智能硬件产品开发分享
智能硬件产品开发分享
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一、产品定位
一个智能硬件产品的需求从哪里来？主要是公司定位，比如智能家居公司做智能开关，智能插座，智能锁，智能教育公司做陪伴机器人等等。
确定要做的产品后，就要给产品进行定位，首先要看产品的用户群体，用户群体的消费能力决定了你的产品成本价格。一个产品要做成高档，还是中档或低档，也直接影响了产品功能的确定。
上图中是智能家居产品中的智能开关的竞品，第一个是Lifesmart，这个公司目前大概做了有6年左右，推出了一系列的产品，其中第一个图片中的这款，大家可以注意到右上角有“Works with Apple Homekit”的标志。这个标志的意思是，这款开关可以使用苹果的homekit软件进行控制。这也决定了它的成本不会低，因为苹果对于接入homekit的产品有严格的规定，甚至一度限制到使用哪款芯片。下图是小米的一个标准产品，一般小米的性价比是最高的，通过米家可以和小米的其他智能家居产品联动。
那么如果我们想做一款产品，要做哪种呢，肯定不能和小米比价格，小米已经把所有环节的费用几乎都压到了行业最低。因为当时我们公司孵化于一个装修公司，有一些豪华酒店高档住宅的项目，那么我们选择做一款中高档的开关，要和小米做出区别，我们定义的用户群体和小米不同，我们的用户是豪华酒店或豪宅的前装市场，或高档社区的前装。
确定了这些，市场定位和成本控制基本都有了范围。
二、研发工作分解
一个智能硬件产品的工作内容比一个纯软件项目要多出2/3的工作量：除了互联网部分的工作要做外，嵌入式和产品形态两大部分的工作，都是工期比较长，比较复杂的工作内容。其中嵌入式分为嵌入式硬件和嵌入式软件，嵌入式硬件通常就是指PCBA，即电路板的设计。嵌入式软件一般称之为固件，是要烧写在产品的主芯片内的程序，嵌入式软件的编程语音一般都是采用C语言，近几年，随着安卓系统的发展，很多智能硬件产品也会采用安卓系统，就直接开发APP就可以了。
产品形态包括两部分工作，一个是外观，也称之为ID，工业设计，一个是结构，也称之为MD设计。工业设计主要是确定产品的外观和大小尺寸，为用户呈现视觉效果；结构设计一般涉及到产品的组装以及实际使用功能，比如开关的按键，就是由结构设计来实现的。
团队成员
确定好工作内容后，就要组建团队了，一个智能硬件团队都需要哪些人员，首先灰色的部分就是我们熟悉的纯软件开发人员，智能硬件产品一样也需要，还有我们比较熟悉的测试人员和产品人员，但是这两个职位和纯软件的产品和测试还是有所不同的，智能硬件的测试人员要懂得硬件测试知识，有些还是比较专业的，比如测试一个无线开关，除了基本的硬件功能外还可能要测试它的射频参数等。产品也一样，也要懂得硬件知识，比如在PCBA设计，ID设计，MD设计，固件开发过程中，纯软件的产品经理是很难把控这些环节的。
剩下红色部分的就是新增的开发人员，ID工业设计师，MD结构设计师，硬件开发（有些比较大的公司，画原理图和画PCB板的还会分开，或者直接把画PCB外包出去），固件开发就是嵌入式开发工程师，另外还必须有采购人员，因为在开发过程中经常会有样机制作的情况而且不止一次，这些硬件都需要采购跟进。最后量产阶段还需要有品控人员。
智能硬件的团队相较于纯软件团队，更庞大，分工也更复杂，当然小的创业公司也可能会一个人身兼数职，比如产品经理，测试，采购、项目经理全部有一个人承担。硬件开发、固件开发一个人搞定，ID和MD有时也可以一个人搞定，后端和APP一个人，UE/UI一个人或者外包。一个5-6人小团队有时也可以搞定这项工作，但是对于每个人需要掌握的技能就比较多了。
