چگونه برد های مدار چاپی عملکردهای اصلی دستگاه های IoT را تقویت می کنند

اینترنت اشیا (IoT) نحوه زندگی و کار ما را از ساعت های هوشمند که سلامت ما را ردیابی می کنند به سنسورهای صنعتی که ماشین آلات کارخانه را نظارت می کنند، تغییر داده است.در قلب هر دستگاه اینترنت اشیا یک صفحه مدار چاپی (PCB) قرار دارددر این روش، ما میتوانیم از یک سیستم کارآمد و منسجم، از میکروچیپ ها، آنتن ها و باتری ها استفاده کنیم. بر خلاف PCB های الکترونیک سنتی (به عنوان مثال رایانه های رومیزی) ، PCB های IoT باید سه تقاضا مهم را متعادل کنند:کوچک سازی (در محفظه های کوچک قرار می گیرد)این راهنما بررسی می کند که چگونه PCB ها قابلیت عملکردهای اصلی IoT را فراهم می کنند.,مدیریت انرژی و پردازش داده ها و اینکه چرا طرح های تخصصی PCB (HDI، انعطاف پذیر، سخت-فلیکس) برای ساخت دستگاه های هوشمند و ماندگار IoT ضروری است.

نکات کلیدی
1PCB ها ستون فقرات IoT هستند: آنها تمام اجزای (سینسورها، میکروکنترلرها، آنتن ها) را به هم متصل می کنند و جریان داده را فعال می کنند، که آنها را برای دستگاه های هوشمند غیر قابل جایگزین می کند.
2طراحی های تخصصی مهم هستند: PCB های HDI ویژگی های بیشتری را در فضاهای کوچک (به عنوان مثال، پوشیدنی ها) ، PCB های انعطاف پذیر خم می شوند تا بدن ها / محفظه های عجیب و غریب را متناسب کنند و PCB های سخت و انعطاف پذیر دوام را با سازگاری ترکیب می کنند.
3مدیریت انرژی بسیار مهم است: PCB های IoT از مسیر و اجزای کارآمد برای افزایش عمر باتری استفاده می کنند. برخی از دستگاه ها به دلیل طراحی PCB هوشمند ماه ها با یک بار شارژ کار می کنند.
4اتصال به طرح PCB متکی است: مسیریابی دقیق ردیابی و انتخاب مواد (به عنوان مثال PTFE برای سیگنال های با سرعت بالا) اتصال های بی سیم قوی (Wi-Fi ، Bluetooth ، LoRa) را تضمین می کند.
5دوام باعث پذیرش می شود: PCB های IoT از مواد مقاوم (FR-4، پلی آمید) و پوشش ها برای زنده ماندن در محیط های خشن ( گرد و غبار صنعتی، عرق قابل پوشیدن، باران در فضای باز) استفاده می کنند.

PCB در اینترنت اشیا چیست؟ تعریف، ساختار و نقش منحصر به فرد
PCB های IoT فقط "بورد های مدار" نیستند، آنها برای حل چالش های منحصر به فرد دستگاه های هوشمند و متصل طراحی شده اند. بر خلاف PCB های الکترونیک غیر IoT (به عنوان مثال تلویزیون) ، PCB های IoT باید کوچک باشند،انرژی کارآمد، و آمادگی بی سیم

1. تعریف و ساختار اصلی
یک PCB IoT یک صفحه لایه دار است که:

a.مكونات: میکروکنترلرها (به عنوان مثال ESP32) ، سنسورها (درجه حرارت، شتاب سنجها) ، ماژول های بی سیم (چیپ های بلوتوث) و IC های مدیریت انرژی (PMIC).
ب. سیگنال های مسیر: ردیاب های مس نازک (تا 50μm باریک) مسیرهای داده ها و قدرت بین اجزای را ایجاد می کنند.
c. از مواد تخصصی استفاده می کند: هزینه ، عملکرد و دوام را با زیربناهای مانند FR-4 (استانداردی) ، پلی آمید (لچکدار) یا PTFE (سیگنال های با سرعت بالا) متعادل می کند.

