Jak wygląda projektowanie urządzeń IoT?

ELECTRONICS · DESIGN · CONSULTING

Urządzenia IoT (Internet of Things) to bardzo szeroka koncepcja wedle której urządzenia w konkretnej sieci komunikują się z użyciem określonych protokołów, w trakcie tej wymiany przekazywane są na przykład dane z różnego rodzaju czujników oraz sygnały pozwalające na uruchomienie urządzeń sterowanych przez sieć IoT. Najłatwiej dostępnymi urządzeniami Internetu rzeczy są produkty smart home, takie jak roboty sprzątające, inteligentne żarówki, oczyszczacze powietrza czy też pralki i lodówki. Nie są to jednak wszystkie zastosowania koncepcji IoT ponieważ bardzo często możemy spotkać się z tą koncepcją jadąc samochodem czy też sprawdzając jakość powietrza w konkretnym mieście bowiem IoT umożliwia udostępnianie danych na praktycznie każdy temat, zaczynając od analizy natężenia ruchu drogowego, przez aplikacje IoT badające skuteczność procesów produkcyjnych a kończąc na systemach inteligentnego domu.

Projektowanie urządzeń związanych z technologią IoT oraz IIoT (Industrial Internet of Things) przebiega często inaczej niż w przypadku produktów, które nie zakładają wykorzystania internetu rzeczy. Aby proces tworzenia produktu Iot był w pełni efektywny musimy określić wartości na podstawie których będzie tworzone nasze urządzenie. Urządzenia w technologii internetu rzeczy, które najczęściej projektujemy dla naszych klientów to najczęściej produkty, które mają spełniać dwa główne warunki - urządzenie ma być możliwie jak najmniejsze i ma być zoptymalizowane tak aby pracować możliwie jak najdłużej na jednym ładowaniu, skupmy się więc na takich projektach i omówmy kilka punktów, które mogą być istotne podczas planowania zastosowania technologii IoT.

Rozmiar urządzenia w technologii IoT

Wraz z postępem rozwoju elementów elektronicznych możemy uzyskać coraz mniejsze rozmiary naszych urządzeń, dodatkowo nowsze układy pozwalają nam na optymalizację zużycia energii dzięki czemu urządzenia mogą pracować dłużej przy zastosowaniu mniejszych i tańszych akumulatorów. Gdy rozpisujemy koncepcję urządzeń IoT, która mamy zamiar wdrożyć musimy zastanowić się nad tym jaki rozmiar urządzenia chcemy osiągnąć, w zależności od zastosowania możemy pozwolić sobie na różne warianty rozmiarowe. W przypadku tworzenia urządzenia nadzorującego procesy produkcyjne, w których internet rzeczy zwiększa dokładność pracy maszyn produkcyjnych możemy pozwolić sobie na stworzenie urządzenia o większych rozmiarach, dodatkowo zasilanego z sieci elektrycznej dzięki czemu ograniczymy koszty związane z miniaturyzacją oraz wymianą akumulatora po rozładowaniu. Jeśli jednak tworzymy urządzenia takie jak czujniki IoT badające jakość powietrza w miastach to z założenia musimy brać pod uwagę, że trudność projektowania takiego urządzenia będzie nieco większa ze względu na konieczną miniaturyzację i optymalizację pracy urządzenia pod zasilanie z akumulatora, który musi być wymieniany jak najrzadziej.

