IoT e PCB: l’interconnesione aziendale lancia la sfida ai progettisti di PCB nel 2020

L’IoT aziendale è diventata una delle più grandi parole d'ordine del settore tecnologico nel 2019, con molti analisti che promettono miglioramenti in termini di efficienza e redditività semplicemente collegando tutto in ufficio. Con il passare del tempo, diventa evidente quali problemi possono essere risolti collegando i beni aziendali e vengono identificate le opportunità pratiche per l'innovazione e la soluzione dei problemi. Direi che stiamo iniziando ad allontanarci dall'approccio all'internet degli anni '90 e stiamo entrando in un decennio in cui le applicazioni utili possono essere ampiamente commercializzate, e questo richiede soluzioni IoT per il PCB design

Le idee per implementare l'IoT nel PCB design a volte ignorano le sfide hardware e la fattibilità economica, promettendo al mondo dei benefici e ignorando i costi. Sul fronte del software, le grandi aziende sono impegnate a sviluppare l'architettura software necessaria per rendere queste applicazioni una realtà e, in ultima analisi, consentire agli sviluppatori di hardware embedded di creare prodotti innovativi per un ambiente IoT aziendale. Diamo un'occhiata ad alcune importanti opportunità in questo settore e analizziamo le sfide hardware derivanti dalle soluzioni IoT che vengono proposte.

Tre sfide di progettazione dell’IoT per PCB

L'elenco delle idee per le applicazioni IoT aziendali è lungo, ma tutte presentano una serie di problemi comuni quando si tratta di coniugare IoT e PCB design. I progettisti dovranno affrontare sfide in una o più delle seguenti aree:

Protocolli wireless multipli

A meno che non si preveda di collegare tutte le risorse aziendali con un cavo a doppino intrecciato, sarà necessario scegliere un protocollo wireless per la comunicazione. Qual è la soluzione migliore per i dispositivi aziendali che useranno soluzioni IoT per PCB? Non è una domanda così semplice alla quale rispondere, soprattutto quando ci sono oltre una decina di possibili protocolli wireless da utilizzare per il networking. Tutti conoscono il Bluetooth e il WiFi, ma ci sono tanti altri protocolli wireless che variano per portata, velocità di trasmissione dati, frequenza e applicazione prevista. Per le applicazioni aziendali, per evitare interferenze, si preferiscono protocolli che operano in bande di frequenza autorizzate.

Probabilmente occorreranno più protocolli wireless per fornire una serie di opzioni di comunicazione e di configurazione. Le applicazioni a corto raggio e a velocità di trasmissione dati moderata, come il Bluetooth, probabilmente dovranno affiancarsi ad applicazioni a lungo raggio e a velocità di trasmissione dati inferiore, come LoRaWAN. Con il coinvolgimento delle aziende di telecomunicazioni nel mercato dell'IoT e dei PCB, i protocolli cellulari (NB-IoT e LTE-M) sono un'opzione utile per la trasmissione di piccoli blocchi di dati su lunghe distanze. Dai uno sguardo a questo articolo per ulteriori informazioni su quali protocolli IoT usare in un ambiente aziendale.

La piccola scheda ESP8266 di Espressif è uno strumento per la prototipazione di applicazioni IoT nel PCB design.

I progettisti di PCB devono essere pronti ad accogliere più frequenze wireless nelle loro schede insieme ai componenti digitali per fornire l'elaborazione dei dati e creando il perfetto legame tra IoT e PCB design. I produttori di smartphone hanno risolto molti problemi di layout e di spazio integrando il tutto in una serie di SoC/SiP, ma i progettisti di schede personalizzate non hanno queste possibilità. Presta attenzione alle migliori tecniche per isolare i blocchi di circuiti RF dai componenti digitali, pianifica i percorsi di ritorno e progetta uno stackup per accogliere questi elementi della progettazione di segnali misti.

Progettazione a bassa potenza per dispositivi mobili

Oggi la maggior parte delle applicazioni IoT aziendali non trasmette e non viene alimentata su rame. I progettisti devono ridurre al minimo l'utilizzo di energia nei dispositivi mobili optando per componenti di potenza inferiore ed eliminando le funzioni non necessarie: questa è una delle sfide più importanti che legano le soluzioni IoT al PCB design. Per prolungare la durata, i progettisti possono prendere in considerazione l'aggiunta di alcune funzionalità di raccolta dell'energia (termoelettrica, RF, piezoelettrica o altri metodi) a un dispositivo.

