接続された玩具：新しいプレイ経験向けのワイヤレスインターフェースの活用

今日、玩具にリンクし、玩具を制御するのにAndroidまたはiOS携帯電話またはタブレットが使用されるのを目にするのは珍しくありません。そして、BluetoothまたはWi-Fiを採用しているワイヤレス接続を現在含む各種玩具は、急増しています。 店頭には、さまざまなロボット、飛行ドローン、そして多くのゲームが見られ、これらはすべてワイヤレスインターフェースを組み込んでいます。 これらの玩具は現在、これらのコンポーネントの実装コストが大幅に低減しているため、ワイヤレスインターフェース、多軸センサ、小面積ディスプレイ、タッチ制御、およびさらにその他の機能をコスト効率よく組み込むことができます。

コンポーネントのコストは、ベースレベルの仕様の一部として、Wi-FiとBluetoothの両方のトランシーバや、モーションセンサ、ジャイロスコープ、GPSレシーバ、およびタッチスクリーンを組み込む携帯電話やタブレットでの使用向けにこのようなデバイスが量産された結果、低減しました。 ワイヤレス接続のコストが低減しただけでなく、最新世代の接続された玩具に使用されている多軸センサ、マイクロコントローラ、および多くのその他のコンポーネントのコストも低減しました。 加えて、ほとんどの玩具は電池駆動である傾向があるため、低消費電力はまた、これらのすべてのコンポーネントの主要要件となり、それが、Bluetooth Low Energy（BLE）規格や新たな同類のBluetooth Smart規格の採用を促進しています。

そこで、Bluetooth Smartとは何でしょうか。 基本的に、Bluetooth LEと同じですが、Attribute Protocol（ATT）の上に構築されるGeneric Attribute Profile（GATT）を使用します。 GATTプロファイルは、ATTによって伝送され、保存されるデータ向けに共通の動作およびフレームワークを確立します。 GATTは、Bluetooth LEハードウェアのためにサーバとクライアントの両方の役割を定義します。 GATTはサービスのディスカバリのために使用されるため、GATTおよびATTプロファイルはLEで実装される必要があります。 GATTの使用により、ソフトウェア開発者は、電話またはタブレットと玩具間のディスカバリおよびリンクプロセスを容易に簡素化することができます。

Bluetooth開発者のドキュメントにある専門用語では、GATTプロファイルは、プロファイルデータが交換される構造を指定します。 この構造は、プロファイルで使用されるサービスや特性などの基本要素を定義します。 この階層のトップレベルがプロファイルです。 プロファイルは、ユースケースを実行するのに必要な1つ以上のサービスから構成されます。 サービスは、その他のサービスへの特性またはリファレンスから構成されます。 各特性には値が含まれ、その値に関するオプションの情報が含まれる可能性があります。 サービスと特性、およびその特性のコンポーネント（すなわち値および記述子）は、プロファイルデータを含み、これらはすべてサーバの属性で保存されます。¹

Bluetooth Low Energy規格は、非常に高速の接続（数ms）を確立し、少量のデータを転送することで、消費電力を低減するように設計されています。 これらの技法を使用すると、エネルギー消費は、クラシックBluetoothの10分の1に低減されます。 BLEデバイスは、スリープモードに入り、イベントアクティビティのためにアクティブ化することができます。 さらに、最大消費電力は15mA未満で、平均の消費電力は1µAです。 したがって、CR2032などの小型のコイン電池は、最大10年の動作期間にデバイスを給電することができます。

小型でポータブルな電力消費に敏感なデバイスに、シングルモードBLEまたはBluetooth Smartを追加することを求める設計者は、Laird TechnologiesのBL600シリーズ モジュールを検討するかもしれません。 Nordic SemiconductorのnRF51822チップセットをベースとするBL600モジュールは、19 x 12.5mmの小型フットプリント内で低消費電力と良好な範囲を提供します。 これらのモジュールは、BLEアプリケーションの開発をサポートするのに必要なすべてのハードウェアおよびファームウェアを組み込んでいます。 BL600モジュールはまた、Bluetooth最終製品として完全に認定されているため、設計者は、さらなるBluetooth認定を取得する必要なく、デバイスにモジュールを統合することができます。