需求设计
同样，在开发之前也需要出详细的需求设计文档，首先要先确定智能硬件的主要功能需求，根据功能需求再划分成各个细项的需求文档。
产品外观需求，提出基本要求，比如产品的颜色，大概期望的样式，主要的结构功能，比如一个开关，需要几个按键，按键是触摸还是机械的等等。
嵌入式软硬件需求是产品功能实现的一个核心需求，其中硬件详细需求根据产品的定位和功能需求，可以确定硬件的主要参数，比如内存、速度、存储、通信方式、指示灯等。软件需求主要是根据产品要实现的功能确定产品的功能逻辑，比如实现定时功能，开关功能，指示灯闪烁方式等等。
互联网软件我们在这里就不多讲了。
硬件电路设计
原理图设计是智能硬件产品中最重要的一步，这一步牵动了后面所有的开发内容。
右边这个图就是一个电路原理图，学工科的一般在大学也都接触过，目前经常使用的画图软件是Altium Designer（简称AD)，当前最高版本为：AD20.1.7，这款软件在2002年以前叫protel98,protel99, 后来到了2004年推出一版DXP2004，这也是比较经典的一版，后来又改名为现在的AD，我用过的版本是AD15，也是比经典的一版。
在一个原理图中，最核心的就是它的主芯片。就是右图中红框中的芯片。怎么说呢，如果我们把一个原理图比作一个人体的设计的话，一颗主芯片就相当于人大大脑，一个原理图就是围绕着这颗主芯片展开的，大脑工作需要血液，那芯片需要电能，人有心跳，那电路板也有晶振，向主芯片提供脉冲，这个脉冲的频率往往和芯片的工作速度有关。人体的四肢，就相当于电路的配件，比如开关的按键。
那么在原理图设计中，一切的工作基本都是围绕着这颗主芯片展开的。主芯片的选择，决定了后续一切工作的开展。这里我就讲一个自己亲身经历的例子。
我们当时要设计一个zigbee通信的智能开关。而ZigBee芯片当时主要有3个厂家在生产，TI（德州仪器，CC2530）、 XXXXX 的xxx、 NXP(恩智浦)的JN5168。当时使用最多的是TI的芯片，价格也比较优惠，拆过小米的开关，他们用的是NXP的，xxx 是性能最好的，当时我们产品定位是高档，所以芯片就选了这款，但是这颗芯片为后续工作埋了很多深坑。
首先在原理图阶段就有一个坑，因为这款芯片虽然性能好，但是价格较高，导致使用的人很少，那么可以参考的电路也就比较少，在这里zigbee的射频电路部分一些电感电容的参数只能自己摸索，在后续整机测试时，这部分电路返工好几次才确定最终的参数值。
另外关键配件的选择也很重要，比如开关的按键还有继电器都是核心配件，这个阶段都要确定好。原理图出来以后，基本就可以做接下来的工作了。
固件开发
原理图输出后，接下来有几项工作可以同时开展：嵌入式软件，互联网软件还有ID设计。其中，嵌入式软件的开发和原理图是关系最紧密了，原理图阶段对主芯片的选型直接影响到嵌入式软件的开发进度和质量。开发人员对这颗芯片是否熟悉，是否用过此系列芯片很重要。刚才以我之前经历的一个智能开关项目为例，当时ZigBee芯片选型时选择了XXXX公司的芯片，就为嵌入式买下了大坑，因为XXXX公司的芯片普及度不高，所以在北京基本找不到能开发此芯片的嵌入式软件工程师，项目一度受阻，最后是采用外包的形式，在厦门找了一个兼职工程师做了软件。
在嵌入式软件开发过程中，关于各引脚的功能定义要和原理图紧密结合，根据原理的设计，写软件的底层控制逻辑。
