物联网项目的硬件设计:完整指南

物联网
设计和构建物联网硬件始终是一种享受,然而,这个过程需要什么,关键考虑因素是什么,以及在构建硬件之前应该考虑什么?这篇文章解答你所有的疑问。

设计和构建物联网硬件始终是一种享受。您可以与硬件设计人员合作,创建原型,由利益相关者运行它,并为您的物联网环境开发实际的、有形的产品。

然而,这个过程需要什么,关键考虑因素是什么,以及在构建硬件之前应该考虑什么?这篇文章解答你所有的疑问。

连接设备构成了物联网的基础。从工业设备和建筑物到货物运输和管道,这些物联网设备无处不在,可传输数据并监控设定指标。主要的物联网设备示例包括管道中的压力传感器、插入牛群中牛皮下的微型芯片以及冰箱轨道车内的温度传感器。

硬件和软件组件都是通过标准设计协议针对物联网应用而设计的,并最终与通信网络集成。Arduino Uno和Raspberry Pi等流行平台可实现快速原型设计,而无需涉及大量定制开发,从而加快了实施物联网配置所需的时间。

您会看到,设计需要确定性能要求、必要的硬件和软件,然后是在考虑环境和要在其中使用的应用程序后确定的组件规范。

物联网项目的硬件设计

在硬件设计中,一切都归结为对客户业务需求的清晰了解。您必须考虑最细微的组件和数据规范细节,并确保其符合最终目标。

在设计物联网项目的硬件之前,请确保您的团队已掌握以下问题的所有答案:

  • 必须测量哪些物理信号?
  • 传感器应该直接连接到云端还是通过网关设备连接到云端?
  • 我们应该多久收集一次信号,以及通过网络交换数据的速度应该多快?

围绕物联网硬件设计的服务

无论您为物联网硬件设计项目指定谁,都应该具备开发与您的核心功能相一致的硬件的能力和经验,以便您可以从物联网产品中获得最大的输出。

他们应该能够应对与集成到现有技术堆栈相关的所有挑战,以实现无缝性能和完整的定制物联网硬件设计:

1. 边缘计算

在物联网设备上部署边缘计算而不是传统云计算,以实现更低的延迟率和更快的卸载时间。通过实时处理数据来管理接入点并节省存储空间,而不是在云中收集所有数据以供稍后分析。

2. 快速原型制作

构建市场就绪的解决方案需要时间和金钱。因此,确保您的产品设计和功能满足市场期望和要求至关重要。

无论您是测试新的硬件创意是否有效,还是只是审查业务案例,原型都可以帮助您了解哪些有效,哪些无效。此外,您还可以使用 3D 打印外壳、仪表板和分析。

3. 固件开发

构建物联网硬件设备只是难题的一小部分。如果您拥有基于 IoT 固件设计、开发和测试的 IoT 设备的微处理器和微控制器,将会有所帮助。获得板支持包、设备驱动程序、网络连接和电源管理,以实现互联的物联网设备。

Arduino Uno 和 Raspberry Pi 2 的概念

IoT 硬件包括一系列设备,例如网桥、传感器、路由器等,它们负责关键任务,例如系统激活、支持特定目标的检测以及设备安全和通信。

如前所述,物联网硬件组件多种多样,从低功耗板到单板处理器(例如 Arduino Uno 和 Raspberry Pi 2),这些基本上都是插入主板的较小板 - 从而产生了光和热传感器、GPS 等特定功能和交互式显示器。Arduino Uno 是一个开源设备平台,可帮助创建兼容的开发板和工具。

不同官方 Arduino 型号以及数十种第三方兼容板之间的设备功能各不相同。该硬件允许物联网开发人员使用 Python、JavaScript 和 Lua 进行编程。构建在 Arduino 兼容微控制器上运行的软件的标准方法是使用 C++、C 和 Arduino IDE。

当您实现低级硬件功能(例如深度睡眠模式或从物联网连接设备读取数据)时,您可能需要依赖特定于设备的库来使您的无线设备变得便携。Arduino Uno 是一款支持蓝牙和 WiFi 连接的低成本选项,使其成为物联网应用开发人员中流行的解决方案。 

