設計和構建物聯(lián)網(wǎng)硬件始終是一種享受。您可以與硬件設計人員合作，創(chuàng)建原型，由利益相關者運行它，并為您的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境開發(fā)實際的、有形的產(chǎn)品。

然而，這個過程需要什么，關鍵考慮因素是什么，以及在構建硬件之前應該考慮什么？這篇文章解答你所有的疑問。

連接設備構成了物聯(lián)網(wǎng)的基礎。從工業(yè)設備和建筑物到貨物運輸和管道，這些物聯(lián)網(wǎng)設備無處不在，可傳輸數(shù)據(jù)并監(jiān)控設定指標。主要的物聯(lián)網(wǎng)設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準設計協(xié)議針對物聯(lián)網(wǎng)應用而設計的，并最終與通信網(wǎng)絡集成。Arduino Uno和Raspberry Pi等流行平臺可實現(xiàn)快速原型設計，而無需涉及大量定制開發(fā)，從而加快了實施物聯(lián)網(wǎng)配置所需的時間。

您會看到，設計需要確定性能要求、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用程序后確定的組件規(guī)范。

物聯(lián)網(wǎng)項目的硬件設計

在硬件設計中，一切都歸結為對客戶業(yè)務需求的清晰了解。您必須考慮最細微的組件和數(shù)據(jù)規(guī)范細節(jié)，并確保其符合最終目標。

在設計物聯(lián)網(wǎng)項目的硬件之前，請確保您的團隊已掌握以下問題的所有答案：

必須測量哪些物理信號？

傳感器應該直接連接到云端還是通過網(wǎng)關設備連接到云端？

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

圍繞物聯(lián)網(wǎng)硬件設計的服務

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

他們應該能夠應對與集成到現(xiàn)有技術堆棧相關的所有挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)無縫性能和完整的定制物聯(lián)網(wǎng)硬件設計：

1. 邊緣計算

在物聯(lián)網(wǎng)設備上部署邊緣計算而不是傳統(tǒng)云計算，以實現(xiàn)更低的延遲率和更快的卸載時間。通過實時處理數(shù)據(jù)來管理接入點并節(jié)省存儲空間，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

構建市場就緒的解決方案需要時間和金錢。因此，確保您的產(chǎn)品設計和功能滿足市場期望和要求至關重要。

無論您是測試新的硬件創(chuàng)意是否有效，還是只是審查業(yè)務案例，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)

構建物聯(lián)網(wǎng)硬件設備只是難題的一小部分。如果您擁有基于 IoT 固件設計、開發(fā)和測試的 IoT 設備的微處理器和微控制器，將會有所幫助。獲得板支持包、設備驅(qū)動程序、網(wǎng)絡連接和電源管理，以實現(xiàn)互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)設備。

Arduino Uno 和 Raspberry Pi 2 的概念

IoT 硬件包括一系列設備，例如網(wǎng)橋、傳感器、路由器等，它們負責關鍵任務，例如系統(tǒng)激活、支持特定目標的檢測以及設備安全和通信。

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 是一個開源設備平臺，可幫助創(chuàng)建兼容的開發(fā)板和工具。

不同官方 Arduino 型號以及數(shù)十種第三方兼容板之間的設備功能各不相同。該硬件允許物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員使用 Python、JavaScript 和 Lua 進行編程。構建在 Arduino 兼容微控制器上運行的軟件的標準方法是使用 C++、C 和 Arduino IDE。

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

另一方面，Raspberry Pi 2 是市場上最實惠（常用）的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板之一。可以使用信用卡大小的迷你 PC 板，該板也可作為個人 PC 運行。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，同時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)，使用標準鍵盤和鼠標，并支持 Python、Java 和 Node.js 包。它具有雙頻無線 LAN、藍牙、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)控攝像頭。

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

硬件開發(fā)過程的十個階段

為物聯(lián)網(wǎng)應用構建硬件系統(tǒng)本身就是一項艱巨的任務。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、自覺地遵循這個過程。不用擔心 - 我們將在以下部分詳細討論關鍵的十個階段：

1. 進行產(chǎn)品研究并組建團隊

首先，您要構建的是什么？包括所有詳細信息，例如配置、功能、市場差距、目標客戶、競爭產(chǎn)品等。記下內(nèi)部現(xiàn)有的技能以及您必須外包的知識和專業(yè)知識。 

假設您創(chuàng)建了由解決方案設計師、技術架構師和研究人員組成的團隊。要構建最小可行產(chǎn)品（MVP），除了列出基本產(chǎn)品功能和擴展功能之外，您還必須清楚地詳細說明開發(fā)優(yōu)先級。

您在團隊成員中集思廣益并與目標受眾交談得越多，您對硬件開發(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，以確定構建IoT 硬件設備的測試用例的可能性。

2. 制定初步的硬件設計

這對于解決設計理念與實際設計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)過程選擇其他相關組件。

3、設計原理圖電路圖

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

引腳編號的任何不匹配都可能導致整體產(chǎn)品故障。因此，原理圖的設計必須非常小心。為每個模塊創(chuàng)建一個獨立的子電路，以便在硬件中實現(xiàn)更有效的輸出。