程序写好之后，要等PCBA生产出来，烧写到芯片上面才可以调试及测试。
右上图是单片机烧写程序的工具，下图是烧写仿真器。没有烧写仿真器，嵌入式程序是无法进行调试的。
互联网软件开发
这个时候互联网软件也可以开发了，在这里就不多讲了。大家都比较熟悉。
ID设计
原理图输出后，ID设计也可以开始了，为什么推荐必须原理图确定之后，才能开始结构设计呢，因为原理图确定后，电路板上面的大件电子元器件尺寸就可以确定了，这个时候设计外观会更准确，避免返工。
ID设计的原则是什么呢，ID是外观，所以美观当然很重要，但是也不能一味的追求美观，一个ID设计师最好也要懂一点结构设计，因为不是所有的外观设计都能够进行MD设计并能开出合适的模具，比如右图这种ID设计，基本是没有办法开模具了。
这里给大家讲一个小故事，就是有一次我参加一个小米的产品培训，当时讲师问了一个问题，为什么小米的产品都是圆角而不是直角，当时有一个CEO给出了答案，从美学的角度讲了很多圆的优点。但是讲师给出的答案是，用圆角不用直角的原因只有一个就是为了省钱，因为从结构开模上讲，圆角比直角好实现，并且成本低，在注塑阶段也是一样，圆角省料并且更好实现。所以一个好的外观，不但要美观还要易实现、成本低。
MD设计
ID设计输出后，就可以进行MD设计了，MD设计是根据ID设计的6面图进行的，在MD设计的过程中，还需要知道PCBA的主要元器件的摆放位置，当然这两者户互相制约影响的，一般都是根据外观确定好PCBA的几个大件摆放，比如智能开关的按键，按键放在什么地方，ID阶段基本就确定了，还有电池等大件，大概确定范围，就可以开始MD设计了。MD设计除了考虑以上因素外，还要考虑组装的复杂度，尽量要组装简单，并且要做防呆设计，防呆两个字表面意思理解就是防止痴呆症患者，其实意思就是你这种设计组装时要简单到连傻瓜都能装对，一般是通过接口的特殊设计来实现，主要没有安装对就装不上。就像上面图片里面电路板和外壳标红的地方就是防呆设计，电路换个方向就会装不进壳体。
MD设计完之后，一般需要打手板来验证，这个过程不但周期长，而且成本高，一般一只开关的壳做出来就要700左右，可以手工来做，也可以选择3D打印来做，但是3D打印的效果其实还不够好，只能简单验证下结构的功能。在做智能货柜时，货柜两边的摄像头，上面的壳体就是我们自己设计生产的，3D打印的话，一个壳体大概100多，后来开模生产的壳体，一个才1块多，样品阶段确实非常费钱，而且费时。
PCBA设计
MD设计完后就可以输出PCB的轮廓图了，一般我们见到的板子可能都是四方的，因为四方的好生产，所以一般没有特殊结构要求我们都会把板子做成四方的，但是大家可看到我这里放的几个PCB板子就是奇形怪状的，这个就是由于产品结构的限制，使板子必须设计这样才能够安装。
其中PCB也是用前面提到的AD软件来设计的，是根据原理图生成的，然后再那个生成的图的基础上再进行布线等一系列操作。PCB设计一般如果没有高速信号或者射频电路等，两层板就可以了，但是如果有射频类的电路就要用到4层板，防止电信号对射频信号造成干扰，当然板子的层数越多，制造成本也就越高。
设计的PCB图纸发给PCB印刷厂印刷出来的板子就叫做PCB板子，上面是没有电子元器件的。由于PCB印刷是有污染的，所以北京及北京周边是没有工厂的，这个一般需要南方的工厂帮忙代工，在样机阶段，可以选择像嘉立创这样的工厂帮忙生产，比较便宜而且快，因为他们有专门想样机阶段板子的流水线，会把不同客户的板子拼在一起，节省原材料。一般一个板子，根据面积和层数收钱，之前我们设计的开关的板子，一次打样费用大概500元左右。