Elaborazione dei dati Edge o elaborazione dei dati cloud

Si tratta di una decisione importante che stabilirà il livello di potenza di elaborazione integrata e di memoria da collocare nel dispositivo. Se il dispositivo raccoglie semplicemente i dati dei sensori e li carica su una stazione base, allora non ti servirà altro che un microcontrollore o di un piccolo FPGA. Invece, se il dispositivo aziendale deve eseguire una previsione o una classificazione sul campo in tempo reale, allora dovrai inserire un’elevata potenza di elaborazione nel dispositivo embedded. Inoltre occorrerà ridimensionare la memoria in base alla quantità di dati memorizzati o elaborati. Le applicazioni con immagini e video ad alta risoluzione richiedono maggiore memoria rispetto ai dati dei sensori. Questa è una delle tante sfide lanciate dalle soluzioni IoT al PCB design.

Questa Applicazione IoT aziendale di segmentazione delle immagini e di tracciamento dei flussi video richiede un'elevata potenza di elaborazione e una memoria integrata, una sfida che i progettisti dovranno affrontare per trovare soluzioni IoT nel PCB design.

In realtà, si scontra con il punto precedente, poiché questi tipi di algoritmi ML/AI consumano molta energia nell'hardware moderno. Tuttavia, le startup di circuiti integrati stanno introducendo soluzioni IoT per PCb come i nuovi ASIC e SoC progettati per eseguire compiti di calcolo AI a bassa potenza, consumando così meno energia. Una volta commercializzati, i progettisti avranno a disposizione più strumenti in grado di fornire funzioni AI dedicate direttamente sui loro dispositivi, piuttosto che affidarsi al cloud per pesanti compiti di calcolo.

Formati dati uniformi

Se lavori su un protocollo standard TCP/UDP, i formati dei pacchetti sono già rigorosamente definiti e i formati dei dati sono incorporati nelle immagini del sistema operativo. In base all'applicazione, sarà necessario applicare un nuovo formato dati unificato. In settori come quello inustriale, l'IoT ed il PCB design devono seguire gli standard IPC-CFX, che richiedono un formato dati uniforme per la comunicazione tra le macchine dell'impianto (questo standard può certamente essere applicato ovunque). Questo particolare standard è adattabile a più protocolli, il che lo rende una struttura di messaggistica piuttosto che un nuovo standard wireless.

Opportunità IoT aziendale per gli sviluppatori embedded

L'implementazione di una visione aziendale dell'IoT riguarda tanto il software quanto l'hardware. Le soluzioni IoT richiede che tutti i dispositivi IoT sianoo sistemi embedded efficienti con diversi livelli di complessità. Qualsiasi delle aree di applicazione presentate sopra richiederà un certo livello di ingegneria del software, sia all'interno che all'esterno di un nuovo dispositivo.

Aree di applicazione come l'AI per l'esperienza del cliente, il tracciamento degli asset e l'analisi predittiva hanno già visto una notevole innovazione all'interno della comunità di sviluppo software open source. Esempi di applicazioni personalizzate e codice già abbondano per una serie di applicazioni desktop, web e cloud. Se una di queste applicazioni deve essere trasferita sull’edge in un ambiente IoT aziendale, il codice di queste applicazioni dovrà essere adattato per funzionare su dispositivi embedded, applicando soluzioni IoT al PCB design. Anche i servizi di supporto in esecuzione su una rete privata, in un cloud aziendale privato o in un cloud pubblico dovranno essere adattati per ricevere ed elaborare i dati dai dispositivi embedded.

I dati fluiscono in un’architettura IoT aziendale e nei dispositivi prodotti con l’applicazione di soluzioni IoT al PCB design

Gli sviluppatori di API saranno determinanti nel rendere questa interfaccia tra dispositivi periferici, una rete aziendale e partner esterni una realtà. Come per gli asset di produzione connessi in un ambiente IoT industriale, l'esecuzione di tutto attraverso richieste HTTP con dati JSON fornisce un'eccellente soluzione IoT per i PCB, creando una struttura per collegare rapidamente dispositivi periferici personalizzati alle reti aziendali. Ogni sviluppatore di software che conosco ha esperienza di lavoro con le strutture dati JSON. Questo tipo di standardizzazione permetterà a tutti, dagli sviluppatori esperti ai nuovi imprenditori, di partecipare allo sviluppo dell'IoT aziendale.

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