同様に、PanasonicのPAN1326/1316シリーズ RFモジュールは、Bluetooth Low Energyと標準Bluetoothの両方のコネクティビティを特長としています。 この技術の組み合わせにより、短距離アプリケーション向けの低コストの超低電力ワイヤレスネットワーキングソリューションが実現します。 PAN1326/1316ホスト制御インターフェース（HCI）はまた、使いやすいモジュール形式にTexas InstrumentsのCC2564をもたらします。 Panasonicの小型フットプリント技術は、アンテナを含めてわずか85.5mm²のモジュールを提供します。 これらのモジュールは、容易な実装および製造のためにわずか2つのレイヤを備えた1.3mmのパッドピッチのPCBに適合するように設計されています。

Panasonicはまた、3つのBluetooth規格向けのトリプルモード開発モジュールを提供します。 このモジュールは、Panasonicの開発キット、Texas InstrumentsのMSP430およびStellaris実験者ボードに直接接続し、試作配線およびフィールド試験を簡素化するヘッダコネクタの付加的利点を提供します。

玩具は、まさに組み込み制御システム

接続された玩具の基本的なアーキテクチャは、組み込み制御システムの基本的なアーキテクチャと非常に類似しています。多くの場合、ローカルメモリおよび電源管理能力、多軸センサまたはスイッチに接続する各種信号入力、1つ以上のモータ、ディスプレイまたはインジケータランプを制御する付加的な出力信号、またはいくつかのその他機能、Wi-Fiおよび/またはBluetooth無線へのワイヤレスインターフェースを備えた中央制御プロセッサがあります（図1）。 今日、制御プロセッサは多くの場合、ARM® Cortex™-M0またはM3/M4プロセッサコアをベースとする高度に統合されたマイクロコントローラで、無線機能は一般的に、送信/受信回路およびパワーアンプを含む別々のチップまたはモジュールです。


図1：この簡略化した図は、Orbotixが提供するSpheroなどの接続された玩具内の電子サブシステムを表し、一般的な組み込み制御システムと類似しています。 MCUのI/Oピンがさまざまなセンサ、モータ、スイッチ、ディスプレイ、およびワイヤレス無線を接続し、制御している間、マイクロコントローラはプログラムを実行します。

市場に登場した、より興味深い接続済み玩具の1つとして、Orbotixが開発したSpheroロボティックボールがあります（図2）。 同社は、野球のボールサイズほどの半透明のプラスチックボール内に、内部電池向けのワイヤレス充電システム、STMicroelectronicsの Cortex-M4ベースのマイクロコントローラ 、Bluetoothスタックを実行するための第2のARMプロセッサ、モータ制御のためのTexas Instrumentsのモータドライバ、Boschのジャイロスコープセンサ、ユーザーがSpheroの色を変更できる色付きLED、そしてAmp’edRFのBluetoothクラシックワイヤレスインターフェースを含む完全なシステムを組み込みました。 Spheroの第2世代のバージョンは、BluetoothクラシックインターフェースをBluetooth Smartソリューションで置き換えることで、消費電力を低減します。 完全に充電された状態で、Spheroボールは、1時間を超えるフルスロットルのゲームプレイを提供し、最大約100フィートの距離で制御することができます。


図2：Orbotixが開発した最新のロボティックボールであるSphero2は、制御用のiOSまたはAndroidスマートフォンまたはタブレットへのBluetooth LEワイヤレスリンクを採用しています（上の図）。 このシンプルなユーザーインターフェースを、Apple iOSまたはAndroidスマートフォンまたはタブレットにダウンロードすることができます（下の図）。

WowweeおよびParrotなどの企業が提供するロボット玩具や飛行ドローンは、新しい機能を提供するためにスマートフォンまたはタブレット技術がいかに適用されてきたかを示す好例です。 たとえば、Parrotの「Jumping Sumo」2輪ロボット玩具は、組み込みカメラを搭載し、Wi-Fi接続でビデオをスマートフォンまたはタブレットにストリーミングすることができます（図3、左）。 Wi-Fi接続はまた、制御用に使用され、ユーザーは、このロボットを回転させたり、ジャンプさせたりすることができます。このロボットは、2.5フィートを超える高さまでジャンプすることができ、それでも常にその車輪で着地します。