4. 設計機械和工業(yè)部件

“計算機輔助設計和繪圖”或 CAD 是一種支持設計和技術文檔的技術，以自動化流程取代手動繪圖。它用于設計機械和工業(yè)組件。

機械設計遵循所有傳統(tǒng)原則，以實現(xiàn)完全合規(guī)的輸出。根據(jù)您要設計的硬件類型和預算，選擇 CAD 工具。接下來，概述所有設計活動，包括每個設計背后的目的。目標是確定所有組件的硬件設計的價值、功能和外觀。

5. 設計印刷電路板(PCB)

以下是您永遠不應該忘記的事情：產(chǎn)品更小、組件更緊湊以及 PCB 布局的創(chuàng)建更復雜。如果產(chǎn)品提供無線連接，設計將會更加復雜。晶體時鐘、電源布線、地址或數(shù)據(jù)線等使 PCB 變得更加復雜。

要創(chuàng)建所有電子元件的物理板，請利用驗證工具將原理圖與構思的 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 是所有要采購的機械和電子項目的清單。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)原理圖設計軟件解決方案都填充在 BoM 中。

在聯(lián)系供應商之前手動驗證文檔。尋找可靠的第三方供應商至關重要，因為您不想采購有缺陷或質(zhì)量差的組件。一定要選好。花時間與盡可能多的潛在供應商交談。

7. 開始原型設計過程

原型設計將您的硬件產(chǎn)品與有一天將上市的實際構建連接起來。這是至關重要的一步，因為這有助于衡量所需產(chǎn)品的可行性。除了節(jié)省時間和精力之外，這還確保了開發(fā)過程快速而簡單。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)機構。

8. 制造和裝配設計

也稱為 DFMA，它簡化了生產(chǎn)復雜性并保持較低的總體成本。DFMA 有助于進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，請咨詢生產(chǎn)專家以獲取投入并分析每個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準化零件以避免庫存復雜性。

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者的批準，就可以開始制作硬件了。確保您找到適合這項工作的可靠制造合作伙伴。

在此階段，您還需要識別并解決設計中的任何剩余問題，以及修復裝配夾具和錯誤。此步驟需要最長的時間才能完成。

10. 進行工藝驗證審查

一旦您在前一階段嘗試并測試了 100 臺的生產(chǎn)，就可以加大投入并生產(chǎn) 100-200 臺。執(zhí)行多個構建測試以評估您的工作流程是否已準備好進行大規(guī)模生產(chǎn)。在此過程中您可能仍會遇到一些失敗。不要驚慌，而是利用這個機會找出并解決所有問題。

三個物聯(lián)網(wǎng)硬件構建模塊

由于物聯(lián)網(wǎng)應用過多，不可能通用化硬件架構。但是，這不應該阻止您遵循框架。每個物聯(lián)網(wǎng)應用程序都包含三個標準“構建塊”：

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，并將其轉(zhuǎn)換為計算機可以操縱的數(shù)字信號。該硬件組件包括不同類型的傳感器，例如運動、振動、溫度、光等。

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

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)、在本地存儲數(shù)據(jù)、進行區(qū)域分析以及在邊緣執(zhí)行任何其他計算機操作的“計算機”。這種安排并不要求您是計算機體系結構方面的專家。

您的角色應該是了解總體產(chǎn)品目標并提出正確的問題來幫助指導您的團隊。該模塊的主要考慮因素是處理能力和本地數(shù)據(jù)存儲量。

您在此處做出的決策應與功能、性能、設備尺寸、生命周期等直接相關。

3、通訊模塊

這是指能夠與云解決方案進行通信的電路。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，包括 LoRA、3G、5G、ZigBee 和 WiFi。

通信模塊與其他模塊包含在同一設備中，也可以是專門用于通信的單獨設備。

為物聯(lián)網(wǎng)項目選擇最佳設計的方法：硬件設計指南

物聯(lián)網(wǎng)設備高度專業(yè)化且獨特。它們被設計為在利基環(huán)境中運行。當然，硬件選項也會反映物聯(lián)網(wǎng)設備的獨特性。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？讓我們來了解一下：

1. 安全

顯然，您的物聯(lián)網(wǎng)設備必須是地球上最安全的設備。因此，即使在原型設計過程中，保持設備數(shù)據(jù)完整性和安全性也至關重要。安全參數(shù)適用于相關物聯(lián)網(wǎng)設備、您的通信網(wǎng)絡、移動和 Web 服務應用程序以及云。

2、電源參數(shù)

考慮您的設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，請了解應多久充電一次。

3. 易于開發(fā)

歸根結底，您希望您的物聯(lián)網(wǎng)設備能夠快速啟動并運行 - 沒有任何麻煩。它應該捕獲數(shù)據(jù)，與云上的其他連接設備進行通信，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)硬件設計很痛苦，那么這就是一個問題。

4. 連接要求

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

5. 數(shù)據(jù)收集、處理和存儲條件

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

總結

每個物聯(lián)網(wǎng)應用程序都是不同的。物聯(lián)網(wǎng)項目的硬件選擇（或開發(fā)）不存在“一刀切”的方法。因此，采用基于標準的商品硬件（例如單板計算機和微控制器）可以在開發(fā)過程的早期階段節(jié)省您的時間和金錢資源。