另一方面,Raspberry Pi 2 是市场上最实惠(常用)的物联网开发板之一。可以使用信用卡大小的迷你 PC 板,该板也可作为个人 PC 运行。Raspberry Pi 2 在内存、速度和多媒体处理能力方面提供了显着增强,同时保留了功耗水平和向后兼容性。

它还适用于多种操作系统,使用标准键盘和鼠标,并支持 Python、Java 和 Node.js 包。它具有双频无线 LAN、蓝牙、WiFi 和以太网连接。Raspberry Pi 2 用于配置数字媒体系统和监控摄像头。

此外,该板可以直接从 USB 连接的笔式驱动器或硬盘驱动器启动 - 这是 Raspberry Pi 2 的主要 USP 之一。

硬件开发过程的十个阶段

为物联网应用构建硬件系统本身就是一项艰巨的任务。尽管物联网产品由软件、固件和硬件组件组成,但 80% 的成本和开发麻烦来自于后者。

因此,你必须勤奋、自觉地遵循这个过程。不用担心 - 我们将在以下部分详细讨论关键的十个阶段:

1. 进行产品研究并组建团队

首先,您要构建的是什么?包括所有详细信息,例如配置、功能、市场差距、目标客户、竞争产品等。记下内部现有的技能以及您必须外包的知识和专业知识。 

假设您创建了由解决方案设计师、技术架构师和研究人员组成的团队。要构建最小可行产品(MVP),除了列出基本产品功能和扩展功能之外,您还必须清楚地详细说明开发优先级。

您在团队成员中集思广益并与目标受众交谈得越多,您对硬件开发的了解就越清晰。彻底研究并在数据表中写下您的用例。在此阶段添加 QA 资源,以确定构建IoT 硬件设备的测试用例的可能性。

2. 制定初步的硬件设计

这对于解决设计理念与实际设计之间的差距是必要的。指定所有电子功能以及它们如何与其他功能组件互连。 

微控制器是任何与传感器、存储芯片、显示器等同步的硬件产品的核心组件。因此,选择微控制器,然后为硬件开发过程选择其他相关组件。

3. 设计原理图电路图

电路原理图主要关注产品的高级功能,该图使您能够考虑最微小的细节和组件,例如传感器、微芯片和电阻器。

引脚编号的任何不匹配都可能导致整体产品故障。因此,原理图的设计必须非常小心。为每个模块创建一个独立的子电路,以便在硬件中实现更有效的输出。

4. 设计机械和工业部件

“计算机辅助设计和绘图”或 CAD 是一种支持设计和技术文档的技术,以自动化流程取代手动绘图。它用于设计机械和工业组件。

机械设计遵循所有传统原则,以实现完全合规的输出。根据您要设计的硬件类型和预算,选择 CAD 工具。接下来,概述所有设计活动,包括每个设计背后的目的。目标是确定所有组件的硬件设计的价值、功能和外观。

5. 设计印刷电路板(PCB)

以下是您永远不应该忘记的事情:产品更小、组件更紧凑以及 PCB 布局的创建更复杂。如果产品提供无线连接,设计将会更加复杂。晶体时钟、电源布线、地址或数据线等使 PCB 变得更加复杂。

要创建所有电子元件的物理板,请利用验证工具将原理图与构思的 PCB 流程相匹配。一些著名的名字包括 Altium Designer、Solidworks PCB、PCB Artist 等。

6. 生成最终物料清单 (BoM)

BoM 是所有要采购的机械和电子项目的清单。无论是低成本还是小元件,都要记下它们的数量和规格。大多数原理图设计软件解决方案都填充在 BoM 中。

在联系供应商之前手动验证文档。寻找可靠的第三方供应商至关重要,因为您不想采购有缺陷或质量差的组件。一定要选好。花时间与尽可能多的潜在供应商交谈。

7. 开始原型设计过程

原型设计将您的硬件产品与有一天将上市的实际构建连接起来。这是至关重要的一步,因为这有助于衡量所需产品的可行性。除了节省时间和精力之外,这还确保了开发过程快速而简单。您可以在内部制作原型,也可以将其外包给熟练的开发机构。

