Enterprise IoT a PCB. Nowe wyzwania dla projektantów w 2020 r.

Zachariah Peterson
|  Created: April 2, 2020  |  Updated: March 11, 2021
Urządzenia IoT to idealne rozwiązanie dla nowoczesnych firm.

Określenie „Enterprise IoT” stało się jednym z najbardziej popularnych terminów technicznych 2019 roku. Wielu analityków obiecywało większą wydajność i zyskowność przedsiębiorstw dzięki połączeniu wszystkich urządzeń w biurze. W miarę upływu czasu prawdziwe problemy, które można rozwiązać poprzez połączenie ze sobą zasobów firmy, zaczynają stawać się oczywiste i znajduje się praktyczne możliwości innowacji i rozwiązywania problemów. Moim zdaniem zaczynamy odchodzić od modelu enterprise IoT rodem z lat 90 XX wieku i wchodzimy w dekadę, w której praktyczne zastosowania zostaną wykorzystane komercyjnie na szeroką skalę.

Pomysły na wdrażanie enterprise IoT ignorują czasem wyzwania sprzętowe jak również możliwości ekonomiczne, obiecując całą masę korzyści, zapominając jednak o kosztach. Jeśli zaś chodzi o oprogramowanie, to największe firmy pracują intensywnie nad architekturą oprogramowania konieczną do powstania tych aplikacji, umożliwiając programistom od sprzętu w systemach wbudowanych stworzenie nowych, innowacyjnych produktów dla środowiska enterprise IoT. Przyjrzyjmy się kilku ważnym możliwościom w tym obszarze oraz omówmy wyzwania sprzętowe dla urządzeń IoT.

Trzy wyzwania projektowe Enterprise IoT dla PCB

Lista pomysłów dotyczących zastosowań enterprise IoT jest długa, ale wszystkie one wiążą się z wyzwaniami stojącymi przed projektami PCB dla urządzeń IoT. Projektanci będą musieli stawić czoła wyzwaniom w poniższych obszarach.

Różne protokoły bezprzewodowe

O ile nie planujemy łączyć ze sobą wszystkich urządzeń biznesowych plątaniną kabli, trzeba będzie wybrać jakiś protokół bezprzewodowy do komunikacji między nimi. Który protokół jest najlepszy dla urządzeń IoT? Nie ma prostej odpowiedzi na to pytanie, zwłaszcza że istnieje kilkanaście protokołów bezprzewodowych, które można użyć do takich sieci. Wszyscy znamy Bluetooth oraz WiFi, ale jest jeszcze cała lista innych protokołów bezprzewodowych, które różnią się zasięgiem, ilością danych, częstotliwością i zastosowaniem. W przypadku zastosowań biznesowych preferowane są protokoły działające w licencjonowanych pasmach częstotliwości, żeby uniknąć zakłóceń.

Najprawdopodobniej konieczne będzie użycie różnych protokołów bezprzewodowych w celu zapewnienia całego szeregu możliwości komunikacji i konfiguracji. Potrzebne będą zastosowania o krótkim zasięgu i umiarkowanej ilości danych, takie jak Bluetooth, jak również te o dłuższym zasięgu i małej ilości danych, takie jak LoRaWAN. Ponieważ firmy telekomunikacyjne zaczęły interesować się rynkiem enterprise IoT, mobilne protokoły IoT (NB-IoT oraz LTE-M) są już praktyczną opcją transmisji małych ilości danych na większe odległości. W tym artykule znajdziesz więcej informacji na temat protokołów IoT, które mogą być używane w środowisku biznesowym.

ESP8266 board for enterprise IoT

Mała płytka ESP8266 firmy Espressif to jedno z narzędzi do prototypowania zastosowań  dla urządzeń IoT

Projektanci PCB muszą być przygotowani na korzystanie z różnych częstotliwości bezprzewodowych na swoich płytkach wraz z elementami cyfrowymi, aby zapewnić przetwarzanie danych. Producenci smartfonów rozwiązali wiele problemów związanych z układem i brakiem miejsca na płytce poprzez integrację wszystkiego na różnych SoC/SiP, jednak projektanci płytek na zamówienie nie mają takiego luksusu. Konieczne będzie zwrócenie uwagi na najlepsze praktyki dotyczące izolowania bloków obwodów RF od elementów cyfrowych, planowania kanałów zwrotnych i projektowania stosów, które uwzględnią te aspekty projektowania różnych sygnałów.

Projekty o małej mocy dla urządzeń mobilnych

Tak jak większość urządzeń IoT nie będzie komunikowała się po miedzi, tak samo nie będą one prawdopodobnie zasilane po miedzi. Projektanci muszą zminimalizować zużycie energii elektrycznej w urządzeniach przenośnych, wybierając elementy o małej mocy oraz rezygnując ze zbędnych funkcji. Aby wydłużyć okres ich trwałości, projektanci mogą rozważyć wykorzystanie w ich urządzeniach niektórych form pozyskiwania energii (termoelektryczne, RF, piezoelektryczne i inne metody).