Parrotの飛行ドローンであるAR.Drone2.0は、4つのプロペラを持つデバイスで、30フレーム/sで720pのビデオをキャプチャし、H.264エンコーダを使用してビデオをエンコードできるHDカメラを搭載しています（図3、右）。 統合型Wi-Fiインターフェースは、スマートフォンまたはタブレットへのビデオのストリーミングを実現しますが、このシステムはまた、ビデオをローカルに保存できるフラッシュメモリスティック用のUSBスロットを有しています。 オンボードコンピュータ/制御システムは、1GHz 32ビットARMベースのマイクロコントローラおよびTexas InstrumentsのTMS320DM64xビデオDSPチップで開始されます。


図3：ジャンプするロボット玩具のJumping Sumoは、Parrotにより提供され、空中で最大2.5フィートまでジャンプすることができ、Wi-Fiインターフェースでスマートフォンまたはタブレットにビデオをストリーミングできる組み込みカメラを搭載しています（左）。 飛行ドローンであるAR.Drone2.0クアッドコプターはまた、Parrotから提供され、飛行中にHDビデオをキャプチャするために、非常に高精度な制御および自動安定化を提供します。 複数のセンサは、安定化、位置決め、指向性方位、および対地速度データを提供します。

Wi-Fiインターフェースは、802.11b/g/n、および複数のセンサ向けのコネクティビティを提供します。これらのセンサは、3軸ジャイロスコープ、加速度センサおよび磁気センサを含み、対地高度測定のためのGPS位置決め、圧力センサ、および超音波センサ用に役立ちます。 第2の低解像度カメラ（QVGA）は、60フレーム/sでフレームをキャプチャし、対地速度測定に寄与します。 このドローンを持ち上げるのが、4つのブラシレスモータで、これらのモータは、最大28,500RPMで実行でき、各モータを制御しているのは、Atmelの8MIPS AVRファミリ CPUです。 このドローンを給電するのは、1000mAHのリチウムポリマー充電式電池です。 AppleのApp Storeで入手できる無償のソフトウェアアプリケーションであるAR.Free Flightにより、iPhone、iPod Touch、またはiPadは、このドローンを制御することができます。

設計プロジェクトのためにWi-Fiコネクティビティを開発している技術者は、SkyworksのSE2594Lを検討する必要があります。この製品は、完全な802.11a/b/g/n WLAN RFフロントエンドモジュールで、パワーアンプ、フィルタリング、パワーディテクタ、T/Rスイッチ、ダイプレクサ、および関連するマッチングのすべての機能を提供します。 使いやすいように設計されたすべてのRFポートは、PCBレイアウト、およびトランシーバRFICへのインターフェースを簡素化するために、50Ωにマッチングされています。 SE2594Lはまた、各帯域向けのトランスミッタパワーディテクタと、各送信チェーン用の20dBのダイナミックレンジを備えた送信チェーンを含みます。 SE2594Lは、小型フォームファクタでのトランシーバ出力からアンテナまでの完全な2.4および5GHz WLAN RFソリューションを提供します。

要約すると、現在、小型ヘリコプターや複数のプロペラを持つドローンから、オフィスのフロアを歩き回るロボットアバターに至るまで、あらゆるワイヤレス玩具が市場に登場しています。 多くのデバイスは、動きの制御と、場合によってはビデオの送受信の両方を行うために、ワイヤレス技術を利用しています。 この記事では、コネクティビティおよび制御を提供するためにさまざまな玩具のサプライヤが使用しているいくつかの技術、Bluetooth、Wi-Fi、およびセルラーサブシステムについて考察しました。 これらすべての例が示すように、接続された玩具の概念には限度がなく、設計者の創造性のみに限界があるのです。

この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、Digi-Keyウェブサイトの製品情報ページにアクセスしてください。

リファレンス

1. Bluetooth開発者の情報。