設計和建構物聯網硬體始終是一種享受。您可以與硬體設計人員合作，創建原型，由利益相關者運行它，並為您的物聯網環境開發實際的、有形的產品。

然而，這個過程需要什麼，關鍵考慮因素是什麼，以及在建立硬體之前應該考慮什麼？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。從工業設備和建築物到貨物運輸和管道，這些物聯網設備無所不在，可傳輸數據並監控設定指標。主要的物聯網設備範例包括管道中的壓力感測器、插入牛群中牛皮下的微型晶片以及冰箱軌道車內的溫度感測器。

硬體和軟體組件都是透過標準設計協定針對物聯網應用而設計的，並最終與通訊網路整合。Arduino Uno和Raspberry Pi等流行平台可實現快速原型設計，而無需涉及大量客製化開發，從而加快了實施物聯網配置所需的時間。

您會看到，設計需要確定效能要求、必要的硬體和軟體，然後是在考慮環境和要在其中使用的應用程式後確定的元件規格。

物聯網專案的硬體設計

在硬體設計中，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資料規格細節，並確保其符合最終目標。

在設計物聯網專案的硬體之前，請確保您的團隊已掌握以下問題的所有答案：

• 必須測量哪些物理訊號？
• 感測器應該直接連接到雲端還是透過網關設備連接到雲端？
• 我們應該多久收集一次訊號，以及透過網路交換資料的速度應該要多快？

圍繞物聯網硬體設計的服務

無論您為物聯網硬體設計專案指定誰，都應該具備開發與您的核心功能一致的硬體的能力和經驗，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整合到現有技術堆疊相關的所有挑戰，以實現無縫性能和完整的客製化物聯網硬體設計：

1. 邊緣運算

在物聯網設備上部署邊緣運算而不是傳統雲端運算，以實現更低的延遲率和更快的卸載時間。透過即時處理資料來管理存取點並節省儲存空間，而不是在雲端中收集所有資料以供稍後分析。

2. 快速原型製作

建立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體創意是否有效，還是只是審查商業案例，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 列印外殼、儀表板和分析。

3. 韌體開發

建構物聯網硬體設備只是難題的一小部分。如果您擁有基於IoT 韌體設計、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。取得板支援包、設備驅動程式、網路連接和電源管理，以實現互聯的物聯網設備。

Arduino Uno 和Raspberry Pi 2 的概念

IoT 硬體包括一系列設備，例如橋接器、感測器、路由器等，它們負責關鍵任務，例如係統啟動、支援特定目標的偵測以及設備安全和通訊。

如前所述，物聯網硬體組件多種多樣，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機板的較小板- 從而產生了光和熱感測器、GPS 等特定功能和互動式顯示器。Arduino Uno 是一個開源設備平台，可協助創建相容的開發板和工具。

不同官方Arduino 型號以及數十種第三方相容板之間的設備功能各不相同。此硬體可讓物聯網開發人員使用Python、JavaScript 和Lua 進行程式設計。建構在Arduino 相容微控制器上運行的軟體的標準方法是使用C++、C 和Arduino IDE。

當您實現低階硬體功能（例如深度睡眠模式或從物聯網連接裝置讀取資料）時，您可能需要依賴特定於裝置的程式庫來讓您的無線裝置變得便攜。Arduino Uno 是一款支援藍牙和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 運作。Raspberry Pi 2 在記憶體、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後相容性。

它也適用於多種作業系統，使用標準鍵盤和滑鼠，並支援Python、Java 和Node.js 套件。它具有雙頻無線LAN、藍牙、WiFi 和乙太網路連接。Raspberry Pi 2 用於配置數位媒體系統和監視攝影機。

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

硬體開發過程的十個階段

為物聯網應用建立硬體系統本身就是一項艱鉅的任務。儘管物聯網產品由軟體、韌體和硬體組件組成，但80% 的成本和開發麻煩來自於後者。

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. 進行產品研究並組成團隊

首先，您要建造的是什麼？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。要建立最小可行產品（MVP），除了列出基本產品功能和擴充功能之外，您還必須清楚地詳細說明開發優先順序。

您在團隊成員中集思廣益並與目標受眾交談得越多，您對硬體開發的了解就越清晰。徹底研究並在數據表中寫下您的用例。在此階段新增QA 資源，以確定建置IoT 硬體設備的測試案例的可能性。

2. 制定初步的硬體設計

這對於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。 

微控制器是任何與感測器、儲存晶片、顯示器等同步的硬體產品的核心組件。因此，選擇微控制器，然後為硬體開發過程選擇其他相關元件。

3. 設計原理圖電路圖

電路原理圖主要專注於產品的高級功能，該圖使您能夠考慮最微小的細節和組件，例如感測器、微晶片和電阻器。

任何不匹配的引腳編號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。為每個模組建立一個獨立的子電路，以便在硬體中實現更有效的輸出。

