ТОП-10 фактов об интернете вещей, которые нужно знать разработчику электроники

Интернет вещей (IoT) уже здесь, он огромен, и будет становиться все масштабнее с течением времени. Создание IoT считается четвертой промышленной революцией. И если все исследования и предположения компании Gartner верны, то уже к 2020 году, по меньшей мере, 26 миллиардов устройств будет подключены к интернету. Все это здорово, но когда ты инженер – конструктор, то понимаешь, насколько далек от всех этих разговоров о будущем. В конце концов, какая именно роль нам отведена в этих модных маркетинговых определениях – «умные дома», «умные автомобили» и «умные города»?

Варианты применения технологии интернет вещей (картинка сверху)

Как оказалось, довольно большая. Разработчикам печатных плат во всем мире, вероятно, приходится труднее всего, когда речь заходит о IoT, ведь им необходимо вмещать весь этот расширенный функционал в корпус, который продолжает уменьшаться. Итак, мы перешли к практическим нюансам мира IoT, и хотим рассказать вам о 10 фактах, которые необходимо знать каждому разработчику печатных плат для того, чтобы стать успешным в мире, где все будет связано между собой.

№1 - Вы будете бороться за каждый сантиметр на вашем макете

Прошли те времена, когда у вас было изобилие свободного пространства для размещения всех дорожек, компонентов и переходных отверстий. Благодаря интернету вещей вам нужно будет вместить огромный функционал во что-то, что вы сможете носить на своем теле, одежде или даже внутри себя.

Возьмем, к примеру, Apple Watch. Модель из алюминия имеет размеры 38,6 мм х 33,3 мм, ее толщина равна 11,4, а вес всего 28,2 г. Снаружи это устройство выглядит отлично, но и внутри оно имеет большие возможности. Мы имеем светодиодный дисплей, память, микроконтроллер SoC, множество сенсоров, чип Bluetooth и объемный аккумулятор. И в итоге мы получаем функционал, который вписывается в размер смартфона, только теперь мы носим его на запястье.

Посмотри на все, что им удалось запихнуть в Apple Watch,

это сумасшествие! (картинка сверху)

Вы можете быть уверены в том, что инженеры Apple боролись за каждый сантиметр пространства на плате, и будьте уверены, что вам предстоит то же самое. Вам нужно будет размещать такие элементы, как дисплеи, камеры, микрофоны, сенсоры, зарядные порты и т. д. И все это в корпусе, который, кажется, становится меньше с каждым годом. Чтобы достичь всей этой компактной функциональности и гибкости, вы, скорее всего, окажетесь на совершенно новом уровне проектирования, включающем гибко-жесткие (Rigid-Flex) печатные платы, а также печатные платы с высокой плотностью трассировки на единицу площади (High Density Interconnect, HDI).

Технология печатных плат HDI прекрасна, поскольку она позволяет более плотное размещение компонентов, а также использование глухих, скрытых и микро переходных отверстий в целях экономии пространства. Что касается гибко-жестких печатных плат, то перед вами все преимущества изгибов и скручиваний, что помогает расположить сразу несколько печатных плат даже в самый маленький корпус. Все идет к тому, что просто «достаточно хорошие» печатные платы больше не будут приниматься рынком.

№2 - Вам придется познакомиться с новыми технологиями монтажа

Попрощайтесь с традиционным сквозным и поверхностным монтажом компонентов печатной платы. Для современных IoT устройств применяются новые технологии, для того, чтобы они выглядели тонкими и изящными, например:

• Многокристальные (многочиповые) модули (Multi-Chip Modules (MCM), которые помогают сохранять тонкие форм-факторы, соединяя несколько интегральных схем на одной пластине.

• «Система в пакете» (System-in-Package (SiP), облегчающая интеграцию цифровых логических, моделирующих и радиочастотных систем в один чип.

• Трехмерная интегральная схема (Three-Dimensional ICs (3D-IC), позволяющая размещать несколько кремниевых схем вместе вертикально для того, чтобы все они действовали как единое устройство и обеспечивали сниженное энергопотребления и занимали меньшую площадь.

