設(shè)計(jì)和構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)硬件始終是一種享受。您可以與硬件設(shè)計(jì)人員合作，創(chuàng)建原型，由利益相關(guān)者運(yùn)行它，并為您的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境開發(fā)實(shí)際的、有形的產(chǎn)品。

然而，這個(gè)過程需要什么，關(guān)鍵考慮因素是什么，以及在構(gòu)建硬件之前應(yīng)該考慮什么？這篇文章解答你所有的疑問。

連接設(shè)備構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。從工業(yè)設(shè)備和建筑物到貨物運(yùn)輸和管道，這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無處不在，可傳輸數(shù)據(jù)并監(jiān)控設(shè)定指標(biāo)。主要的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備示例包括管道中的壓力傳感器、插入牛群中牛皮下的微型芯片以及冰箱軌道車內(nèi)的溫度傳感器。

硬件和軟件組件都是通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)協(xié)議針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，并最終與通信網(wǎng)絡(luò)集成。Arduino Uno和Raspberry Pi等流行平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)快速原型設(shè)計(jì)，而無需涉及大量定制開發(fā)，從而加快了實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)配置所需的時(shí)間。

您會(huì)看到，設(shè)計(jì)需要確定性能要求、必要的硬件和軟件，然后是在考慮環(huán)境和要在其中使用的應(yīng)用程序后確定的組件規(guī)范。

物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中，一切都?xì)w結(jié)為對(duì)客戶業(yè)務(wù)需求的清晰了解。您必須考慮最細(xì)微的組件和數(shù)據(jù)規(guī)范細(xì)節(jié)，并確保其符合最終目標(biāo)。

在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的硬件之前，請(qǐng)確保您的團(tuán)隊(duì)已掌握以下問題的所有答案：

必須測(cè)量哪些物理信號(hào)？

傳感器應(yīng)該直接連接到云端還是通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接到云端？

我們應(yīng)該多久收集一次信號(hào)，以及通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)的速度應(yīng)該多快？

圍繞物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)的服務(wù)

無論您為物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)項(xiàng)目指定誰(shuí)，都應(yīng)該具備開發(fā)與您的核心功能相一致的硬件的能力和經(jīng)驗(yàn)，以便您可以從物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品中獲得最大的輸出。

他們應(yīng)該能夠應(yīng)對(duì)與集成到現(xiàn)有技術(shù)堆棧相關(guān)的所有挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)無縫性能和完整的定制物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)：

1. 邊緣計(jì)算

在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上部署邊緣計(jì)算而不是傳統(tǒng)云計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)更低的延遲率和更快的卸載時(shí)間。通過實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)來管理接入點(diǎn)并節(jié)省存儲(chǔ)空間，而不是在云中收集所有數(shù)據(jù)以供稍后分析。

2. 快速原型制作

構(gòu)建市場(chǎng)就緒的解決方案需要時(shí)間和金錢。因此，確保您的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能滿足市場(chǎng)期望和要求至關(guān)重要。

無論您是測(cè)試新的硬件創(chuàng)意是否有效，還是只是審查業(yè)務(wù)案例，原型都可以幫助您了解哪些有效，哪些無效。此外，您還可以使用 3D 打印外殼、儀表板和分析。

3. 固件開發(fā)

構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備只是難題的一小部分。如果您擁有基于 IoT 固件設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)試的 IoT 設(shè)備的微處理器和微控制器，將會(huì)有所幫助。獲得板支持包、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)連接和電源管理，以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

Arduino Uno 和 Raspberry Pi 2 的概念

IoT 硬件包括一系列設(shè)備，例如網(wǎng)橋、傳感器、路由器等，它們負(fù)責(zé)關(guān)鍵任務(wù)，例如系統(tǒng)激活、支持特定目標(biāo)的檢測(cè)以及設(shè)備安全和通信。

如前所述，物聯(lián)網(wǎng)硬件組件多種多樣，從低功耗板到單板處理器（例如 Arduino Uno 和 Raspberry Pi 2），這些基本上都是插入主板的較小板 - 從而產(chǎn)生了光和熱傳感器、GPS 等特定功能和交互式顯示器。Arduino Uno 是一個(gè)開源設(shè)備平臺(tái)，可幫助創(chuàng)建兼容的開發(fā)板和工具。