Warto pamiętać również, że urządzenie elektroniczne nie składa się tylko z układów scalonych, płytki PCB oraz akumulatora, najczęściej komplementarną i najbardziej narażoną na czynnik ludzki częścią urządzenia jest jego obudowa. W przypadku rozwiązań internetu rzeczy, które nie mają być widoczne dla człowieka zazwyczaj skupiamy się na cechach takich jak wodoodporność i łatwość w wymianie zasilania, jednak przemysłowy internet rzeczy charakteryzuje się nieco innymi wartościami - tutaj dodatkowo musimy zadbać o to aby urządzenie było prawidłowo zabezpieczone i nie uległo zniszczeniu. Cechy obudów dla urządzeń IoT często sprawiają, że do oczekiwanego wymiaru naszego urządzenia musimy dodać około 25% tolerancji - tak aby projektant wzornictwa przemysłowego miał odpowiednie pole do pracy i stworzenia urządzenia dostosowanego do wymaganych warunków. Aby zadbać o każdy aspekt wykonywanych prac w Device Prototype prowadzimy znaczne ilości testów naszych projektów, tak aby urządzenia wprowadzane przez klienta na rynek były dopasowane do jego potrzeb oraz wolne od zagrożeń związanych z możliwymi uszkodzeniami.

Przykładowa obudowa urządzenia IoT zaprojektowana dla jednego z naszych klientów

Internet rzeczy a technologie łączności

Myśląc o Internet of Things zazwyczaj myślimy w kontekście technologiach łączności bezprzewodowej, możemy śmiało przyjąć, że 99.9% urządzeń IoT komunikuje się z siecią tylko i wyłącznie bezprzewodowo. Łączność bezprzewodowa daje nam ogromne benefity związane z brakiem ograniczeń co do lokalizacji i infrastruktury sieciowej w miejscach wdrożenia naszych produktów. Obecnie urządzenia IoT korzystają najczęściej z łączności WIFI, BLE (Bluetooth Low Energy) oraz sieci komórkowe. Aby określić jakie technologie potrzebujemy wdrożyć do naszych urządzeń opierających się o ideę internetu rzeczy musimy zastanowić się w jakich dokładnie warunkach ma pracować nasz produkt. Jeśli zamierzamy wprowadzić inteligentne aplikacje IoT do fabryk naszych klientów, którzy mają rozwiniętą sieć WIFI na terenie całego obiektu to bez większego zastanowienia powinniśmy zrezygnować z innych technologii łączności bezprzewodowej - wygoda w zarządzaniu, łatwość aktualizacji oraz szybkie przesyłanie danych to największe z zalet.

W przypadku gdy nie mamy możliwości skorzystania z sieci WIFI ale urządzenie nie wymaga ciągłego przesyłania danych i monitorowania zasobów IoT możemy zastosować technologię BLE, w takim wypadku urządzenie będzie parować się z głównym hostem, który będzie zarządzać danymi wykorzystywanymi przez inteligentne aplikacje IoT lub z telefonem lub innym urządzeniem wyposażonym w aplikacje IoT pozwalającą na bieżące wyświetlanie odczytanych danych i kierowanie ich z urządzenia smart na domyślny serwer.

Gdy urządzenie, które chcemy wdrożyć wymaga ciągłego przesyłania danych, a nie mamy dostępu do WIFI i BLE zostajemy zmuszeni do korzystania z innych technologii i budowę urządzeń IoT wyposażonych w podzespoły takie jak modemy obsługujące sieci komórkowe. Dużą przewagą zastosowania sieci komórkowych takich jak GSM, LTE czy też NB-IoT jest fakt, że komunikują się one z lokalnymi stacjami bazowymi i zapewniają stabilną łączność w większości krajów na świecie, sprawia to, że zastosowanie IoT jest możliwe w dowolnym miejscu.

Oczywiście oprócz wymienionych wyżej technologii łączności istnieje jeszcze wiele sposobów rozwoju internetu rzeczy na przykład przy pomocy łączności takich jak LoRaWAN czy też ZigBee, jednak to właśnie WIFI, BLE i transmisja sieci komórkowych najlepiej wpisuje się w koncepcję urządzeń IoT i to właśnie z tych technologii najczęściej korzystamy.

