Платы для IoT устройств

Когда говорят про платы для IoT, часто представляют готовые модули ESP или Raspberry Pi. Но в реальной работе — особенно в серийных проектах — всё упирается в проектирование печатных плат под конкретную задачу. И здесь начинаются тонкости, которые в даташитах не напишут.

Ошибки при выборе архитектуры платы

Раньше мы часто пытались делать универсальные платы, чтобы покрыть несколько продуктов линейки. Казалось логичным — одна базовая схема, разные прошивки. На практике выходило наоборот: переплата за лишние компоненты, проблемы с энергопотреблением в спящих режимах, да и размеры оказывались больше нужного. Для IoT это критично — особенно если устройство работает от батареи.

Один из проектов, где пришлось переделывать плату с нуля — система мониторинга температуры в логистике. Заказчик хотел, чтобы датчик работал от CR2032 два года. На первой версии платы стоял линейный стабилизатор, плюс мы оставили места для дополнительных интерфейсов ?на будущее?. В итоге плата ?ела? 15 мкА в режиме сна, хотя по расчетам должно было быть около 3 мкА. Пришлось убирать всё лишнее, переходить на LDO с низким собственным потреблением и оптимизировать трассировку.

Сейчас при проектировании мы сразу закладываем несколько ключевых параметров: целевое энергопотребление в активном и спящем режимах, диапазон рабочих температур (особенно для уличных устройств), требования к беспроводным интерфейсам. Если это LoRaWAN — сразу думаем об антенне и развязке. Если BLE — о том, как разместить антенну в корпусе из металла или с металлизированным покрытием. Мелочей здесь нет.

Производственные нюансы, о которых редко говорят

Даже идеально рассчитанная схема может упереться в технологические ограничения производства. Например, для плат с высокой плотностью монтажа (а в IoT это часто необходимо) важно учитывать не только минимальную ширину дорожки, но и толщину меди, диэлектрика между слоями. Особенно если на плате есть высокочастотные цепи — тут любая неточность в импедансе может ?убить? чувствительность приемника.

Мы сотрудничаем с производителем ООО Цзиньеда Электроник (ШЭНЬ ЧЖЭНЬ) — их сайт kingfieldpcb.ru — и это сотрудничество выросло именно из решения таких проблем. Компания работает с 2013 года, и их инженеры часто подсказывают по технологическим возможностям: например, когда мы делали плату с антенной PCB для Sigfox, они обратили внимание на выбор материала подложки — чтобы диэлектрическая проницаемость не ?плавала? от партии к партии. Для массового производства это важно.

Ещё один момент — тестирование. В идеале, на плате должны быть предусмотрены тестовые точки для всех критичных сигналов, особенно если используется BGA-корпус микроконтроллера. Но часто разработчики экономят место и пренебрегают этим. Потом на производстве возникают проблемы с диагностикой брака. Мы сейчас всегда добавляем такие точки, даже если это немного увеличивает размер платы. Опыт показал, что это окупается на этапе запуска в серию.

Пример из практики: плата для умного сельского хозяйства

Был проект — датчик влажности почвы с передачей данных по NB-IoT. Казалось бы, всё просто: датчик, микроконтроллер, модем. Но на этапе полевых испытаний выяснилось, что после дождя плата выходит из строя. Причина оказалась в том, что мы использовали стандартное покрытие (HASL), а для работы в условиях постоянной влажности нужно было либо золочение контактных площадок, либо более серьёзное защитное покрытие всей платы.

Пришлось оперативно менять технологию на производстве. ООО Цзиньеда здесь помогли — у них был опыт с подобными покрытиями для морской электроники. Перешли на иммерсионное золочение для контактов и нанесли дополнительный защитный лак. Это увеличило стоимость платы на 7-8%, но зато устройство стабильно работало в агрессивной среде.

Из этого случая вынесли урок: при разработке плат для IoT устройств нельзя рассматривать только электрическую схему. Нужно сразу представлять условия эксплуатации: будет ли устройство в помещении или на улице, возможен ли конденсат, перепады температур, вибрация. И закладывать соответствующие решения в дизайн и технологию изготовления.

Экономика проекта: когда делать свою плату, а когда использовать готовый модуль

Это вечный вопрос. Готовый модуль (например, ESP-12F) даёт быстрое прототипирование, но для серии от 500 штук уже стоит считать. Своя плата — это затраты на проектирование, отладку, сертификацию (особенно если есть радиопередатчик). Но зато можно оптимизировать по размеру, по стоимости компонентов, по энергопотреблению.

У нас был кейс с охранным датчиком. На прототипе стоял готовый модуль Wi-Fi. Но при расчёте себестоимости для тиража 3000 штук оказалось, что своя плата с вынесенным чипом ESP32 и пассивными компонентами дешевле на 40%. Плюс появилась возможность интегрировать антенну прямо в плату и уменьшить габариты. Да, пришлось отдельно сертифицировать радиочастотную часть, но это окупилось.

Здесь важно не впадать в крайности. Иногда клиенты просят ?сделать максимально дёшево?, и мы предлагаем гибридный вариант — базовую плату с местами для установки готового модуля. Это даёт гибкость: для первого тиража можно использовать модуль, чтобы быстрее выйти на рынок, а при переходе на большие объёмы — перейти на чип и оптимизированную плату. Такие решения часто обсуждаем с технологами kingfieldpcb.ru — они хорошо понимают, что можно реализовать без резкого роста стоимости.

Взгляд в будущее: что меняется в требованиях к IoT-платам

Сейчас вижу несколько трендов. Во-первых, всё больше запросов на миниатюризацию при сохранении автономности. Это толкает к использованию компонентов в корпусах типа CSP, к многослойным платам (6-8 слоёв), к активному использованию внутренних слоёв для разводки питания и земли.

Во-вторых, растут требования к безопасности. Раньше про шифрование и secure boot думали только для дорогих устройств. Сейчас это запрашивают даже для простых датчиков. Значит, на плате нужно место для криптографического чипа или соответствующего раздела во flash-памяти, плюc трассировка с учётом защиты от side-channel атак. Это новая область для многих разработчиков.

И третий момент — экология. В Европе уже спрашивают про возможность ремонта и утилизации. Значит, нужно продумывать дизайн так, чтобы ключевые компоненты можно было заменить, избегать BGA-корпусов, если это возможно, использовать бессвинцовые покрытия. Это тоже влияет на выбор технологий при производстве плат для IoT устройств.

В целом, разработка таких плат перестала быть просто ?развести схему?. Это комплексная задача, где нужно учитывать и электронику, и радиотехнику, и производственные возможности, и экономику, и даже будущее законодательство. И чем теснее взаимодействие между разработчиком и производителем на ранних этапах — тем меньше сюрпризов будет потом, при запуске в серию.