不同官方 Arduino 型號(hào)以及數(shù)十種第三方兼容板之間的設(shè)備功能各不相同。該硬件允許物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員使用 Python、JavaScript 和 Lua 進(jìn)行編程。構(gòu)建在 Arduino 兼容微控制器上運(yùn)行的軟件的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用 C++、C 和 Arduino IDE。

當(dāng)您實(shí)現(xiàn)低級(jí)硬件功能（例如深度睡眠模式或從物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備讀取數(shù)據(jù)）時(shí)，您可能需要依賴特定于設(shè)備的庫(kù)來使您的無線設(shè)備變得便攜。Arduino Uno 是一款支持藍(lán)牙和 WiFi 連接的低成本選項(xiàng)，使其成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)人員中流行的解決方案。 

另一方面，Raspberry Pi 2 是市場(chǎng)上最實(shí)惠（常用）的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板之一?？梢允褂眯庞每ù笮〉拿阅?PC 板，該板也可作為個(gè)人 PC 運(yùn)行。Raspberry Pi 2 在內(nèi)存、速度和多媒體處理能力方面提供了顯著增強(qiáng)，同時(shí)保留了功耗水平和向后兼容性。

它還適用于多種操作系統(tǒng)，使用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)，并支持 Python、Java 和 Node.js 包。它具有雙頻無線 LAN、藍(lán)牙、WiFi 和以太網(wǎng)連接。Raspberry Pi 2 用于配置數(shù)字媒體系統(tǒng)和監(jiān)控?cái)z像頭。

此外，該板可以直接從 USB 連接的筆式驅(qū)動(dòng)器或硬盤驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng) - 這是 Raspberry Pi 2 的主要 USP 之一。

硬件開發(fā)過程的十個(gè)階段

為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用構(gòu)建硬件系統(tǒng)本身就是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。盡管物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品由軟件、固件和硬件組件組成，但 80% 的成本和開發(fā)麻煩來自于后者。

因此，你必須勤奮、自覺地遵循這個(gè)過程。不用擔(dān)心 - 我們將在以下部分詳細(xì)討論關(guān)鍵的十個(gè)階段：

1. 進(jìn)行產(chǎn)品研究并組建團(tuán)隊(duì)

首先，您要構(gòu)建的是什么？包括所有詳細(xì)信息，例如配置、功能、市場(chǎng)差距、目標(biāo)客戶、競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品等。記下內(nèi)部現(xiàn)有的技能以及您必須外包的知識(shí)和專業(yè)知識(shí)。 

假設(shè)您創(chuàng)建了由解決方案設(shè)計(jì)師、技術(shù)架構(gòu)師和研究人員組成的團(tuán)隊(duì)。要構(gòu)建最小可行產(chǎn)品（MVP），除了列出基本產(chǎn)品功能和擴(kuò)展功能之外，您還必須清楚地詳細(xì)說明開發(fā)優(yōu)先級(jí)。

您在團(tuán)隊(duì)成員中集思廣益并與目標(biāo)受眾交談得越多，您對(duì)硬件開發(fā)的了解就越清晰。徹底研究并在數(shù)據(jù)表中寫下您的用例。在此階段添加 QA 資源，以確定構(gòu)建IoT 硬件設(shè)備的測(cè)試用例的可能性。

2. 制定初步的硬件設(shè)計(jì)

這對(duì)于解決設(shè)計(jì)理念與實(shí)際設(shè)計(jì)之間的差距是必要的。指定所有電子功能以及它們?nèi)绾闻c其他功能組件互連。 

微控制器是任何與傳感器、存儲(chǔ)芯片、顯示器等同步的硬件產(chǎn)品的核心組件。因此，選擇微控制器，然后為硬件開發(fā)過程選擇其他相關(guān)組件。

3、設(shè)計(jì)原理圖電路圖

電路原理圖主要關(guān)注產(chǎn)品的高級(jí)功能，該圖使您能夠考慮最微小的細(xì)節(jié)和組件，例如傳感器、微芯片和電阻器。

引腳編號(hào)的任何不匹配都可能導(dǎo)致整體產(chǎn)品故障。因此，原理圖的設(shè)計(jì)必須非常小心。為每個(gè)模塊創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的子電路，以便在硬件中實(shí)現(xiàn)更有效的輸出。

