Juguetes conectados: aprovechar al máximo las interfaces inalámbricas para experiencias nuevas de juego

En la actualidad, es común ver teléfonos celulares o tabletas con Android o iOS que se utilizan para conectar y controlar un juguete y hay un auge de distintos juguetes que ahora incluyen una conexión inalámbrica con Bluetooth o Wi-Fi. En las estanterías de las tiendas, se puede encontrar una variedad de robots, drones voladores y muchos juegos que incluyen interfaces inalámbricas. Estos juguetes ahora pueden incorporar de manera rentable una interfaz inalámbrica, un sensor de varios ejes, una pantalla de área pequeña, control táctil y otras funciones gracias a la reducción significativa del costo de implementación de estos componentes.

Los costos de los componentes ha disminuido gracias a la producción de gran volumen de dichos dispositivos, ya que se utilizan para teléfonos celulares y tabletas que incorporan transceptores Wi-Fi y Bluetooth, así como sensores de movimiento, giroscopios, receptores de GPS y pantallas táctiles como parte de las especificaciones básicas. No solo ha disminuido el costo de las conexiones inalámbricas, sino también el costo de los sensores de varios ejes, microcontroladores y mucho otros componentes que también han sabido encontrar su lugar en la última generación de juguetes conectados. Además, como la mayoría de los juguetes se opera con baterías, el consumo bajo de energía también es un requisito clave para todos estos componentes y, por este motivo, se ha impulsado la adopción del estándar Bluetooth de baja energía (BLE) y su nuevo primo, Bluetooth Smart.

¿Qué es Bluetooth Smart? Básicamente es igual que Bluetooth LE, pero utiliza el perfil de atributo genérico (GATT), que se construyó basándose en el Protocolo de atributo (ATT). El perfil GATT establece operaciones comunes y un marco para los datos transportados y almacenados por el ATT. El GATT define un rol de Servidor y Cliente para el hardware Bluetooth LE. Los perfiles GATT y ATT son obligatorios para la implementación de LE ya que GATT se utiliza para descubrir servicios. El uso de GATT le permite al desarrollador de software simplificar el proceso de detección y conexión entre el teléfono o tableta y el juguete.

En la jerga de los documentos de desarrolladores de Bluetooth, el perfil GATT especifica la estructura en la que se intercambian los datos de perfil. Esta estructura define los elementos básicos, como servicios y características utilizadas en un perfil. El nivel superior de la jerarquía es un perfil. Un perfil se compone de un servicio o más necesarios para cumplir con un caso de uso. Un servicio se compone de características y referencias para otros servicios. Cada característica contiene un valor y puede incluir información opcional sobre el valor. El servicio y la característica y los componentes de la característica (es decir el valor y los descriptores) incluyen datos del perfil y todos se almacenan en los atributos del servidor.¹

Bluetooth de baja energía (BLE) está diseñado para reducir el consumo de energía al establecer conexiones muy rápidas (algunos ms) y transferir pequeñas cantidades de datos. Utilizando estas técnicas, el consumo de energía se reduce a un décimo del consumo de Bluetooth Classic. Los dispositivos de Bluetooth de baja energía se pueden colocar en modo desactivado y activarse para actividades de eventos. Además, el consumo máximo de energía es inferior a 15 mA y el consumo de energía promedio es de 1 µA. Por lo tanto, una pequeña pila tipo moneda, como la CR2032, puede alimentar un dispositivo durante un máximo de 10 años de funcionamiento.

Los diseñadores que buscan añadir Bluetooth de baja energía (BLE) monomodo o Bluetooth Smart a dispositivos pequeños, portátiles y con uso eficiente de la energía pueden tener en cuenta a los módulos de la serie BL600 de Laird Technologies. Al basarse en el chipset nRF51822 de Nordic Semiconductor, los módulos BL600 ofrecen un consumo de baja energía y un buen rango dentro de un espacio compacto de 19 x 12.5 mm. Los módulos incorporan hardware y firmware requeridos para admitir el desarrollo de aplicaciones BLE. Los módulos de la serie BL600 están totalmente calificados como productos finales de Bluetooth, permitiendo a los diseñadores integrar los módulos de dispositivos sin necesidad de mayor calificación de Bluetooth.