У этого MCM модуля четыре микросхемы и все на одной пластине! (картинка сверху)

№3 - Вы будете проектировать весь продукт, а не только печатную плату

Мы все, вероятно, привыкли к процессу разработки традиционной печатной платы и последующей передаче ее инженеру-механику для проверки соответствия. Но в мире IoT все иначе. При меньших форм-факторах действительно важно, чтобы все заинтересованные стороны были вместе в самом начале процесса проектирования. Все для того, чтобы были гарантии, что функционал, форма и бизнес-потребности гармонично сойдутся вместе.

Будьте готовы увидеть свою печатную плату, как часть полноценного

продукта в эпоху IoT. (картинка сверху)

Что значит это для разработчика печатных плат? Прежде чем погрузиться в детали схемы, вам придется сделать больше виртуальных моделей для оценки размеров печатной платы, общего веса продукта и расположения платы в корпусе. Этот способ виртуального моделирования позволяет сосредоточиться на всех аспектах процесса разработки электроники, включая 2D-макет, 3D моделирование физических размеров, а также составление спецификации обязательных материалов, до момента расположения дорожек и компонентов.

№4 - Вы станете лучшими друзьями с вашим инженером-механиком

Помимо виртуального моделирования и процесса планирования продукта, вы должны быть готовы к тому, что потратите некоторое время, общаясь с вашим инженером-механиком. Вполне вероятно, что когда интернет вещей войдет в полную силу, вы и ваша команда механиков будете разрабатывать свой продукт вместе. Больше никаких сборочных линий.

Подожди, Стив (соучредитель компании Apple), это не

твой MCAD-дизайнер! (картинка сверху)

Это означает, что на каждом этапе проектирования, изменений и модификаций механической сборки и печатной платы идет распределение между направлениями в режиме реального времени. Ушли в прошлое дни, когда процесс импорта/экспорта осуществлялся для обмена моделями компонентов и контурами плат только для того, чтобы провести базовую проверку. Вместо этого вы познакомитесь с электронными системами автоматизированного (ECAD) и механического проектирования (MCAD), которые объединяют инженеров и их данные в одном месте, в одном инструменте.

Это действительно вызывает некоторые опасения, в частности, для отрасли ECAD. Существует множество инструментов проектирования печатных плат, которые действительно плохо работают вместе, что и говорить о программном обеспечении MCAD. С каждым инструментом, использующим свой собственный фирменный формат файлов и структуру данных, нам предстоит пройти долгий путь для того, чтобы инженеры-электрики оказались с нами на одной волне, не говоря уже о механике.

№5 - Вы также станете лучшими друзьями с инструментами повторного использования проектов

Если вы считаете, что сейчас у вас есть время для того, чтобы изобретать колесо, просто подождите, пока вы не начнете проектировать устройства IoT. Вместо того чтобы фокусироваться на реконструкции основных схем, вы начнете видеть движение в сфере разработки электроники в направлении стандартизации. Причина этого - эффективность и надежность. Намного проще повторно использовать блоки схем, полностью смоделированных и доказавших свою работоспособность в реальных условиях. И вам не нужно будет снова и снова разрабатывать один и тот же блок схемы или макета. Традиционный процесс схематического проектирования станет модульным проектированием.

Нет необходимости переделывать одну и ту же схему, просто используйте модульные конструктивные блоки. (картинка сверху)

По мере того, как процесс проектирования начинает переходить в IoT, ожидайте, что вы начнете сохранять и повторно использовать модульные схемы, списки деталей и, конечно же, части вашего макета, которые оказались успешными в проектах деталей. Вы используете модульный дизайн блоков, верно!?