اجزای کلیدی یک PCB IoT

2انواع رایج PCB IoT
دستگاه های اینترنت اشیا به فاکتورهای مختلف شکل نیاز دارند، از سنسورهای صنعتی سخت گرفته تا باند های ساعت هوشمند انعطاف پذیر. در زیر انواع PCB به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند:

3چگونه PCB های IoT از PCB های غیر IoT متفاوت هستند
PCB های IoT با محدودیت های منحصر به فردی مواجه هستند که PCB های غیر IoT (به عنوان مثال در رایانه های رومیزی) ندارند. جدول زیر تفاوت های اصلی را برجسته می کند:

چگونه PCB ها عملکردهای اصلی IoT را فعال می کنند
دستگاه های اینترنت اشیا به چهار عملکرد اصلی وابسته هستند: اتصال، یکپارچه سازی سنسورها، مدیریت انرژی و پردازش داده ها. PCB ها چسب هستند که باعث می شوند همه اینها به طور یکپارچه کار کنند.

1اتصال و جریان سیگنال: نگه داشتن دستگاه های IoT متصل
برای اینکه یک دستگاه IoT "هوشمند" باشد، باید داده ها را ارسال / دریافت کند (به عنوان مثال، یک ترموستات هوشمند داده های دمایی را به تلفن شما ارسال می کند). PCB ها این کار را با:

a. مسیر دادن سیگنال های بی سیم:ردیابی بین ماژول بی سیم و آنتن برای به حداقل رساندن از دست دادن سیگنال طراحی شده است با استفاده از ردیابی های کنترل شده با مقاومت (50Ω برای اکثر سیگنال های بی سیم) و اجتناب از خم های تیز (که باعث انعکاس می شود).
ب.کاهش تداخل: سطوح زمینی در زیر خطوط آنتن قرار می گیرند تا سر و صدای سایر اجزای آن را مسدود کنند (به عنوان مثال، نوسانات ولتاژ یک سنسور سیگنال های Wi-Fi را مختل نمی کند).
c. پشتیبانی از اتصال چند پروتکل: PCB های پیشرفته IoT (به عنوان مثال، برای 5G IoT) چندین ماژول بی سیم (Wi-Fi 6 + بلوتوث 5.3) را با مسیرهای آنتن جداگانه برای جلوگیری از crosstalk ادغام می کنند.

مثال: اسپیکر هوشمند PCB
یک اسپیکر هوشمند PCB سیگنال ها را از میکروفون (صدای شما را جمع آوری می کند) به MCU (امر را پردازش می کند) به ماژول Wi-Fi (داده ها را به ابر ارسال می کند) هدایت می کند.سطح زمین PCB و فاصله ردیابی تضمین می کند که فرمان صوتی شما به وضوح منتقل می شود.

2ادغام سنسورها و ماژول ها: تبدیل داده ها به بینش
دستگاه های اینترنت اشیا با استفاده از داده­ها از یک سنسور ضربان قلب ردیاب تناسب اندام تا یک سنسور صنعتی برای تشخیص ارتعاش رشد می­کنند. پی سی بی­ها این سنسورها را به طور کارآمد با:

a. قرار دادن اجزای متراکم: PCB های HDI از میکروویا و جوش باریک استفاده می کنند تا بیش از 10 سنسور (درجه حرارت، شتاب سنج، GPS) را در فضایی کوچکتر از یک مهر پست قرار دهند.
b. مسیرهای سیگنال کوتاه: سنسورها در نزدیکی MCU قرار دارند تا تاخیر داده ها را کاهش دهند که برای IoT در زمان واقعی حیاتی است (به عنوان مثال یک آشکارساز دود که بلافاصله شما را هشدار می دهد).
c. سازگاری با سنسورهای مختلف: PCB ها از رابط های سنسورهای مختلف (I2C ، SPI ، UART) از طریق ردیاب های استاندارد پشتیبانی می کنند ، بنابراین طراحان می توانند بدون طراحی مجدد کل تخته ، سنسورها را تعویض کنند.

مثال: PCB ساعت هوشمند
یک صفحه PCB ساعت هوشمند شامل:

یک سنسور ضربان قلب (مواصفات I2C) در نزدیکی مچ دست برای خواندن دقیق.
ب.یک شتاب سنج (مواصفات SPI) برای شمارش گام ها.
c. یک ماژول بلوتوث برای ارسال داده به تلفن شما.
تمام حسگرها از طریق مسیرهای کوتاه و محافظ به MCU متصل می شوند که جریان سریع و دقیق داده را تضمین می کند.