Del mismo modo, los módulos de Panasonic de las series PAN1326/1316 incluyen conectividad de Bluetooth de baja energía y Bluetooth estándar. Esta combinación de tecnología crea una solución de red inalámbrica de consumo ultra bajo y de bajo costo para las aplicaciones de corto alcance. La serie PAN1326/1316 de interfaz controlada por host (HCI) también incluye a CC2564 de Texas Instruments para obtener un formato de módulo fácil de usar. La tecnología de huella pequeña de Panasonic ofrece un módulo de solo 85.5 mm2, incluyendo antena. Estos módulos están diseñados para alojar placas de CI con paso de placa de 1.3 mm con tan solo dos capas para facilitar la implementación y la fabricación.

Panasonic también ofrece un módulo de desarrollo de modo triple para los tres estándares Bluetooth. Este módulo ETU se conecta directamente a los kits de desarrollo de Panasonic así como al MSP430 de Texas Instruments y a las placas de experimento de Stellaris con el beneficio agregado de conectores cabezales que simplifican el cableado del prototipo y las pruebas de campo.

Un juguete es solo un sistema de control integrado

La arquitectura básica de un juguete conectado es muy similar al de un sistema de control integrado. Por lo general es un procesador de control central con una memoria local y capacidades de administración de alimentación, varias entradas de señal que se conectan a varios ejes o interruptores, señales de salida adicionales que controlan un motor o más, una pantalla o una lámpara indicadora o algunas otras funciones y la interfaz inalámbrica a Wi-Fi u otras radios Bluetooth (Figura 1). Actualmente, el procesador de control generalmente es un microcontrolador altamente integrado que se basa en un núcleo del procesador ARM® Cortex™-M0 o M3/M4 y la función de radio generalmente es un chip o un módulo independiente que contiene los circuitos de transmisión/recepción y el amplificador de potencia.


Figura 1: Este diagrama simplificado del subsistema electrónico dentro de un juguete conectado como el Sphero de Ortobix simula un sistema de control integrado típico. Un microcontrolador ejecuta el programa mientras los pines de E/S del MCU se conectan y controlan los distintos sensores, motores, interruptores, pantallas y radios inalámbricas.

Uno de los juguetes conectados más interesantes que han aparecido en el mercado es el balón robótico Sphero desarrollado por Orbotix (Figura 2). Dentro de un balón de plástico traslúcido del tamaño de una bola de baseball, la empresa empaquetó un sistema completo que incluye un sistema de carga inalámbrica para las baterías internas, un microcontrolador basado en Cortex-M4 de STMicroelectronics, un segundo procesador ARM para ejecutar la pila Bluetooth, un controlador de motor de Texas Instrument para contolar el motor, un sensor de giroscopio de Bosch, ledes de colores para que los usuarios puedan cambiar el color de Sphero y una interfaz inalámbrica Bluetooth Classic de Amp’edRF. Una versión de segunda generación de Sphero reducirá el consumo de energía al reemplazar la interfaz Bluetooth Classic con una solución Bluetooth Smart. Una carga completa del balón Sphero ofrece más de una hora de juegos al máximo y se puede controlar a una distancia de hasta 100 pies.


Figura 2: El último balón robótico desarrollado por Orbotix, la Sphero2, emplea un enlace inalámbrico de Bluetooth LE a un teléfono inteligente o tableta con iOS o Android para el control (superior). La interfaz simple de usuario se puede descargar a un teléfono inteligente o tableta con Apple iOS o Android (inferior).

Los juguetes robóticos y drones voladores de empresas, como Wowwee y Parrot son buenos ejemplos de cómo la tecnología de teléfonos inteligentes o tabletas se han aplicado para ofrecer funcionalidades novedosas. Por ejemplo, el robot «Jumping Sumo» de dos ruedas de Parrot incluye una cámara integrada y puede reproducir video a través de una conexión Wi-Fi al teléfono inteligente o tableta (Figura 3, izquierda). La conexión Wi-Fi también se utiliza para controlar y los usuarios pueden hacer rodar o saltar al robot. Puede saltar hasta 2.5 pies de alto y siempre caerá sobre sus ruedas.