№6 - Вероятно, вы будете работать с новыми материалами

Время, когда вы полагались на традиционный FR4 (стеклотекстолит класса огнестойкости 94V-0) для изготовления печатных плат прямоугольной формы, возможно, подходит к концу. В эпоху интернета вещей схемы должны быть гибкими, и кроме того, их необходимо встраивать в другие материалы. Из-за этого, вероятно, вам придется отойти от привычного FR4 в IoT проектах и перейти к новым материалам, таким как пластик, гибко-жесткая медь и даже сетка.

Платы станут намного более гибкими для удовлетворения

потребностей IoT. (картинка сверху)

Для этого потребуется помощь специалистов в сфере разработки и производства, которые знают лучший способ проектирования и работы с альтернативами FR4. Если вы понимаете, что работаете над приложением IoT, для которого требуются новые материалы, обязательно сначала расскажите об этом своему руководству. Если же рядом никого нет, чтобы помочь вам, то задумайтесь о том, чтобы обратиться в исследовательские центры, предмет изучения которых «умная одежда» и интернет вещей, они смогут удовлетворить вашу потребность в информации:

• Holst Centre. Это независимый научно-исследовательский центр, занимающийся разработкой технологий беспроводных автономных датчиков и гибкой электроники.

• Университет Сассекса. Центр технологических исследований университета специализируется на магнитных сенсорных технологиях, носимых устройствах, гибкой/растяжимой электронике и многом другом.

• Wearable Technologies. Эта компания ваш основной источник информации о носимых устройствах, предлагающая различные консультационные услуги, а также услуги тестирования гибких схем.

№7 – Вам нужно будет тщательно планировать энергопотребление

Маловероятно, что продукт IoT, который вы разрабатываете, будет иметь специальный источник подключаемого питания. Большинство из этих устройств полагаются на батареи и возможности сбора энергии для поддержания работы в течение дня. Поэтому у вас возникнет желание спроектировать свой продукт IoT с акцентом на эффективное энергопотребление.

При планировании расхода энергии для вашего IoT продукта вы можете разработать стратегию ее использования в соответствии с определенным запасом. Каждому функциональному блоку схемы печатной платы может быть предоставлен свой собственный запас мощности, что даст вам гораздо больше возможностей для маневра, чем обычный учет энергопотребления для всего продукта. Вы также можете обсудить проблемы повышенного энергопотребления с поставщиком комплектующих.

МегаФон запустил сеть для "Интернета вещей" нового поколения — Cat-NB2.

(картинка сверху)

Возможно, ваш поставщик сможет найти альтернативные варианты, которые помогут держать продукт в пределах установленного запаса мощности. Как только вы полностью распланируете энергопотребление вашего продукта, проверьте и протестируйте состояние питания печатной платы, когда она циклически выполняет различные задачи. Будьте готовы провести проверку функций передачи, режима ожидания, Rx/TX (получения/отправления) и т. д. и посмотреть, как их выполнение влияет на расход батареи.

№8 - Вы будете работать с множеством беспроводных модулей и протоколов

Беспроводное подключение - это основа любого IoT продукта, позволяющая устройству считывать окружающую среду, собирать данные и отправлять их в облако для интерпретации. Все это стало возможным благодаря разнообразию беспроводных модулей и радиочастотных схем, но как, же найти пространство для всего?

В наши дни существует огромное количество готовых модулей и радиочастотных компонентов, предназначенных для IoT устройств и носимых гаджетов. Они занимают не большое пространство, но при этом включают в себя весь необходимый функционал.

То, какой беспроводной модуль и протокол вы решите использовать для вашей печатной платы, в конечном счете, будет зависеть от нескольких факторов, включая необходимый радиус действия, скорость передачи данных, требования безопасности и энергопотребление. Скорее всего, вы будете использовать один или несколько данных протоколов для того, чтобы выполнить свою работу:

• Инфраструктура - 6LowPAN, IPv4/IPv6, RPL

• Идентификация - EPC, uCode, IPv6, URIs

• Связь и транспорт - WiFi, Bluetooth, LP WAN

• Обнаружение - Physical Web, mDNS, DNS-SD

• Данные - MQTT, CoAP, AMQP, Websocket, Node

• Управление устройством - TR-069, OMA-DM

Низкая стоимость, сверхнизкая мощность устройства будет

нормой для подключенного мира. ( картинка сверху)