Przetwarzanie danych u źródła a przetwarzanie danych w chmurze

Ta kluczowa decyzja zaważy na tym, ile mocy przeliczeniowej i pamięci będzie trzeba wbudować w dane urządzenie. Jeśli twoje urządzenie zbiera tylko dane z czujników i przesyła je do stacji bazowej, to wystarczy zastosować mikrokontroler lub mały FPGA. Jeśli zaś twoje urządzenie będzie musiało dokonywać przewidywania lub klasyfikowania w terenie w czasie rzeczywistym, konieczne będzie wyposażenie go w dużą moc przeliczeniową. Będzie ono także wymagało większej pamięci w zależności od ilości przetwarzanych lub przechowywanych danych, gdyż aplikacje wykorzystujące obrazy i filmy o dużej rozdzielczości potrzebują dużo więcej pamięci niż czujniki.

Image detection and tracking in enterprise IoT

Urządzenia  IoT dokonujące segmentacji obrazów oraz śledzenia obiektów w filmach strumieniowych wymagają wbudowania dużej mocy przeliczeniowej i pamięci.

Zaprzecza to poprzedniemu punktowi, ponieważ te rodzaje algorytmów ML/AI pochłaniają ogromne ilości energii w sprzęcie. Mimo to startupy IC tworzą nowe ASIC i SoC, które mogą być dedykowane specjalnie dla zadań przeliczeniowych AI o niskiej mocy, pobierając przy tym niewiele energii. Gdy te nowe urządzenia zostaną już wprowadzone na rynek, projektanci będą mieli więcej narzędzi do tworzenia dedykowanych funkcji AI bezpośrednio na swoich urządzeniach zamiast polegać na chmurze w kwestii wykonania tych skomplikowanych obliczeń.

Jednolite formaty danych

Jeśli pracujesz ze standardowym protokołem TCP/UDP, formaty pakietów już są sztywno zdefiniowane, zaś formaty danych wbudowane są w obrazy OS. Zależnie od zastosowania konieczne może być uzgodnienie nowego, jednolitego formatu danych. W takich obszarach jak przemysłowe IoT standardy IPC-CFX korzystają z jednolitego formatu danych do komunikacji między maszynami w fabryce. Na pewno można zastosować takie standardy także w innych obszarach. Ten konkretny standard można adaptować do różnych protokołów, przez co działa on bardziej jak struktura do wysyłania wiadomości niż nowy standard komunikacji bezprzewodowej.

Możliwości Enterprise IoT dla projektantów systemów wbudowanych

We wdrażaniu wizji enterprise IoT chodzi w równej mierze o oprogramowanie, co o sam sprzęt. Wszystkie urządzenia IoT są tak naprawdę systemami wbudowanymi o różnym stopniu złożoności. Wszystkie przedstawione powyżej obszary zastosowań IoT wymagają jakiejś inżynierii oprogramowania, zarówno na nowym urządzeniu jak i poza nim.

Zastosowania takie jak AI dla satysfakcji klientów, śledzenia zasobów czy analiz prognostycznych już doczekały się znaczących innowacji wśród społeczności programistów zajmujących się oprogramowaniem open source. Dostępne są już przykładowe kody i aplikacje na zamówienie dla wielu różnych zastosowań sprzętowych, sieciowych oraz w chmurze. Jeśli którekolwiek z tych zastosowań przeniosą się bliżej źródła w środowisku enterprise IoT, trzeba będzie zaadaptować kod dla tych aplikacji, tak aby działał na urządzeniach z systemem wbudowanym. Usługi wsparcia działające w prywatnych sieciach, prywatnych chmurach firmowych lub w chmurze publicznej również trzeba będzie dostosować, tak aby mogły odbierać i przetwarzać dane z urządzeń z systemami wbudowanymi.

Przepływy danych w architekturze enterprise IoT. PCB ma wiele zastosowań, w tym do urządzeń IoT. 

Deweloperzy API odegrają kluczową rolę we wdrażaniu interfejsu między urządzeniami, sieciami przedsiębiorstw i zewnętrznymi interesariuszami. Podobnie jak w przypadku połączonych zasobów produkcyjnych w przemysłowym środowisku IoT, obsługiwanie wszystkiego za pomocą zapytań HTTP z danymi JSON zapewnia doskonałe ramy do szybkiego połączenia spersonalizowanych urządzeń Edge z sieciami firmowymi. Każdy programista, jakiego znam, posiada doświadczenie w pracy ze strukturami danych JSON. Ten rodzaj standaryzacji pozwoli wszystkim, od doświadczonych programistów po nowych przedsiębiorców, uczestniczyć w rozwijaniu urządzeń  IoT.

Narzędzia do projektowania schematów, układów płytek drukowanych i ponownego wykorzystywania już gotowych projektów dostępne w programie Altium Designer®stworzono po to, aby pomóc ci w projektowaniu płytek do dowolnych zastosowań, w tym do urządzeń enterprise IoT. Narzędzia te torują nowe drogi w branży EDA. Dzięki nimi możesz projektować kompaktowe płytki do potężnych urządzeń IoT, zarządzać swoimi danymi projektowymi oraz przygotować swój nowy produkt enterprise IoT do produkcji na masową skalę.

Pobierz bezpłatną wersję próbną oprogramowania Altium Designer i dowiedz się więcej o najlepszych w branży narzędziach do rozmieszczania podzespołów, symulacji oraz planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium, aby dowiedzieć się więcej.

About Author

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University. He conducted his Physics M.S. research on chemisorptive gas sensors and his Applied Physics Ph.D. research on random laser theory and stability.His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental systems, and financial analytics. His work has been published in several peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written hundreds of technical blogs on PCB design for a number of companies. Zachariah works with other companies in the PCB industry providing design and research services. He is a member of IEEE Photonics Society and the American Physical Society.

Recent Articles

Back to Home