Drone aéreo de Parrot, AR.Drone2.0 es un dispositivo con 4 propulsores que incluye una cámara HD que puede captar un video de 720p con 30 marcos y codificar el video mediante el codificador H.264 (Figura 3, derecha). Si bien la interfaz Wi-Fi integrada permite que el video regrese al teléfono inteligente o a la tableta, el sistema también tendrá una ranura USB para una memoria flash que puede almacenar el video de forma local. La computadora integrada/sistema de control comienza con un microcontrolador basado en ARM de i Ghz y 32 bits y un chip DSP de video TMS320DM64x de Texas Instruments.


Figura 3: El juguete robótico saltarín, Jumping Sumo, que ofrece Parrot puede saltar hasta 2.5 pies en el aire e incluye una cámara integrada que puede reproducir videos en el teléfono inteligente o tableta a través de la interfaz de Wi-Fi (izquierdo). Un drone aéreo, AR.El cuadricóptero Drone2.0, también de Parrot, ofrece un control de precisión extrema y una estabilización automática para captar video HD mientras vuela. Varios sensores ofrecen estabilización, posicionamiento, orientación direccional y datos de velocidad de avance.

La interfaz Wi-Fi ofrece conectividad para un 802.11b/g/n y varios sensores, entre ellos un giroscopio de tres ejes, un acelerómetro y un magnetómetro que ayuda al posicionamiento del GPS, un sensor de presión y sensores de ultrasonido para las mediciones de altitud del suelo. Una segunda cámara de baja resolución (QVGA) capta los marcos a 60 marcos/s para ayudar a la velocidad de avance. Para que pueda elevarse el drone, utiliza cuatro motores sin escobillas que pueden funcionar a un máximo de 28,500 RPM y cada motor está controlado por una CPU de la familia Atmel 8- MIPS AVR. El drone se alimenta mediante una batería recargable de polímero de litio de 1000 mAH. Una aplicación de software gratuita se encuentra disponible en la tienda App Store, AR.Free Flight permite que un iPhone, iPod Touch o iPad controle el drone.

Los ingenieros que desarrollan la conectividad Wi-Fi para un proyecto de diseño deben observar el Skyworks SE2594L, un módulo front-end completo de RF y WLAN 802.11a/b/g/n que ofrece todas las funciones de los amplificadores de potencia, el filtrado, el detector de potencia, el interruptor T/R, diplexores y compatibles relacionados. Todos los puertos RF son fáciles de usar y admiten 50 Ω para simplificar el diseño de la placa CI y la interfaz al RFIC del transceptor. SE2594L también incluye un detector de potencia del transmisor para cada banda y cadena de transmisión con 20 dB de rango dinámico para cada cadena de transmisión. SE2594L ofrece una solución completa RF WLAN de 2.4 y 5 GHz desde la salida del transceptor a la antena en un factor de forma compacto.

En resumen, estamos ante la presencia de un ataque de juguetes inalámbricos en el mercado, todo desde helicópteros pequeños y drones multipropulsores a avatares robóticos que circulan por el piso de la oficina. Los distintos dispositivos aprovechan la tecnología inalámbrica para controlar los movimientos y en algunos casos, enviar y recibir videos. Este artículo repasó algunas de las tecnologías como Bluetooth, Wi-Fi e incluso subsistemas celulares utilizados por distintos proveedores de juguetes para ofrecer conectividad y control. Tal como lo demostraron los ejemplos anteriores, los conceptos de juguetes conectados no conoce fronteras y el límite solo es el límite de la creatividad del diseñador.

Para obtener más información sobre las piezas analizadas en este artículo, visite los enlaces proporcionados para acceder a las páginas de información de productos en el sitio web de Digi-Key.

Referencias

1. Información del desarrollador Bluetooth.