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視頻:采用“三明治”結構,遠程傳感器平臺FieldKit讓惡劣環境靠邊站

2019-07-31 16:28:28 來源:EEFOCUS
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描述
FieldKit是一個開源的軟硬件平臺,個人和組織可以通過它收集并共享基于現場環境的數據,并通過交互式的可視化形態來講述故事。FieldKit設計部署方便,可以滿足不同研究團隊的需求,從生物學、生態學到海洋和環境科學,從博士后研究人員到小學生,都可以用這個平臺搭建自己的系統。FieldKit提供了一個上手簡單的平臺,用于實時探索數據、創建和部署環境傳感器網絡或現場監控。

 

項目日志
三明治結構抵御可怕的“沼澤手指”。

 

建立了平臺架構后,第一次實現時在電路板上面放置元器件似乎是顯而易見的選擇,在這種情況下首先要考慮的便是“沼澤手指”。

 



FieldKit工作站的使用場景一般都不太友好,它們通常需要放置在防水性的外殼中,當外殼打開后,對于電子設備來說條件可能就不是很理想。FieldKit進入并探測的電子產品內部可能既臟又潮濕,雅各布創造了“沼澤手指”這個詞形象地描述了FieldKit在這種環境下工作的危險。惡劣的使用環境給電容式感應按鍵等既具現代色彩又有吸引力的技術選項判了死刑,但是這種困難同時催生了設計團隊一個出色的設計決策,即把元器件放置在上下層中間的“三明治”內部,在它伸進電子產品內部去漫游時就基本上不需要考慮“沼澤手指”問題了。

 

但是,這種安排讓我們希望添加屏幕的愿望有點復雜化了,之前的FieldKit硬件版本試圖通過LED陣列顯示所有需要的數據,只是這種方案過于耗電,而且在現場應用效果不甚理想。因此,設計團隊采用了過去幾年中被廣泛應用在各種項目中的I2C OLED顯示器。為了從另一側看到它,我們反向安裝了OLED顯示屏并在PCB上切割了窗口。

 



解決了沼澤手指問題之后,剩下的工作就順理成章了,無非是為各個功能選擇合適的實現方案:


存儲
我們曾經一度完全依靠SD卡來存儲部署FieldKit工作站時收集到的所有數據。從價格上來看倒是很合適,但是SD卡的存儲性能一般,可能難堪關鍵任務的信任。Darwin需要板載內存,所以我們安裝了四個可以連接高容量的SPI NAND閃存的插槽。我們一般使用的是2Gb的閃存,根據不同的需要,可以覆蓋從2Gb到8Gb的存儲范圍。SD卡則主要用于無線電發生故障后的備份和意外卸載任務。

 

微控制器
微控制器也經過了淘汰更新的過程。剛開始,應用廣泛的ATSAMD21系列能夠妥妥地滿足我們的需求,但是隨著硬件的升級,它的引腳和內存就不大夠用了。為了保護我們之前的研發投資,再加上社區對Atmega Cortex系列的支持非常好,所以我們不想完全拋棄這個產品家族,所以最終我們選擇了帶有128個管腳、TQFP封裝的ATSAMD51,現在它的管腳和內存完全可以滿足我們的需求。

 

為了支持ATSAMD51,我們使用了一個引導加載程序的大容量QSPI閃存芯片。

 

實時時鐘
從理論上來講,我們可以使用ATSAMD51內部的RTC進行實時時鐘管理,但是之前的開發經驗限制了我的發揮,所以我們仍然使用了外部RTC,并提供了一個超級電容器作為該RTC的“電池”備份。我們之前已經使用過CR2032這種紐扣電池,但是具有諷刺意味的是,用一個鋰電池給RTC供電,這種設計策略本身就和我們想要設計一種節電型的產品理念有些相悖。由于外部RTC本身就有時鐘輸出,我們將它的時鐘泵入微控制器,只需要一個晶振即可。

 

MISC
2.54毫米間距的板對板連接器似乎是將上層板子和下層無線電模塊連接在一起的夾層連接器的自然選擇。這種連接頭無處不在,結實耐用,而且針腳較長,正好適合GPS模塊這種尺寸比較高的模塊。

 



至于編程頭,我們決定不設置單獨的編程頭,我們把編程電路設計在電路板上,編程所需的引腳位于夾層連接器上,這樣不用單獨的編程器就可以在線調試,方便吧!

 

為了監控和預測在寒冷工況下的電池壽命,我們還添加了一個廉價的溫度傳感器,這樣顯得很可愛。

 

當前解決方案的問題
目前,于環境監測、使用現場性的科學研究和數據進行現場解說的科學工具組合不僅很昂貴,有很多花哨但不實用的子模塊,而且不方便用戶使用。

 

我們希望通過FieldKit提供一個低成本、專家和業余愛好者都可以使用的環境監控平臺。FieldKit在構建物理環境傳感系統方面發揮著關鍵作用。傳感是整個FieldKit體驗的核心,我們的目標是創建一種無縫的硬件應用,讓所有用戶都可以放心使用,并喜歡上它。

 

設計過程
為了創建無縫的用戶體驗,我們的設計思維過程遵循了從用戶和行業研究到定義問題,再到設計及測試解決方案的步驟:

用戶訪談:理解并了解用戶的需求和痛點;

行業研究:環境監測行業競爭格局的研究;

設計和原型設計:創建流程圖、結構框圖,設計原型。

 

FieldKit架構
直到Darwin這個版本,FieldKit通常都是由兩塊板組成。核心板處理無線電通信、GPS通信、數據記錄和電源管理。模塊板則處理傳感器,在不同的情況下傳感器有所不同。

 



那么,在理想的現實應用中,我們的期待是什么呢?

 

電纜更少;
每個工作站中有多少個模塊(理想情況下可能會有幾種不同的配置);
昂貴且耗電的微控制器用的更少;
從射頻位中分離出數據記錄位;
更容易制造和組裝;
一個基本的圖形顯示界面;
標準化的模塊引腳和占位面積。

 

需要指出的是,我們從來沒有打算要引入大型風險投資,我們在中國生產了兩萬臺FieldKit,但是價格只有每臺幾塊錢,所以,由于壓力導致很多工程師不得不把所有的東西壓縮放到同一塊板子里以便大規模生產的問題在這里并不存在。而且,通過將FieldKit系統拆分成兩塊單獨的PCB實際上會改善最終的產品制造,因為它拆分出了系統中演變最慢的部分和演變最快的部分,在大批量生產的階段,顯然比那種集中在單個板子上的系統更有成本效率。


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