3مدیریت برق: افزایش عمر باتری
اکثر دستگاه های اینترنت اشیا با باتری کار می کنند (به عنوان مثال ، سنسورهای بی سیم ، پوشیدنی ها). PCB عمر باتری را با:

a.تولید برق کارآمد: ردیف های مس گسترده و ضخیم (≥1 میلی متر) مقاومت را کاهش می دهند، بنابراین انرژی کمتری به عنوان گرما هدر می رود.
ب.داده های برق: PCB ها تنها زمانی که مورد نیاز هستند، قدرت را به قطعات هدایت می کنند (به عنوان مثال، یک سنسور هنگام استفاده از آن خاموش می شود، که توسط MCU از طریق PCB کنترل می شود).
c. اجزای کم مصرف: PCB ها از قطعات کم مصرف انرژی پشتیبانی می کنند (به عنوان مثال، MCU های کم مصرف مانند ATmega328P) و PMIC ها را برای تنظیم ولتاژ (به عنوان مثال تبدیل 3.7V از یک باتری به 1.8 ولت برای MCU).

مثال: سی پی بی سنسور بی سیم
یک سنسور رطوبت خاک از راه دور از PCB استفاده می کند:

a.یک ماژول LoRa با قدرت کم (10mA در طول انتقال).
ب.گیتینگ قدرت برای خاموش کردن سنسور بین قراءات (هر ساعت بیدار می شود).
c.آزارهای مس ضخیم برای به حداقل رساندن از دست دادن قدرت.
نتیجه: سنسور برای 6 ماه با یک باتری AA کار می کند.

4پردازش داده ها و ارتباطات: ساخت اینترنت اشیا هوشمند
دستگاه های IoT فقط داده ها را جمع آوری نمی کنند بلکه آن را پردازش می کنند (به عنوان مثال، یک ترموستات هوشمند که دمای را بر اساس اشغال تنظیم می کند).

a. اتصال MCU به حافظه: ردیاب ها MCU را به حافظه فلش (فرمویر ذخیره می کند) و RAM (به طور موقت داده ها را نگه می دارد) برای پردازش سریع متصل می کند.
ب. پشتیبانی از سیگنال های با سرعت بالا: برای دستگاه های IoT با بار داده های سنگین (به عنوان مثال دوربین های امنیتی 4K) ، PCB ها از مواد فرکانس بالا مانند PTFE برای انتقال داده ها با سرعت 1Gbps + بدون از دست دادن استفاده می کنند.
ج.ضمان یکپارچگی داده ها: سطوح زمینی و لایه های محافظتی مانع از خراب شدن داده های حساس برای اینترنت اشیا پزشکی می شوند (به عنوان مثال ، PCB مانیتور ECG باید داده های دقیق قلب را انتقال دهد).

مثال: PCB کنترل کننده IoT صنعتی
PCB کنترل کننده IoT یک کارخانه، داده های بیش از 20 سنسور (درجه حرارت، فشار) را در زمان واقعی پردازش می کند.

a.یک MCU قدرتمند (به عنوان مثال Raspberry Pi Pico) با رم سریع.
ب. ردپای محافظ شده برای جلوگیری از دخالت ماشین آلات کارخانه.
c.ماژول های اترنت/5G برای ارسال داده های پردازش شده به یک داشبورد ابر.

طراحی PCB IoT: اصول کلیدی برای موفقیت
طراحی یک PCB IoT فقط در مورد قرار دادن اجزای آن نیست. در مورد بهینه سازی برای اندازه، قدرت و قابلیت اطمینان است. در زیر اصول طراحی حیاتی است که باعث می شود دستگاه های IoT کار کنند.