Как вы можете догадываться, этот список далеко не исчерпывающий. Существует множество других протоколов интернета вещей, часть из которых находятся в разработке, так как потребности нашего подключенного будущего постоянно меняются. Мы задаемся вопросом, будет ли когда-нибудь один беспроводной протокол для управления всем IoT? Скорее всего, нет. Поскольку каждое устройство имеет различную степень энергопотребления, радиус действия и передачу данных, вы, скорее всего, будете комбинировать, и подбирать протоколы и модули в зависимости от ваших требований.

№9 - Вам придется учитывать возможности человеческого тела

Вся сложность работы с человеческим организмом в том, что он имеет ограничения. Это означает проблемы сохранения устойчивого сигнала при передаче данных. Работаете над смарт-часами с радио антенной? Вам придется найти способ для переноса электромагнитных полей как можно дальше от тела. Это потребует от вас наличия специальных знаний, а также применение таких компонентов, как малошумящие усилители.

В дополнение к проблемам излучения, возникает вопрос повышенной влажности. Как мы все знаем, влага может полностью разрушить рабочую схему. И когда вы проектируете высокоимпедансные схемы для носимых устройств, вы должны помнить о том, что влага от тела, при контакте со схемой, может привести к необратимым последствиям, если все не будет правильно спланировано.

По мере того, как технологии будут все больше внедряться в наш организм, у нас будут некоторые биологические ограничения, о которых стоит беспокоиться.

(картинка сверху)

Если ваш инженер-механик сможет помочь и разработает корпус, который будет полностью герметичен для обеспечения устойчивости печатной платы к влажности, это отлично! Но если это невозможно, есть также вариант нанесения конформного покрытия на плату, которое предотвращает проникновение влаги в чувствительные компоненты.

№10 - Вы будете беспокоиться о безопасности больше, чем когда-либо

Одно дело - заменить перегоревший компонент сквозного монтажа на печатной плате, и совсем другое - сделать то же самое на IoT устройстве. Тот, кто носит смарт-часы на своем запястье или использует слуховой аппарат, просто не может испытывать подобных проблем с вашим продуктом. Оно просто должно работать, постоянно.

Как для разработчика печатных плат, это означает, что вам придется потратить гораздо больше времени, работая в таких программах моделирования, как PSpice, тщательно оптимизируя свой прототип для достижения идеальной производительности. Вам нужно будет уделить особенное внимание регулированию температурного режима. С многочисленными сенсорами, чувствительными компонентами и несколькими платами, расположенными в одном месте, проблема правильного охлаждения становится действительно значимой. Может ли изменение температуры повлиять на то, как будут функционировать компоненты? Это то, что вы захотите узнать.

Держишь управление теплом под контролем? Надеемся. (картинка сверху)

Это уже не привычный процесс проектирования печатных плат

Совершенно очевидно, что сферу проектирования электротоваров в будущем ожидают серьезные перемены, которые нужны для того, чтобы мы могли справиться с возрастающими потребностями мира IoT. И хотя все, чему вы научились за время работы с электротехникой или просто увлекаясь этой тематикой, будет применимо, вам придется столкнуться с гораздо большим количеством нюансов. Находится ли энергопотребление под контролем? Сколько тепла выделяет печатная плата? Какой протокол вы планируете использовать? На все эти вопросы, вам нужно будет найти ответы.

В эпоху интернета вещей работа инженеров будет полностью связана с эффективностью, надежностью и сотрудничеством. Вы больше не проектируете печатные платы, вы разрабатываете продукты. И это определенно не является типичным процессом разработки печатных плат.

Если вы разработали устройство и желаете разместить его в производство у надежного контрактного производителя, наша компания Сити Электроникс с радостью оценит стоимость вашего проекта всего за 24 часа.