Wstęp: IoT jest wszędzie

Projektowanie urządzeń elektronicznych wykorzystujących Internet Przedmiotów (IoT) nie jest już niczym niecodziennym, a staje się regułą. Technologia IoT nie tylko prowadzi do powstawania licznych nowych rodzajów produktów elektronicznych, ale też do zmiany sposobu myślenia o interakcji użytkowników z tradycyjnymi, nie-elektronicznymi produktami. Zarówno majsterkowicze, start-upy, jak i duże firmy wciąż wymyślają nowe rozwiązania i modyfikują istniejące produkty za sprawą możliwości, jakie daje IoT. Przykładami takich rozwiązań są nie tylko urządzenia monitorujące stan zdrowia (rys. 1), ale i termostaty (rys. 2). Możliwości na tym polu wydają się nieograniczone.

Rys. 1. Urządzenia ubieralne IoT

Rys. 2. Termostat z obsługą IoT

Wyobraź sobie, że pracujesz w biurze, gdy ktoś naciska dzwonek domofonu z kamerą wideo, który jest połączony za pośrednictwem sieci Wi-Fi z siecią domową w twoim domu. Twój smartfon odbiera powiadomienie o fakcie użycia dzwonka i natychmiast zestawia połączenie wideo z gościem. Wyobraź też sobie, że możesz rozmawiać z nim bezpośrednio i zaproponować pozostawienie paczki pod drzwiami. Wszystko to bez zdradzania, czy w ogóle znajdujesz się fizycznie w domu.

Patrząc na sprawę realistycznie, nie musisz jednak tego sobie wyobrażać – taka technologia jest dostępna już dziś.

Ekosystem urządzeń wykorzystujących IoT rozwija się coraz szybciej, łącząc przedmioty codziennego użytku, systemy i ludzi. Urządzenia IoT łączą się z użytkownikami, innymi urządzeniami, a  nawet komunikują z ich producentami. Dostępna jest wygodna możliwość wydawania poleceń głosowych – np. włączenia, wyłączenia i przyciemnienia światła bez wstawania z kanapy. Kontrola urządzeń IoT za pomocą prostych, intuicyjnych aplikacji pozwala komunikować się z produktami takimi, jak inteligentne urządzenia ubieralne, zamki do drzwi, termostaty, systemy rozrywki, a także z wieloma innymi.

Dla konsumentów urządzenia IoT wydają się proste i eleganckie, jednak w rzeczywistości składają się z wielu komponentów, fizycznych interfejsów, płytek drukowanych i sztywno-giętkich obwodów – wszystkie one stanowią wyzwanie dla projektantów.

Podstawowym celem projektantów jest zapewnienie, że produkty nie ulegną awarii ani nie spowodują nieoczekiwanych opóźnień i kosztów na skutek wysokiej awaryjności ani problemów powstających na etapie produkcji lub montażu. Nowoczesne produkty IoT wymagają środowiska do projektowania PCB zapewniającego bogatą funkcjonalność, symulację przed i po stworzeniem layoutu, ciągłej kontroli tego layoutu, weryfikacji i innych funkcji.

Niniejszy artykuł opisuje siedem zagadnień, które muszą być uwzględnione podczas projektowania płytki PCB dla urządzeń IoT.

1. Domeny projektów IoT

Rys. 3. Domeny projektów IoT

Analogowa (A) i cyfrowa (D) – przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) są stosowane w urządzeniach IoT do rejestracji, przetwarzania i transmisji praktycznie dowolnych sygnałów analogowych za pomocą mikroprocesora. Zamieniają one ciągły sygnał analogowy na skwantowany sygnał cyfrowy i pozwalają używać urządzeń elektronicznych jako interfejsu analogowego świata wokół nas.

MEMS – mikrosystemy elektromechaniczne. Są to miniaturowe czujniki i układy wykonawcze spotykane powszechnie w wielu współczesnych projektach IoT. Czujniki MEMS zbierają informacje o otoczeniu, natomiast układy wykonawcze wykonują otrzymane polecenia. Czujniki MEMS sprawiają między innymi, że monitory aktywności są w stanie liczyć kroki użytkownika, a smartfony – obracać obraz w zależności od pozycji ekranu. Są to kluczowe elementy urządzeń IoT.

Układy radiowe (RF) – Moduł radiowy łączy urządzenia IoT z chmurą za pośrednictwem Wi-Fi, Bluetooth lub autorskich protokołów. Zapewnienie łączności bezprzewodowej wymaga rozważenia potrzeb aplikacji, ograniczeń technologicznych oraz integracji warstwy sprzętowej i programowej. Aby uzyskać odpowiednie parametry połączenia bezprzewodowego, konieczne jest uwzględnienie poboru mocy urządzenia, zasięgu, dostępności i przepustowości.

2. Forma fizyczna urządzeń IoT

Projekty IoT mogą być dość złożone – obejmują płytkę PCB, oprogramowanie i komunikację sieciową. Podstawowym ograniczeniem wielu projektów urządzeń, szczególnie tych z interfejsem użytkownika, jest rozmiar. Jeśli monitor aktywności nie będzie lekki, wygodny, a nawet nie będzie modny, lub jeśli inteligentny zegarek okaże się zbyt masywny, a zamek do drzwi IoT nie będzie wyglądał estetycznie – taki produkt w ogóle nie wzbudzi zainteresowania.

Urządzenia IoT zazwyczaj powstają na dwa sposoby. Pierwszym sposobem jest przetestowanie, zaprojektowanie i udoskonalenia produktu w oparciu o prototyp. Gdy prototyp się sprawdzi, można oszacować popyt na rynku dla urządzenia mieszczącego się w przyjaznej dla użytkownika obudowie i spełniającego wymagania funkcjonalne w cenie atrakcyjnej dla konsumenta.

Drugi rodzaj procesu projektowego jest spotykany zwykle w firmach o długiej obecności na rynku. Na początku są określane wymagania fizyczne odnośnie projektu. Na przykład dla ubieralnego urządzenia IoT można określić rozmiary i wagę, które wpływają na finalną postać produktu, jego kształt i estetykę. Oznacza to, że jeśli fizyczne rozmiary produktu nie mogą być ergonomiczne bądź atrakcyjne dla konsumenta, taki produkt nie zostanie zrealizowany.