1مینیاتوریزاسیون: در فضای کمتر بیشتر قرار می گیرد
دستگاه های اینترنت اشیا کوچک تر می شوند (به عنوان مثال، گوشواره های هوشمند، سنسورهای صنعتی کوچک). PCB ها از طریق:

a. تکنولوژی HDI: میکروویا (68 میلی لیتر) و اجزای باریک (مقاوم اندازه 0201) به طراحان اجازه می دهد تا اجزای 2 برابر بیشتری را در همان فضا در مقایسه با PCB های استاندارد قرار دهند.
b.3D PCB Printing: تولید افزودنی مدارها را در 3D (نه فقط مسطح) ایجاد می کند، شکل های پیچیده را امکان پذیر می کند (به عنوان مثال، PCB که در اطراف باتری ساعت هوشمند پیچیده می شود).
c. اجزای جاسازی شده: مقاومت ها، خازن ها و حتی IC ها در داخل PCB جاسازی شده اند (نه در سطح) ، و 30٪ از سطح را ذخیره می کنند.
ابزار طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی: نرم افزاری مانند Altium Designer از هوش مصنوعی برای مسیر دادن اتوماتیک مسیرها و قرار دادن اجزای آن استفاده می کند و به حداکثر رساندن کارایی فضا کمک می کند.

مثال: PCB گوشواره هوشمند
PCB گوشواره های هوشمند فقط 15mm × 10mm است. از:

a. میکروویا های HDI برای اتصال 3 لایه (بالا: آنتن، وسط: MCU، پایین: مدیریت باتری).
b. مقاومت های جاسازی شده برای صرفه جویی در فضای سطحی.
c.01005- اندازه اجزای (کوچترین اندازه استاندارد) برای ماژول بلوتوث.

2طراحی چند لایه و SMT: افزایش عملکرد و دوام
فناوری نصب سطح (SMT) و PCB های چند لایه ای پایه ای برای دستگاه های IoT هستند. آنها سه مزیت اصلی را ارائه می دهند:

مثال: PCB هاب خانه هوشمند
یک هاب خانه هوشمند از PCB 6 لایه استفاده می کند:

a.SMT برای قرار دادن ماژول های Wi-Fi، Bluetooth و ZigBee در هر دو طرف.
b. لایه های داخلی برای هواپیماهای قدرت (3.3V، 5V) برای کاهش سر و صدا.
ج. لایه های بیرونی برای آنتن ها و سنسورها.
نتیجه: هاب کوچک است (100mm × 100mm) اما از 50+ دستگاه متصل پشتیبانی می کند.

3قابلیت اطمینان و دوام: در محیط های خشن زنده بمانید
دستگاه های اینترنت اشیا اغلب در شرایط سخت کار می کنند، سنسورهای صنعتی در کارخانه های پر گرد و غبار، پوشیدنی های دست های عرق زده، سنسورهای بیرونی در باران / برف.

مواد مقاوم:
FR-4: مقاوم در برابر گرما (تا 130 درجه سانتیگراد) و رطوبت که در IoT صنعتی استفاده می شود.
پلی آمید: بدون شکستن خم می شود و در برابر 260 °C (تخمیر مجدد) مقاومت می کند.
PTFE: فرکانس های بالا (تا 100GHz) و مواد شیمیایی خشن استفاده شده در IoT پزشکی را مدیریت می کند.
پوشش های محافظتی: پوشش های سازگار (اکریلیک، سیلیکون) آب، گرد و غبار و عرق را دفع می کنند و عمر PCB را 5 برابر افزایش می دهند.
مدیریت حرارتی: راه های حرارتی (در زیر اجزای داغ مانند MCU) و ریختن مس باعث گسترش گرما می شود و از گرم شدن بیش از حد در فضای بیرونی IoT جلوگیری می کند (به عنوان مثال سنسورهای خورشیدی).

مثال: سی پی دی سنسور آب و هوا در فضای باز
یک PCB سنسور بیرونی استفاده می کند:

a.FR-4 زیربنایی با پوشش سیلیکونی سازگار (IP67، ضد گرد و غبار/ ضد آب).
ب.پایه های حرارتی زیر ماژول LoRa (از گرم شدن بیش از حد در معرض نور مستقیم خورشید جلوگیری می کند).
c. آثار مس ضخیم (2 اونس) برای مقابله با جریان های بالا از پانل خورشیدی.
نتیجه: سنسور بیش از 5 سال در باران، برف و دمای -40 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد کار می کند.

برنامه های کاربردی دنیای واقعی IoT: چگونه PCB ها دستگاه های روزمره را تقویت می کنند
PCB ها قهرمانان ناشناخته در هر دسته ای از اینترنت اشیا هستند، از خانه های هوشمند گرفته تا کارخانه های صنعتی. در زیر نمونه هایی از چگونگی استفاده از PCB ها در موارد کلیدی وجود دارد.