PCB印刷好之后，需要把芯片电子元器件焊接到板子上，焊机好的成品就叫做PCBA。焊接北京还是有一些工厂在做，但是样机阶段找大厂做比较不划算，找小厂稍微省点钱，但是这个阶段也是一样费钱，一般贴片机开一次就要3000以上，无论你焊接几块，这是最低开机费用，因为他要根据你的PCB生成贴片程序，还要上料，这个阶段一般也就做10块板子，只这一项代工费就差不多300元一个了。一个PCBA做好，如果没有特别贵的元器件的话，一般400-500元。在开发过中，很少有一次就成功的，所以这个过程会反复好多次。硬件开发真的是费钱又费时。在南方的话可能还方便点，所有代工厂都在一起，做起来比较快。
样机手板整机验证
MD的手板件，PCBA成品，固件程序，互联网程序都开发完后，就可以整机验证了。整机验证首先要看手板件和PCBA组装后是否有问题，有问题是修改结构还是PCB布线。另外还要验证固件程序烧写到PCBA后功能是否都能实现，有没有Bug。最后还要和互联网软件联调，测试功能实现情况。
经过修改后进行再次验证，这里验证过程测试人员需要跟进，做完整的测试方案。测试没有问题后，就可以找一个真实场景的用户进行试用。在试用过程中发现问题，还需要继续解决，直到试用不再出现问题，研发阶段基本就可以告一段落了。
三、批量生产
再接下来就要进入批量生产环节了。批量生产分为三个阶段，一个是量产前的准备，再接着是小批试产，最后是大批量生产，能撑到大批量生产的产品一般都算是比较成功的产品了。接下来我们看看量产前的准备都有哪些工作。
结构开模
第一个工作就是给结构开模具，通过刚才的MD设计部分我们知道打手板是非常贵的，如果不开模具是不可能进行小批试产的。但是开模具也是需要非常谨慎的一步，因为花钱太多，上图中的铁块就是一个模具，你可以看到铁块里面有一些凹进去的部分，那个就是产品的结构件，注塑的时候就会在凹进去的部分新程结构件。
在做模具之前，一定要反复确认MD设计，做的过程中，要确定一些参数，最重要的是结构件的使用寿命，比如是可以出10万件还是1万件，5000件。我们做的摄像头壳，那么小，只能出5000件的模具还需要上万。如果使用寿命长，体积大，那么成本会更高。最后这个模具费用都会被平摊到产品上去，所以你的产品最终想出多少量，这里就要有个预估。
另外产品的表面是光面还是磨砂面，也要在这个阶段确定，产品的表面就是由模具的材质决定的。
模具做好之后，要注塑试模，一般主要看表面有没有瑕疵，我记得当时好像是如果结构件的背面有很大的柱子，表面就容易塌陷，一般或多或少都会有点瑕疵，就需要反复修改模具。
去过一次模具厂，模具的 加工就是慢工出细化的工种，会有一个很小的钻头还有水慢慢的磨，是大型机器，确实不是立等可取的东西，一般模具的生产周期都在40天左右。
PS: 模具的使用寿命影响因素（网上搜的）
1，模具钢材中夹杂物的含量增加：模具钢中的夹杂物是引起模具内部产生裂纹的起源，特别是脆性氧化物和硅酸盐等夹杂物，在热加工中会时不时的发生塑性变形，由此会引起脆性的碎裂形成微裂纹，当我们在进一步的热处理和使用中，该裂纹会进一步的引起模具的开裂。
2，碳化物分布不均匀引起的失效：我们用的注塑模具钢材中，有大量的共晶碳化物，当我们进行模具钢材锻造时，锻造比小或者是浇注温度控制不适当，在钢材中容易呈带状或者是网状碳化物的偏移，这样会使模具零件在淬火时出现沿着带状或者是网状碳化物严重的部位出现裂纹，当我们在使用的过程中内部裂纹会进一步的扩展进而引起失效，或者是出现断裂的现象。