4. 設計機械和工業部件

「電腦輔助設計和繪圖」或CAD 是一種支援設計和技術文件的技術，以自動化流程取代手動繪圖。它用於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。根據您要設計的硬體類型和預算，選擇CAD 工具。接下來，概述所有設計活動，包括每個設計背後的目的。目標是確定所有組件的硬體設計的價值、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 佈局的創建更複雜。如果產品提供無線連接，設計將會更加複雜。晶體時鐘、電源佈線、位址或數據線等使PCB 變得更加複雜。

若要建立所有電子元件的實體板，請利用驗證工具將原理圖與構思的PCB 流程相符。一些著名的名字包括Altium Designer、Solidworks PCB、PCB Artist 等。

6. 產生最終物料清單(BoM)

BoM 是所有要購買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體解決方案都填入BoM 中。

在聯繫供應商之前手動驗證文件。尋找可靠的第三方供應商至關重要，因為您不想採購有缺陷或品質不佳的組件。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

原型設計將您的硬體產品與有一天將上市的實際建造連接起來。這是至關重要的一步，因為這有助於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且簡單。您可以在內部製作原型，也可以將其外包給熟練的開發機構。

8. 製造和組裝設計

也稱為DFMA，它簡化了生產複雜性並保持較低的總體成本。DFMA 有助於進行大批量製造並最大限度地減少產品組裝步驟的數量。 

在開始流程之前，請諮詢生產專家以獲取投入並分析每個組件以控制製造成本。遵循所有合法的製造流程並使用所有標準化零件以避免庫存複雜性。

9. 開始製造硬體

一旦你完成了你的家、完成了你的原型並獲得了利益相關者的批准，就可以開始製作硬體了。確保您找到適合這項工作的可靠製造合作夥伴。

在此階段，您還需要識別並解決設計中的任何剩餘問題，以及修復組裝夾具和錯誤。此步驟需要最長的時間才能完成。

10. 進行製程驗證審查

一旦您在前一階段嘗試並測試了100 台的生產，就可以加大投入並生產100-200 台。執行多個建置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並解決所有問題。

三個物聯網硬體建構模組

由於物聯網應用過多，不可能通用化硬體架構。但是，這不應該阻止您遵循框架。每個物聯網應用程式都包含三個標準「構建塊」：

1.數據採集模組

它專注於從「事物」或「物聯網資產」獲取實體訊號，並將其轉換為電腦可以操縱的數位訊號。此硬體組件包括不同類型的感測器，例如運動、振動、溫度、光等。

從感測器接收到的訊號被轉換為電腦中的數位資訊以供使用。資料採集模型需要重點考慮的關鍵因素包括需要測量的感測器的數量和類型以及測量的準確性。

2.資料處理模組

這是處理從物聯網資產獲取的資料、在本地儲存資料、進行區域分析以及在邊緣執行任何其他電腦操作的「電腦」。這種安排並不要求您是電腦體系結構的專家。

您的角色應該是了解整體產品目標並提出正確的問題來幫助指導您的團隊。此模組的主要考慮因素是處理能力和本地資料儲存量。

您在此處所做的決策應與功能、效能、設備尺寸、生命週期等直接相關。

3.通訊模組

這是指能夠與雲端解決方案進行通訊的電路。該模型可能包括CAN、USB 和Modbus 等通訊連接埠以及用於無線通訊的無線電技術，包括LoRA、3G、5G、ZigBee 和WiFi。

通訊模組與其他模組包含在同一設備中，也可以是專門用於通訊的單獨設備。

為物聯網專案選擇最佳設計的方法：硬體設計指南

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作。當然，硬體選項也會反映物聯網設備的獨特性。那麼，物聯網開發過程中主要的硬體需求有哪些呢？必須記住哪些重點？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，保持設備資料完整性和安全性也至關重要。安全參數適用於相關物聯網設備、您的通訊網路、行動和Web 服務應用程式以及雲端。

2. 電源參數

考慮您的裝置是否需要硬連線供電，或是否需要攜帶式電源（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，請了解多久充電一次。

3. 易於開發

歸根結底，您希望您的物聯網設備能夠快速啟動並運行- 沒有任何麻煩。它應該捕獲數據，與雲端上的其他連接設備進行通信，並成為最終客戶使用的最佳產品。如果創建物聯網硬體設計很痛苦，那麼這就是一個問題。

4. 連接要求

這是關於無線網路的。您希望數位訊號傳輸多遠？您希望傳輸多少資料量以及以什麼速率？考慮“容錯”選項。您的硬體可能需要升級才能更靈活地重新連接資料。

5. 資料收集、處理和儲存條件

連接到物聯網設備的感測器數量、連接系統捕獲的數據的分辨率以及對收集的數據進行採樣的速率是數據處理的重要組成部分。設備上儲存的資料量取決於設備連接到上游傳輸資料的頻率。

總結

每個物聯網應用程式都是不同的。物聯網專案的硬體選擇（或開發）不存在「一刀切」的方法。因此，採用基於標準的商品硬體（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。