Микрокомпьютеры для интернета вещей: от умного дома к поумневшему окружению

Мысль подключить к интернету всё на свете витает в воздухе давно. Уже много лет обсуждаются проекты умных домов, общего информационного пространства и другие варианты объединения разрозненных электронных компонентов в единую систему. С внедрением RFID и NFC простая возможность оставлять свой цифровой след появилась не только у электронных устройств, но и практически у любых других предметов. В 2008 году количество подключённых к интернету устройств превысило число людей на планете. Дальнейшее развитие идеи привело к формированию концепции «интернета вещей», благодаря которой любые материальные тела (от таблеток до одежды) смогут наладить между собой активное беспроводное взаимодействие. Помочь исследователям воплотить мечты в реальность берётся пионер полупроводниковой индустрии – компания Freescale Semiconductor.

Современная концепция интернета вещей отличается от ранних попыток интегрировать в цифровой мир физические предметы своей глобальностью и уровнем готовности. Сейчас она выглядит вполне реалистично, поскольку необходимый технический базис уже создан. Конкретные планы по развитию этого направления хорошо представлены в ролике компании Symplio.

После перехода на IPv6 собственный сетевой адрес можно присвоить хоть каждому атому – была бы в этом необходимость. Беспроводные сети есть практически везде, а Wi-Fi модули настолько малы, что их размещают даже прямо в картах памяти. Конечно, помимо приёмопередатчика остаётся много других компонентов, требующих миниатюризации. Фактически необходимо создать универсальную микросхему, которая бы собирала данные от всевозможных сенсоров, передавала их по мере необходимости и могла бы генерировать управляющие сигналы.

Иными словами, концепция гораздо ближе к технологии «умной пыли», разрабатываемой при участии DARPA, чем к принципам «умного дома». Агентство перспективных оборонных исследований США упомянуто не случайно. Компания Freescale давно производит специфические высокоинтегрированные решения для военного применения. Такой подход позволяет повысить надёжность узлов, обеспечить резервирование ключевых компонентов и снизить их энергопотребление.

Один во всех и все в одном

Недавно компания Freescale представила самый миниатюрный из серийно выпускаемых чипов «всё в одном». При размере 2,0 х 2,0 x 0.4 мм микросхема Kinetis KL02 занимает на 25% меньше места на печатной плате и имеет на 60% больше выводов, чем ближайшие аналоги.

Чип состоит из 32-разрядного процессора ARM Cortex серии M0+, работающего на частоте 48 МГц, ячеек флэш-памяти общим объёмом 32 КБ и 4 КБ ОЗУ. Постоянная и оперативная память имеют защиту для предотвращения несанкционированного доступа. Также в микросхему интегрированы два двухканальных 16-разрядных таймера, часы реального времени, термодатчик, 12-разрядный АЦП и компаратор с 6-разрядным ЦАП. Из интегрированных беспроводных интерфейсов возможны Zigbee, или версии Bluetooth и Wi-Fi с малым энергопотреблением.

Диапазон рабочих температур микросхемы составляет от -40°С до +85°С (кратковременно – до 105°С). Допустимая температура и оптимальное потребление энергии поддерживается гибкой схемой адаптивного переключения режимов. Фактически это означает, что в реальных условиях чип не потребует охлаждения.

Корпусирование этих интегральных схем производится методом CSP (Chip scale package), предложенного более десяти лет назад разработчиками из Fujitsu, Hitachi и Mitsubishi. Расположение всех компонентов в одном корпусе резко сокращает габариты и потери энергии, но приводит и к некоторым негативным эффектам. Главный из них – снижение электромагнитной совместимости из-за возрастания уровня помех.

Для снижения наводок в таком микроскопическом объёме применяются уже известные решения. Например, для экранирования электрического поля Freescale размещает вокруг флэш-памяти миниатюрные аналоги клеток Фарадея.

Использовать микросхемы серии Kinetis можно десятками способов – от учёта товара до медицинского применения. Последний вариант близок к идеям трансгуманизма, выраженным в наиболее реалистичной форме.

Зачем имплантатам интернет?

Большинство лекарственных средств назначаются курсом, а некоторые из них – пожизненно. Периодические действия трудно контролировать по памяти, поэтому про очередной приём лекарства порой забывают. Нередки и случаи самостоятельной отмены на фоне временного улучшения.

Исправить ситуацию поможет альтернативный способ введения препаратов, независящий от действий больного. Курсовая доза разбивается на сотни и тысячи микрокапсул, которые вшиваются под кожу вместе с управляющей схемой.

Такой вариант пролонгированного воздействия был придуман давно, однако только с появлением новых микросхем он стал максимально близок к этапу практической реализации. Теперь чип может не только отдавать команды на высвобождение очередной дозы по таймеру, но и выполнять ряд других важных функций. Например, передавать информацию об оставшемся количестве лекарства по беспроводному каналу, выполнять мониторинг температуры, частоты сердечных сокращений или даже концентрации выбранного вещества в крови и других биологических жидкостях.

Разумеется, варианты способа применения не ограничиваются вшиванием, а помимо лечения заболеваний умные имплантаты можно использовать гораздо шире: повышать адаптационные возможности организма, предупреждать об опасных изменениях состояния и внешних факторах, выполнять раннюю диагностику и улучшать качество жизни другими способами.

Остаётся решить ряд специфических задач, главной из которых считается питание микросхемы. Помещать источник энергии в тело пациента – не слишком заманчивая перспектива (вспомните, к примеру, кардиостимуляторы). Другое дело – обеспечить непосредственную выработку энергии за счёт постоянных физических процессов. Это может быть растяжение/сжатие, механические колебания или разность температур.

Для повышения безопасности также требуется найти способ физически ограничить количество одновременно высвобождаемой дозы препарата, чтобы не вызывать интоксикацию в случае сбоя или злонамеренного вмешательства в схему лечения.

Подключение к интернету всех мало-мальски ценных вещей способно изменить наши привычки и представления о комфорте. Например, потерявшийся предмет можно будет отыскать с той же лёгкостью, как файл на компьютере. Другой аспект – расширенные возможности управления и взаимодействия между элементами окружения.

Раньше оно рассматривалось в пределах «умного дома» с компьютером в качестве центра управления. С появлением новых микросхем и альтернативных источников энергии взаимодействие между любыми вещами можно наладить где угодно – хоть в дикой природе. Центр управления закономерно перемещается в смартфон или носимый компьютер.