設計和構建物聯網硬件始終是一種享受。您可以與硬件設計人員合作，創建原型，由利益相關者運行它，并為您的物聯網環境開發實際的、有形的產品。

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網的基礎。從工業設備和建筑物到貨物運輸和管道，這些物聯網設備無處不在，可傳輸數據并監控設定指標。主要的物聯網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的溫度傳感器。

硬件和軟件組件都是通過標準設計協議針對物聯網應用而設計的，并最終與通信網絡集成。Arduino Uno和Raspberry Pi等流行平臺可實現快速原型設計，而無需涉及大量定制開發，從而加快了實施物聯網配置所需的時間。

您會看到，設計需要確定性能要求、必要的硬件和軟件，然后是在考慮環境和要在其中使用的應用程序后確定的組件規范。

物聯網項目的硬件設計

在硬件設計中，一切都歸結為對客戶業務需求的清晰了解。您必須考慮最細微的組件和數據規范細節，并確保其符合最終目標。

在設計物聯網項目的硬件之前，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，以及通過網絡交換數據的速度應該多快？

圍繞物聯網硬件設計的服務

無論您為物聯網硬件設計項目指定誰，都應該具備開發與您的核心功能相一致的硬件的能力和經驗，以便您可以從物聯網產品中獲得最大的輸出。

他們應該能夠應對與集成到現有技術堆棧相關的所有挑戰，以實現無縫性能和完整的定制物聯網硬件設計：

1. 邊緣計算

在物聯網設備上部署邊緣計算而不是傳統云計算，以實現更低的延遲率和更快的卸載時間。通過實時處理數據來管理接入點并節省存儲空間，而不是在云中收集所有數據以供稍后分析。

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意是否有效，還是只是審查業務案例，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

構建物聯網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、設備驅動程序、網絡連接和電源管理，以實現互聯的物聯網設備。

Arduino Uno 和 Raspberry Pi 2 的概念

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

如前所述，物聯網硬件組件多種多樣，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，可幫助創建兼容的開發板和工具。

不同官方 Arduino 型號以及數十種第三方兼容板之間的設備功能各不相同。該硬件允許物聯網開發人員使用 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。

當您實現低級硬件功能（例如深度睡眠模式或從物聯網連接設備讀取數據）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，使其成為物聯網應用開發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）的物聯網開發板之一。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，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 和以太網連接。Raspberry Pi 2 用于配置數字媒體系統和監控攝像頭。

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

硬件開發過程的十個階段

為物聯網應用構建硬件系統本身就是一項艱巨的任務。盡管物聯網產品由軟件、固件和硬件組件組成，但 80% 的成本和開發麻煩來自于后者。

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、競爭產品等。記下內部現有的技能以及您必須外包的知識和專業知識。 

假設您創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。要構建最小可行產品（MVP），除了列出基本產品功能和擴展功能之外，您還必須清楚地詳細說明開發優先級。

您在團隊成員中集思廣益并與目標受眾交談得越多，您對硬件開發的了解就越清晰。徹底研究并在數據表中寫下您的用例。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如何與其他功能組件互連。 

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品的核心組件。因此，選擇微控制器，然后為硬件開發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品的高級功能，該圖使您能夠考慮最微小的細節和組件，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品故障。因此，原理圖的設計必須非常小心。為每個模塊創建一個獨立的子電路，以便在硬件中實現更有效的輸出。

4. 設計機械和工業部件

“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組件。

機械設計遵循所有傳統原則，以實現完全合規的輸出。根據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：產品更小、組件更緊湊以及 PCB 布局的創建更復雜。如果產品提供無線連接，設計將會更加復雜。晶體時鐘、電源布線、地址或數據線等使 PCB 變得更加復雜。

要創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，都要記下它們的數量和規格。大多數原理圖設計軟件解決方案都填充在 BoM 中。

在聯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品的可行性。除了節省時間和精力之外，這還確保了開發過程快速而簡單。您可以在內部制作原型，也可以將其外包給熟練的開發機構。

8. 制造和裝配設計

也稱為 DFMA，它簡化了生產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品組裝步驟的數量。 

在開始流程之前，請咨詢生產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，就可以加大投入并生產 100-200 臺。執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模生產。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。

三個物聯網硬件構建模塊

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

1.數據采集模塊 

它專注于從“事物”或“物聯網資產”獲取物理信號，并將其轉換為計算機可以操縱的數字信號。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化為計算機中的數字信息以供使用。數據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量和類型以及測量的準確性。

2、數據處理模塊

這是處理從物聯網資產獲取的數據、在本地存儲數據、進行區域分析以及在邊緣執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據存儲量。

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。

為物聯網項目選擇最佳設計的方法：硬件設計指南

物聯網設備高度專業化且獨特。它們被設計為在利基環境中運行。當然，硬件選項也會反映物聯網設備的獨特性。那么，物聯網開發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，您的物聯網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，保持設備數據完整性和安全性也至關重要。安全參數適用于相關物聯網設備、您的通信網絡、移動和 Web 服務應用程序以及云。

2、電源參數

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

歸根結底，您希望您的物聯網設備能夠快速啟動并運行 - 沒有任何麻煩。它應該捕獲數據，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品。如果創建物聯網硬件設計很痛苦，那么這就是一個問題。

4. 連接要求

這是關于無線網絡的。您希望數字信號傳輸多遠？您希望傳輸多少數據量以及以什么速率？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據。

5. 數據收集、處理和存儲條件

連接到物聯網設備的傳感器數量、連接系統捕獲的數據的分辨率以及對收集的數據進行采樣的速率是數據處理的重要組成部分。設備上存儲的數據量取決于設備連接到上游傳輸數據的頻率。

總結

每個物聯網應用程序都是不同的。物聯網項目的硬件選擇（或開發）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）可以在開發過程的早期階段節省您的時間和金錢資源。