1دستگاه های هوشمند خانگی
اینترنت اشیا خانه های هوشمند برای اتصال دستگاه ها و صرفه جویی در انرژی به PCB ها متکی است. کاربردهای رایج عبارتند از:

a. لامپ های هوشمند: PCB ها روشنایی LED را کنترل می کنند و به کنترل مبتنی بر برنامه و نظارت بر انرژی Wi-Fi متصل می شوند. PCB های HDI کنترل کننده، آنتن و راننده LED را در یک پایه کوچک لامپ قرار می دهند.
دوربین های امنیتی: PCB های چند لایه سنسور دوربین، MCU، ماژول Wi-Fi و باتری را متصل می کنند که از ویدئو 4K و تشخیص حرکت پشتیبانی می کنند.راه های حرارتی مانع از گرم شدن بیش از حد MCU در طول جلسات ضبط طولانی می شوند.
ترموستات هوشمند: PCB های سفت و انعطاف پذیر برای متناسب شدن با محفظه منحنی ترموستات خم می شوند. آنها سنسورهای درجه حرارت / رطوبت، یک کنترل کننده صفحه لمسی،و ماژول ZigBee که امکان تنظیم دمای از راه دور را دارد.

ویژگی اصلی PCB برای خانه های هوشمند: قدرت کم
PCB های خانه هوشمند از دروازه های قدرت برای خاموش کردن اجزای غیر استفاده شده استفاده می کنند (به عنوان مثال، ماژول Wi-Fi یک لامپ هوشمند در هنگام استفاده از آن، خواب می رود) ، مصرف انرژی را 70٪ کاهش می دهد.

2. اینترنت اشیاء پوشیدنی
دستگاه های پوشیدنی به PCB هایی نیاز دارند که کوچک، انعطاف پذیر و ایمن از پوست باشند. نمونه هایی از آنها عبارتند از:

a. ساعت های هوشمند: PCB های سفت و انعطاف پذیر یک بخش سفت (برای MCU و باتری) را با یک بخش انعطاف پذیر (در اطراف مچ دست) ترکیب می کنند. زیربنای پلی آمید در برابر خم شدن روزانه و عرق مقاومت می کند.
b. ردیاب های تناسب اندام: PCB های HDI حسگر ضربان قلب، شتاب سنج و ماژول های بلوتوث را در فضای 30 میلی متر × 20 میلی متر قرار می دهند. پوشش های سازگار عرق و روغن پوست را دفع می کنند.
عینک های هوشمند: پی سی بی های چاپ شده سه بعدی از شکل قاب پیروی می کنند و یک دوربین، میکروفون و ماژول 5G را به کار می برند که امکان تماس های بدون دست و AR را فراهم می کند.

ویژگی اصلی PCB برای پوشیدنی ها: انعطاف پذیری
پی سی بی های پلی آمید در وسایل پوشیدنی می توانند ۱۰۰ هزار بار بدون شکستن خم شوند که برای دستگاه هایی که با بدن حرکت می کنند بسیار مهم است.

3اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT)
PCB IIoT برای دوام و عملکرد در کارخانه ها، معادن و سیستم عامل های نفتی ساخته شده است. کاربردهای شامل:

حسگرهای ماشین: پی سی بی های FR-4 با مس ضخیم (3 اونس) لرزش، دمای و فشار را در ماشین آلات کارخانه کنترل می کنند.آنها از ماژول های LoRa برای ارتباطات دوربرد (تا 10 کیلومتر) به یک کنترل کننده مرکزی استفاده می کنند..
کنترل کننده های نگهداری پیش بینی: PCB های چند لایه داده های 50+ سنسور را در زمان واقعی پردازش می کنند.آنها از محاسبات لبه ای ( پردازش داده های محلی) برای جلوگیری از تاخیر ابر استفاده می کنند که هشدار فوری برای خرابی ماشین را فعال می کند.
c. شبکه های هوشمند: پی سی بی در مترهای هوشمند حسگرهای جریان، ماژول های وای فای و ICهای مدیریت برق را یکپارچه می کنند که استفاده از انرژی را ردیابی می کنند و داده ها را به شرکت خدمات عمومی ارسال می کنند.

