness è acquisire con precisione i dati fisiologici, elaborarli e analizzarli in modo affidabile e infine presentare i risultati in un modo che aiuti l’utilizzatore a compiere scelte migliori. I contratti di licenza con partner sviluppatori possono apportare un notevole valore aggiunto nel processo di sviluppo di un prodotto indossabile.- Fornendo competenze tecnologiche che esaltano le prestazioni del sistema od offrendo software applicativo che migliora l’esperienza dell’utilizzatore nell’uso mobile, gli sviluppatori partner giocano un ruolo importante nella realizzazione di prodotti di successo. Le competenze offerte possono riguardare, tra l’altro, i sensori ad alta precisione e le tecnologie di analisi dei dati. Esempi di aziende specializzate in questi settori sono Valencell, che sviluppa tecnologie per sensori biometrici ad alte prestazioni, e FirstBeat Technologies, che fornisce strumenti di analisi fisiologica per lo sport ed il fitness. Valencell impiega una tecnologia esclusiva basata sulla fotopletismografia, sfruttando sensori ottici in modalità riflettenza per misurare la saturazione dell’ossigeno nel sangue. I parametri così rilevati comprendono il ritmo cardiaco continuo e le calorie bruciate. FirstBeat ha sviluppato una tecnologia di analisi che modellizza la fisiologia dell’utilizzatore sulla base della misura del ritmo cardiaco. I risultati modellizzati forniscono informazioni all’utilizzatore sull’efficacia dell’allenamento, consigli per il successivo recupero e dati di fitness cardiovascolare basati sul massimo consumo di ossigeno. Le tecnologie di entrambe le società possono esse concesse in licenza a chi sviluppa prodotti finiti. L’innovazione tecnologica rivolta alla prossima generazione dei dispositivi indossabili per lo sport e il fitness richiede cooperazione tra tutti i membri dell’ecosistema. Associazioni professionali come Ieee e convegni come Isocc sono strumenti eccellenti per scambiare idee, ascoltare i concetti espressi dalle autorità riconosciute del settore, sviluppare relazioni commerciali e individuare potenziali partnership strategiche.
