Умные кольца — это новейшее направление в области носимых гаджетов, которые объединяют в себе удобство компактного устройства и мощный функционал, традиционно присущий смарт-часам или фитнес-браслетам. Создание такого миниатюрного электронного изделия требует особого подхода к аппаратной части, учитывая ограничения по размеру, форме и энергопотреблению. Важным этапом разработки является проектирование аппаратной платформы, которая способна не только вместить все необходимые электронику и датчики, но и обеспечить надежную работу и комфорт ношения. Ключевым элементом в конструкции умного кольца выступает печатная плата (PCB). Чтобы устройство оставалось тонким и могло комфортно сидеть на пальце, плата должна быть максимально тонкой и при этом достаточно прочной.
Оптимальным решением стали гибко-жесткие платы, сочетающие гибкие области с возможностью изгиба и жесткие части для монтажа чувствительных микросхем и компонентов. Такая структура позволяет сохранить форму кольца и защитить электронику от механических напряжений, возникающих при изгибе. Особое внимание уделяется толщине печатной платы. К примеру, в популярном умном кольце Oura Gen 4 толщина корпуса составляет всего около 2,9 мм, что стало своего рода ориентиром в индустрии. Толщина гибкой части платы при этом составляет около 0,22 мм, а совмещение с жесткой частью увеличивает ее до 0,48 мм.
Несмотря на крошечные габариты, компромиссы по высоте компонентов минимальны, поэтому для элементов используются малогабаритные микросхемы с низким профилем. Сердцем умного кольца является Bluetooth Low Energy (BLE) процессор, обеспечивающий связь с внешними устройствами. Выбор чипа должен учитывать не только энергоэффективность, но и возможности обработки данных, включая прошивку и обновления. В проекте Open Ring был избран микроконтроллер Dialog DA14531 благодаря своей высокой эффективности и доступности по стоимости, однако были рассмотрены и альтернативные варианты, например, Nordic nRF52805, славящийся большей памятью и расширенными возможностями. Для надежной работы радиомодуля важен качественный кварцевый резонатор с точной частотой и низким дрейфом, что способствует стабильной передаче сигнала и минимизирует возможные сбои.
Резонаторы с допуском порядка 10 ppm и старением менее 2 ppm в год идеальны для BLE-приложений, обеспечивая стабильную частоту 32 МГц в течение длительного времени. Антенна BLE — это еще один критический элемент, влияющий на качество связи и энергопотребление устройства. Многие современные решения включают микрополосковые антенны, интегрированные прямо в PCB, что позволяет достигнуть хорошей производительности в компактном формате. Однако такой подход требует точных инженерных расчетов и высокого уровня производства. В Open Ring был выбран компромисс — использовать готовый интегрированный антеннный компонент, упрощающий дизайн, хотя и увеличивающий высоту платы.
Питание умного кольца — одна из самых сложных задач. Из-за миниатюрных размеров устройства и ограничений по весу применяются небольшие изогнутые литий-ионные аккумуляторы, способные максимально эффективно вписываться в форму кольца. Для управления зарядкой и стабилизацией питания применяется специализированный контроллер Texas Instruments BQ25125, который обеспечивает высокоэффективное преобразование, защиту от переполнения и температурный контроль, а также режим «отгрузки» для защиты аккумулятора в периоды длительного хранения устройства без использования. Для удобства пользователей часто реализуют беспроводную зарядку. Традиционные контактные зарядные устройства требуют точного совмещения металлических контактов и обладают риском повреждения от влаги и износа.
В отличие от них, индуктивная зарядка с первичной и вторичной катушками, работающими на частоте 6,78 МГц, позволяет заряжать устройство без физического контакта, что значительно повышает надежность и удобство. Реализация беспроводной зарядки в таком компактном устройстве требует тщательного согласования импеданса между катушками передатчика и приемника. Кроме того, необходимо предусмотреть вариативность установки кольца на зарядное устройство — поскольку оно может стоять не идеально ровно, дизайн должен учитывать механические допуски и гарантировать стабильное заряжание. Важным аспектом надежности и пользовательского комфорта является проектирование разных размеров кольца. Стандартной практикой считается выпуск нескольких типоразмеров, например, маленький, средний и большой, чтобы охватить максимальное число пользователей.
При этом для более крупных моделей возможно использование емких аккумуляторов, что делает время автономной работы дольше. Интерактивность кольца обеспечивается с помощью сенсорной системы на базе технологии емкостного датчика. С помощью сенсоров регистрируются прикосновения и жесты, позволяющие управлять приложениями телефона или развлекательной системой без прямого взаимодействия с экраном. Для реализации такого функционала используются микроконтроллеры с поддержкой QTouch или аналогичных технологий взаимной емкостной связи, которые превосходят по точности и устойчивости классическую самоемкостную систему. В Open Ring был интегрирован микроконтроллер Atmel ATSAML10E16A, отвечающий за обработку сенсорных данных и работу с виброоткликом, что повысило точность и надежность интерфейса.
Однако это означало наличие двух микроконтроллеров в одном устройстве, что усложнило проектирование прошивки и процесс обновления, требующий синхронизации обоих контроллеров. Гаптика — важный элемент обратной связи пользователя. В умном кольце это чаще всего реализуется с помощью вибрационного моторчика с эксцентриков массой. Он обеспечивает тактильные сигналы в ответ на управленческие действия пользователя. Альтернативой могли бы стать пьезоэлектрические актуаторы, но их требования по высокому напряжению и дополнительной электронике значительно усложнили бы дизайн и увеличили размеры устройства.
С другой стороны, вибрационные моторы требуют высокого пускового тока, который миниатюрный аккумулятор не всегда в состоянии обеспечить. Решением стало использование больших конденсаторов, способных кратковременно отдавать необходимую энергию для запуска мотора. Этот подход, несмотря на увеличение стоимости компонентов, обеспечил надежность и достаточную длительность виброотклика. Разработка умного кольца это уникальный вызов для инженеров, поскольку приходится балансировать между миниатюрностью, функциональностью, энергоэффективностью и удобством использования. Производство такого устройства требует оптимальных решений в конструкции печатных плат, выборе энергоэффективных компонентов, обеспечении качественной беспроводной связи и организации индуктивной зарядки.
Проект Open Ring демонстрирует, как можно добиться высоких результатов, используя доступны технологии и тщательно продуманные инженерные решения. Использование гибко-жестких плат, эффективных BLE микроконтроллеров, современного управления питанием и емкостных сенсоров, вкупе с инновационной беспроводной зарядкой и качественным гаптическим откликом, позволяет создать компактное, удобное и функциональное устройство, способное конкурировать на рынке носимых гаджетов. Постоянное совершенствование технологий и оптимизация аппаратной части открывает новые перспективы для развития умных колец, которые в ближайшем будущем могут стать повседневным аксессуаром, не уступающим по функциональности традиционным носимым гаджетам, но превосходящим их по удобству и эстетике.