4. 設(shè)計(jì)機(jī)械和工業(yè)部件

“計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和繪圖”或 CAD 是一種支持設(shè)計(jì)和技術(shù)文檔的技術(shù)，以自動(dòng)化流程取代手動(dòng)繪圖。它用于設(shè)計(jì)機(jī)械和工業(yè)組件。

機(jī)械設(shè)計(jì)遵循所有傳統(tǒng)原則，以實(shí)現(xiàn)完全合規(guī)的輸出。根據(jù)您要設(shè)計(jì)的硬件類型和預(yù)算，選擇 CAD 工具。接下來，概述所有設(shè)計(jì)活動(dòng)，包括每個(gè)設(shè)計(jì)背后的目的。目標(biāo)是確定所有組件的硬件設(shè)計(jì)的價(jià)值、功能和外觀。

5. 設(shè)計(jì)印刷電路板(PCB)

以下是您永遠(yuǎn)不應(yīng)該忘記的事情：產(chǎn)品更小、組件更緊湊以及 PCB 布局的創(chuàng)建更復(fù)雜。如果產(chǎn)品提供無線連接，設(shè)計(jì)將會(huì)更加復(fù)雜。晶體時(shí)鐘、電源布線、地址或數(shù)據(jù)線等使 PCB 變得更加復(fù)雜。

要?jiǎng)?chuàng)建所有電子元件的物理板，請(qǐng)利用驗(yàn)證工具將原理圖與構(gòu)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. 生成最終物料清單 (BoM)

BoM 是所有要采購(gòu)的機(jī)械和電子項(xiàng)目的清單。無論是低成本還是小元件，都要記下它們的數(shù)量和規(guī)格。大多數(shù)原理圖設(shè)計(jì)軟件解決方案都填充在 BoM 中。

在聯(lián)系供應(yīng)商之前手動(dòng)驗(yàn)證文檔。尋找可靠的第三方供應(yīng)商至關(guān)重要，因?yàn)槟幌氩少?gòu)有缺陷或質(zhì)量差的組件。一定要選好?；〞r(shí)間與盡可能多的潛在供應(yīng)商交談。

7. 開始原型設(shè)計(jì)過程

原型設(shè)計(jì)將您的硬件產(chǎn)品與有一天將上市的實(shí)際構(gòu)建連接起來。這是至關(guān)重要的一步，因?yàn)檫@有助于衡量所需產(chǎn)品的可行性。除了節(jié)省時(shí)間和精力之外，這還確保了開發(fā)過程快速而簡(jiǎn)單。您可以在內(nèi)部制作原型，也可以將其外包給熟練的開發(fā)機(jī)構(gòu)。

8. 制造和裝配設(shè)計(jì)

也稱為 DFMA，它簡(jiǎn)化了生產(chǎn)復(fù)雜性并保持較低的總體成本。DFMA 有助于進(jìn)行大批量制造并最大限度地減少產(chǎn)品組裝步驟的數(shù)量。 

在開始流程之前，請(qǐng)咨詢生產(chǎn)專家以獲取投入并分析每個(gè)組件以控制制造成本。遵循所有合法的制造流程并使用所有標(biāo)準(zhǔn)化零件以避免庫(kù)存復(fù)雜性。

9. 開始制造硬件

一旦你完成了你的家、完成了你的原型并獲得了利益相關(guān)者的批準(zhǔn)，就可以開始制作硬件了。確保您找到適合這項(xiàng)工作的可靠制造合作伙伴。

在此階段，您還需要識(shí)別并解決設(shè)計(jì)中的任何剩余問題，以及修復(fù)裝配夾具和錯(cuò)誤。此步驟需要最長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。

10. 進(jìn)行工藝驗(yàn)證審查

一旦您在前一階段嘗試并測(cè)試了 100 臺(tái)的生產(chǎn)，就可以加大投入并生產(chǎn) 100-200 臺(tái)。執(zhí)行多個(gè)構(gòu)建測(cè)試以評(píng)估您的工作流程是否已準(zhǔn)備好進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。在此過程中您可能仍會(huì)遇到一些失敗。不要驚慌，而是利用這個(gè)機(jī)會(huì)找出并解決所有問題。