Aplikacje IoT - czyli jak wygodnie odczytać dane z systemów Internet of Things

Zastosowanie internetu rzeczy najczęściej wiąże się z otrzymywaniem dużej ilości danych od znacznej ilości urządzeń, sprawia to, że dane te musimy sortować i filtrować pod generowanie konkretnych raportów dla użytkowników. To właśnie dzięki aplikacjom IoT stworzonym w sposób czytelny uzyskujemy dostęp do monitorowania danych IoT w łatwy sposób. Jednak jeszcze przed stworzeniem serwisu webowego warto określić zadania jakie będzie miał przyjmować dany system. Ze względu na to, że IoT umożliwia inteligentne udostępnianie danych z rozmaitych czujników w wielu formach i z wielu lokalizacji musimy na początku zdecydować do jakich kategorii mają trafiać dane z poszczególnych urządzeń. Dobrym przykładem będą tutaj systemy pomiaru warunków atmosferycznych, część urządzeń IoT wyposażonych w czujniki temperatury i wilgotności powietrza będzie trafiać do innej kategorii danych niż dane z czujników IoT wykrywających poziom wody w zbiornikach wodnych. Gdy przeanalizujemy system inteligentnego domu również zauważymy, że przykładowo dane na temat gniazdek elektrycznych trafiają do innych kategorii niż dane z systemów otwierania okien. Metodę grupowania danych ze względu na rodzaj urządzenia od dawna stosują producenci urządzeń IoT, dzięki czemu uzyskujemy czytelny wgląd do każdego urządzenia smart w naszym domu.

Gdy wiemy już w jaki sposób chcemy sortować dane w naszych urządzeniach warto zdecydować o warstwie użytkowników, która dzięki IoT będzie otrzymywać dostęp do określonych informacji. Zastosowania technologii IoT pokazują też, że bardzo istotna jest też prostota samego interfejsu użytkownika i możliwość modyfikacji pracy danego urządzenia smart z dowolnego miejsca.

W Device Prototype podczas tworzenia projektu pełnego systemu IoT skupiamy się na potrzebach naszych klientów i dokładnie informujemy o możliwych ułatwieniach na każdej warstwie projektu dzięki czemu dane trafiające do użytkownika są spersonalizowane i łatwe do analizowania i generowania raportów.

Projektowanie rozwiązania IoT w praktyce

Aby zadbać o prawidłowe działanie każdego z elementów urządzenia warto jeszcze przed rozpoczęciem projektu rozpisać wszystkie wymagane funkcjonalności. Podczas trwania realizacji bardzo ważne są aspekty bezpieczeństwa internetu rzeczy, produkty, które projektujemy mają być niezawodne i umożliwiać pracę bez zakłócania działań ludzi oraz innych urządzeń, szczególnie istotne jest to gdy mamy na myśli przemysłowy internet rzeczy. Na każdym etapie musimy walidować nasze założenia i sprawdzać działanie systemu tak aby produkt w pełni spełniał swoje zadanie. Po wielu zrealizowanych dla naszych klientów projektach śmiało możemy określić precyzyjną ścieżkę prowadzenia takiego projektu

  • Badanie rynku - sprawdzenie podobnych produktów, analiza potrzeb użytkowników, zastosowanie rozwiązań IoT w podobnych sektorach
  • Precyzyjne określenie funkcjonalności - wybranie konkretnych funkcji dzięki którym wykorzystanie urządzeń IoT będzie najbardziej pożądane przez docelowych klientów
  • Tworzenie projektu elektronicznego oraz budowa pierwotnych prototypów
  • Testy układów elektronicznych - sprawdzenie czy nasze urządzenia Iot pozwalają na wykorzystywanie ich do zaplanowania zadań
  • Projekt obudowy oraz wytwarzanie prototypów - wykonanie projektu zgodnego z wymaganiami związanymi z środowiskiem pracy urządzenia
  • Testy urządzenia wraz z obudową - weryfikacja pierwotnych założeń funkcjonalnych
  • Produkcja urządzeń
  • Rozwój procesów z pomocą urządzeń IoT

W przypadku zainteresowania wykonaniem pełnego projektu urządzenia IoT wraz z obudową i systemem sterującym zapraszamy do kontaktu, chętnie zaprojektujemy kolejny świetnie działający produkt!

Copyright © 2022 Device Prototype