8. 制造和装配设计

也称为 DFMA,它简化了生产复杂性并保持较低的总体成本。DFMA 有助于进行大批量制造并最大限度地减少产品组装步骤的数量。 

在开始流程之前,请咨询生产专家以获取投入并分析每个组件以控制制造成本。遵循所有合法的制造流程并使用所有标准化零件以避免库存复杂性。

9. 开始制造硬件

一旦你完成了你的家、完成了你的原型并获得了利益相关者的批准,就可以开始制作硬件了。确保您找到适合这项工作的可靠制造合作伙伴。

在此阶段,您还需要识别并解决设计中的任何剩余问题,以及修复装配夹具和错误。此步骤需要最长的时间才能完成。

10. 进行工艺验证审查

一旦您在前一阶段尝试并测试了 100 台的生产,就可以加大投入并生产 100-200 台。执行多个构建测试以评估您的工作流程是否已准备好进行大规模生产。在此过程中您可能仍会遇到一些失败。不要惊慌,而是利用这个机会找出并解决所有问题。

三个物联网硬件构建模块

由于物联网应用过多,不可能通用化硬件架构。但是,这不应该阻止您遵循框架。每个物联网应用程序都包含三个标准“构建块”:

1.数据采集模块

它专注于从“事物”或“物联网资产”获取物理信号,并将其转换为计算机可以操纵的数字信号。该硬件组件包括不同类型的传感器,例如运动、振动、温度、光等。

从传感器接收到的信号被转化为计算机中的数字信息以供使用。数据采集模型需要重点考虑的关键因素包括需要测量的传感器的数量和类型以及测量的准确性。

2.数据处理模块

这是处理从物联网资产获取的数据、在本地存储数据、进行区域分析以及在边缘执行任何其他计算机操作的“计算机”。这种安排并不要求您是计算机体系结构方面的专家。

您的角色应该是了解总体产品目标并提出正确的问题来帮助指导您的团队。该模块的主要考虑因素是处理能力和本地数据存储量。

您在此处做出的决策应与功能、性能、设备尺寸、生命周期等直接相关。

3.通讯模块

这是指能够与云解决方案进行通信的电路。该模型可能包括 CAN、USB 和 Modbus 等通信端口以及用于无线通信的无线电技术,包括 LoRA、3G、5G、ZigBee 和 WiFi。

通信模块与其他模块包含在同一设备中,也可以是专门用于通信的单独设备。

为物联网项目选择最佳设计的方法:硬件设计指南

物联网设备高度专业化且独特。它们被设计为在利基环境中运行。当然,硬件选项也会反映物联网设备的独特性。那么,物联网开发过程中主要的硬件需求有哪些呢?必须记住哪些要点?让我们来了解一下:

1. 安全

显然,您的物联网设备必须是地球上最安全的设备。因此,即使在原型设计过程中,保持设备数据完整性和安全性也至关重要。安全参数适用于相关物联网设备、您的通信网络、移动和 Web 服务应用程序以及云。

2. 电源参数

考虑您的设备是否需要硬连线供电,或者是否需要便携式电源(例如电池)。如果需要电池,请记下其尺寸、重量和容量要求。此外,如果是“可充电”类型的电池,请了解应多久充电一次。

3. 易于开发

归根结底,您希望您的物联网设备能够快速启动并运行 - 没有任何麻烦。它应该捕获数据,与云上的其他连接设备进行通信,并且成为最终客户使用的最佳产品。如果创建物联网硬件设计很痛苦,那么这就是一个问题。

4. 连接要求

这是关于无线网络的。您希望数字信号传输多远?您希望传输多少数据量以及以什么速率?考虑“容错”选项。您的硬件可能需要升级才能更灵活地重新连接数据。

5. 数据收集、处理和存储条件

连接到物联网设备的传感器数量、连接系统捕获的数据的分辨率以及对收集的数据进行采样的速率是数据处理的重要组成部分。设备上存储的数据量取决于设备连接到上游传输数据的频率。

总结

每个物联网应用程序都是不同的。物联网项目的硬件选择(或开发)不存在“一刀切”的方法。因此,采用基于标准的商品硬件(例如单板计算机和微控制器)可以在开发过程的早期阶段节省您的时间和金钱资源。 

责任编辑:赵宁宁 来源: 计算机程序吧
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