三個(gè)物聯(lián)網(wǎng)硬件構(gòu)建模塊

由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用過多，不可能通用化硬件架構(gòu)。但是，這不應(yīng)該阻止您遵循框架。每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都包含三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)“構(gòu)建塊”：

1.數(shù)據(jù)采集模塊 

它專注于從“事物”或“物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)”獲取物理信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以操縱的數(shù)字信號(hào)。該硬件組件包括不同類型的傳感器，例如運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)、溫度、光等。

從傳感器接收到的信號(hào)被轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)中的數(shù)字信息以供使用。數(shù)據(jù)采集模型需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素包括需要測(cè)量的傳感器的數(shù)量和類型以及測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2、數(shù)據(jù)處理模塊

這是處理從物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)獲取的數(shù)據(jù)、在本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、進(jìn)行區(qū)域分析以及在邊緣執(zhí)行任何其他計(jì)算機(jī)操作的“計(jì)算機(jī)”。這種安排并不要求您是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的專家。

您的角色應(yīng)該是了解總體產(chǎn)品目標(biāo)并提出正確的問題來幫助指導(dǎo)您的團(tuán)隊(duì)。該模塊的主要考慮因素是處理能力和本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)量。

您在此處做出的決策應(yīng)與功能、性能、設(shè)備尺寸、生命周期等直接相關(guān)。

3、通訊模塊

這是指能夠與云解決方案進(jìn)行通信的電路。該模型可能包括 CAN、USB 和 Modbus 等通信端口以及用于無線通信的無線電技術(shù)，包括 LoRA、3G、5G、ZigBee 和 WiFi。

通信模塊與其他模塊包含在同一設(shè)備中，也可以是專門用于通信的單獨(dú)設(shè)備。

為物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目選擇最佳設(shè)計(jì)的方法：硬件設(shè)計(jì)指南

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備高度專業(yè)化且獨(dú)特。它們被設(shè)計(jì)為在利基環(huán)境中運(yùn)行。當(dāng)然，硬件選項(xiàng)也會(huì)反映物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的獨(dú)特性。那么，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)過程中主要的硬件需求有哪些呢？必須記住哪些要點(diǎn)？讓我們來了解一下：

1. 安全

顯然，您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須是地球上最安全的設(shè)備。因此，即使在原型設(shè)計(jì)過程中，保持設(shè)備數(shù)據(jù)完整性和安全性也至關(guān)重要。安全參數(shù)適用于相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、您的通信網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)和 Web 服務(wù)應(yīng)用程序以及云。

2、電源參數(shù)

考慮您的設(shè)備是否需要硬連線供電，或者是否需要便攜式電源（例如電池）。如果需要電池，請(qǐng)記下其尺寸、重量和容量要求。此外，如果是“可充電”類型的電池，請(qǐng)了解應(yīng)多久充電一次。

3. 易于開發(fā)

歸根結(jié)底，您希望您的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠快速啟動(dòng)并運(yùn)行 - 沒有任何麻煩。它應(yīng)該捕獲數(shù)據(jù)，與云上的其他連接設(shè)備進(jìn)行通信，并且成為最終客戶使用的最佳產(chǎn)品。如果創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)計(jì)很痛苦，那么這就是一個(gè)問題。

4. 連接要求

這是關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)的。您希望數(shù)字信號(hào)傳輸多遠(yuǎn)？您希望傳輸多少數(shù)據(jù)量以及以什么速率？考慮“容錯(cuò)”選項(xiàng)。您的硬件可能需要升級(jí)才能更靈活地重新連接數(shù)據(jù)。

5. 數(shù)據(jù)收集、處理和存儲(chǔ)條件

連接到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的傳感器數(shù)量、連接系統(tǒng)捕獲的數(shù)據(jù)的分辨率以及對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣的速率是數(shù)據(jù)處理的重要組成部分。設(shè)備上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量取決于設(shè)備連接到上游傳輸數(shù)據(jù)的頻率。

總結(jié)

每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序都是不同的。物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的硬件選擇（或開發(fā)）不存在“一刀切”的方法。因此，采用基于標(biāo)準(zhǔn)的商品硬件（例如單板計(jì)算機(jī)和微控制器）可以在開發(fā)過程的早期階段節(jié)省您的時(shí)間和金錢資源。