ویژگی اصلی PCB برای IIoT: استحکام
PCB های IIoT از مس سنگین (2 ′′ 3 اونس) و محفظه های IP68 استفاده می کنند تا در برابر لرزش، گرد و غبار و مواد شیمیایی مقاومت کنند و 10 سال عملکرد را تضمین کنند.

سوالات عمومی
1چرا دستگاه های اینترنت اشیا نمی توانند از PCB های استاندارد استفاده کنند؟
PCB های استاندارد خیلی بزرگ هستند، انرژی زیادی مصرف می کنند و از اتصال بی سیم پشتیبانی نمی کنند که همه آنها برای IoT حیاتی هستند.و برای سیگنال های بی سیم طراحی شده است.

2چگونه طراحی PCB بر عمر باتری اینترنت اشیا تاثیر می گذارد؟
طراحی PCB هوشمند (جایگاه های گسترده برای کاهش مقاومت، دروازه های قدرت، اجزای کم مصرف) مصرف انرژی را 50٪ به 70٪ کاهش می دهد. به عنوان مثال، یک پوشیدنی با PCB به خوبی طراحی شده برای 7 روز در یک شارژ در مقابل2 روز با یک طراحی ضعیف.

3تفاوت بین HDI و PCB های استاندارد برای IoT چیست؟
PCB های HDI از میکروویا و ردیف های باریک استفاده می کنند تا دو برابر بیشتر اجزای موجود را در همان فضا قرار دهند. این باعث می شود آنها برای دستگاه های کوچک IoT (به عنوان مثال، گوشواره های هوشمند) که PCB های استاندارد بسیار بزرگ هستند، ایده آل باشند.

4چگونه PCB ها اتصال بی سیم را در اینترنت اشیا امکان پذیر می کنند؟
PCB ها سیگنال ها را بین ماژول بی سیم و آنتن با ردپای های کنترل شده با مقاومت (50Ω) برای به حداقل رساندن از دست دادن هدایت می کنند. سطوح زمینی و لایه های محافظ، تداخل را مسدود می کنند.اطمینان از اتصال های قوی Wi-Fi/Bluetooth/LoRa.

5آیا می توان PCB های IoT را تعمیر کرد؟
اکثر PCB های IoT کوچک هستند و از اجزای SMT استفاده می کنند، که تعمیرات را دشوار می کند. با این حال، طرح های PCB ماژولار (به عنوان مثال،سنسور های جداگانه/ ماژول های MCU) به شما اجازه می دهد بخش های معیوب را به جای کل صفحه جایگزین کنید.

نتیجه گیری
صفحه های مداری چاپی ستون فقرات انقلاب اینترنت اشیا هستند، بدون آنها، دستگاه های هوشمند خیلی بزرگ، خیلی طاقت فرسا و یا قادر به اتصال نخواهند بود.از PCB های کوچک HDI در ساعت هوشمند شما تا PCB های چند لایه ای در سنسورهای صنعتی، طرح های تخصصی PCB عملکردهای اصلی IoT را فعال می کند: اتصال، ادغام سنسورها، مدیریت انرژی و پردازش داده.

همانطور که اینترنت اشیا تکامل می یابد (به عنوان مثال، 6G، محاسبات لبه ای مبتنی بر هوش مصنوعی) ، PCB ها حتی پیشرفته تر خواهند شدو طرح های بسیار کم مصرف که اجازه می دهد دستگاه ها برای سال ها با یک باتری واحد کار کنندبرای طراحان و کسب و کارها، سرمایه گذاری در PCB های IoT با کیفیت بالا فقط یک انتخاب فنی نیست بلکه یک انتخاب استراتژیک است که قابلیت اطمینان دستگاه، تجربه کاربر و موفقیت بازار را تعیین می کند.

دفعه بعد که از یک دستگاه هوشمند استفاده می کنید، لحظه ای وقت بگذارید تا از PCB درون آن قدردانی کنید: این موتور آرام است که "چیزهای" را به "چیزهای هوشمند" تبدیل می کند.شما می توانید دستگاه هایی را بسازید که کوچکتر باشند.، هوشمندانه تر و پایدارتر