3，模具钢材的锻造质量不好引起的失效：钢材锻造质量的好坏会直接影响着模具的使用寿命，如果锻造的加热制度与变形工艺不当，这样会直接引起钢材产生过热，出现表面裂纹，内裂，角裂等缺陷的现象。这些都会降低模具的使用寿命，或者出现直接报废的现象，对于高碳高铬的莱氏体钢，导热性相对较差，如果在锻造加热时加热速度过快，或者是保温时间不足，造成锻造时钢坯内外温差大，这样也会产生内部裂纹。
4，还有一点就是模具钢材的表面质量太差：如果模具钢材出现表面脱碳严重的现象，当我们在进行机加工后，仍然有残留的脱碳层，在对模具进行热处理时，由于内外层组织不同造成明显的应力不同，这样会出现模具淬火裂纹，如果在进行淬火之后，模具表面层的硬度偏低，截面的硬度分布还不均匀，都会影响模具的使用寿命。
电子备料
这个阶段电子元器件就需要备料了，在前面讲到当时我们主芯片选择的是silicon公司的芯片，导致在电子备料阶段也有一个大坑，就是市场上这款芯片非常少，购买渠道太少，而芯片的订货周期很长，并且对起订量也有要求，所以不是很好备货，备少买不到，备多了会压自己的资金。
其他普通的电子元器件一般都比较好购买，也比较好备货，渠道也多，但是尽量还是从打代理商处买。电子元器件有时工期超长，比如2017年时贴片电容，由于一家大供应商停产了，导致市场上电容紧缺，价格从10几块一盘上涨到300-400元，涨了几十倍，而且正规代理商处还哦度拿不到货，货期都排到了4个月-6个月。
上图中是一些常用的电子元器件。现在的电子元器件大都是贴片的，极少数还有一些是插件的，插件的就是这种带脚的。一般大的电容都是插件的。
整机验证
小批量试产前还有一次整机验证，这次整机验证的产品外壳就是由模具生产的结构件，整机组装后再次进行测试，最后进行产品内测，这次的生产个数会比样机阶段要多，但是比小批试产要少，一般是几十一百的样子，放在真实场景进行内测。继续监测产品的性能、功能、稳定性等。
小批量试产
通过产品内测后，就可以进行小批量产了，这个阶段一定要选准代工工厂，一个成熟的代工工厂可以帮助你少走很多弯路，现在有工厂可以做到一条龙服务，从结构件生产，PCB印刷，贴片，电子元器件供应到组装包装，全部搞定。在这个阶段还有几个设计要做，都是和生产相关的，如果电路板上有插件的元器件，还需要制作治具帮助进行焊接，还有生产好的板子要进行测试的话，也需要设计测试治具，进行电路的检测。这两种治具一般工厂都会帮忙待做，但是有费用。
最后生产完毕，还要看看产品需要进行哪些相关认证。一般电器产品，国内都要多3C认证，这个认证最后是需要到现场进行验厂的，所以工厂的配合很重要，如果出口国外一般还要做其他认证，比如欧盟的CE认证，东南亚的PSE认证等。
大批量生产
小批量产过后就到大批量生产了，到这个阶段产品基本都比较成功了。主要就是细化工艺，质量把控、售后准备等内容了，大批量阶段在这里就不和大家多讲了。
四、整体流程回顾
最后回顾一下整个流程，这是一个总图。有15个环节，其中可以看到原理图设计在一个非常重要的位置上。其他几个重要的开发过程都依赖于它的输出，所以在产品设计的前期非常重要，不能单一得只从技术或者只从成本角度考虑，要有一个全局的考虑，才能给后来的开发少挖坑。一个智能硬件产品的问世经历了研发、产品、测试、项目经理、采购，品控等各环节工作人员的辛苦努力和付出，需要耗费大家很多心血加上运气及各种因素才能成就一款产品，在这里向各位奋战在产品研发一线的同学们致敬！
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