Разработка электроники. Аудит проекта в примерах. Спасаем тёплые полы всем хабром

Давно хотел провести детальный анализ какого-либо проекта по разработке электроники, показать явные ошибки и правильные подходы, которые помогут их исключить. Возможно, ещё долго бы собирался, но подвернулся случай — пост в блогосфере Habra “Становление термостата. Как это получилось”. Статья вызвала бурю в комментариях в том числе и с моей стороны, значит тема актуальна. Какой смысл рассказывать о провалившихся и канувших в Лету проектах, где уже ничего нельзя исправить, не лучше ли попытаться сделать доброе дело?

Попробуем провести аудит проекта с учётом самых ценных комментариев и будем надеяться, что команда извлечёт из него что-то полезное. Возьмём за минимально жизнеспособную версию (MVP) информацию, которую авторы раскрыли в своей статье и подумаем, каким образом можно его улучшить в ходе следующей итерации.

Немного схемотехники

В материалах, выложенных в статье, содержится слишком мало информации на основе которой, можно провести качественный анализ схемотехники и трассировки плат. Возможно, нам вообще представили устаревшие варианты плат. Но даже, если это так, анализ будет полезен не столько для авторов проекта, сколько для читателей.



C большой степенью вероятности можно утверждать, что частые “зависоны” модуля ESP связаны не столько с его “глючностью”, сколько с серьёзными проблемами в системе питания. Попытка выйти из положения введением внешнего вочдога, аналогична лечению больного с повышенной температурой путём погружения в ванну с холодной водой. В короткой перспективе результат будет достигнут, но закончится такое лечение скорее всего летальным исходом.

Малогабаритные высококачественные AC-DC модули от известных производителей стоят серьёзных денег и “подрывают” экономику подобных проектов ещё в большей степени, чем “навороченные” графические индикаторы с сенсорным экраном. Можно понять почему начинающим разработчикам трудно преодолеть искушение разработать импульсный источник питания самостоятельно и быстро. В DIY проектах подобные попытки зачастую заканчиваются лёгким, но надолго запоминающимся, ударом тока и небольшим фейерверком. Рисковать подобным образом в коммерческой разработке слишком опасно и в данном случае установку покупного модуля я считаю оправданной, а вот вопрос его выбора остаётся открытым.



В данном проекте имеем дело с экстремальным случаем — для контроллера необходим недорогой, малогабаритный, надёжный источник питания. Но главное, он должен обеспечивать подавление значительных импульсных помех, вызываемых релейной коммутацией нагрузки большой мощности. На рынке существует широкий выбор предложений AC-DC модулей питания, паспортные данные которых очень похожи, а цена отличается в разы. Есть все основания полагать, что не только за счёт наценки за бренд.



Визуальное изучение внутренностей наиболее дешёвого из тройки модулей показывает, что при его создании использовалось большое количество ручных операций. Это снижает повторяемость монтажа и увеличивает вероятность брака. “Закладывать” такие модули в спецификацию серийного изделия можно только после тщательного тестирования нескольких экземпляров из разных партий, реверсинженеринга и анализа схемотехники. К тому же, перед монтажом будет необходим стопроцентный контроль, причём простым измерением выходного напряжения тут не отделаешься. Придётся создавать автоматизированный стенд для стопроцентного контроля этих изделий под нагрузкой и в условии импульсных помех. Так что, выбирая экстремально дешёвый вариант, необходимо семь раз всё взвесить.


Пора повнимательнее приглядеться к фотографиям плат, выложенных автором.

Даже в скудной документации, оказавшийся в нашем распоряжении, есть пища для анализа.


Не будем придираться к выбору типа интерфейсного разъёма, поскольку перед нами прототип, и я уверен, что в реальном устройстве будет стоять что-то понадёжнее. Некоторое недоумение вызывает расположение на плате и само наличие внутри корпуса температурного датчика вернее место для его установки, возможно с его помощью автор дизайна намеревается измерять температуру внутри корпуса. Зачем, для меня осталось тайной.

Гораздо большее беспокойство вызывает у меня правое фото, на котором просматриваются элементы дизайна высоковольтных сильноточных цепей.

Для сравнения ниже приведены фотографии внутренностей популярного китайского модуля беспроводного реле “Sonoff”, управляемого по WiFi, с субгигагерцовым субмодулем на борту.



Чудо ценовой китайской оптимизации выглядит более подготовленным к эксплуатации и сертификации, чем наш “подследственный”. В нём меня смущает одна вещь — клеммник уж слишком малых габаритов для токов в 10 Ампер. Но китайский прибор оптимизирован по исполнению для коммутации освещения. А вот “наш”, по определению должен работать с большими токами, для чего имеет реле аж на 16 Ампер. Надеюсь, реле выбрано надлежащего качества и его контакты не “залипнут” через пару месяцев работы, но вот насчёт долгой и счастливой работы клеммника при таких токах, у меня существую серьёзные сомнения, хотя минимально допустимые по диаметру (1.5 мм) медные проводники в него вставить скорее всего получится. Лично я, хотя бы для сильноточных цепей, забил бы в спецификацию клеммники хорошо зарекомендовавшего себя производителя, например, WAGO или Weidmüller, уж слишком ответственная деталь, на которой не стоит экономить. Внимательно присмотревшись, можно увидеть хитрые пропилы в китайском варианте(цифра 2). Если автор отечественного дизайна считает, что они нужны для облегчения веса, то глубоко заблуждается. Они предотвращают обугливание участка платы между двумя печатными проводниками с большой разностью потенциалов в следствии пробоя. Пробой — штука крайне неприятная. Хорошо, если из-за возникшей электрической дуги просто сгорит одна из дорожек или предохранитель. А если начнётся пожар? Особенно часто подобные неприятности случаются в высоковольтных цепях постоянного тока — между ними из-за эффекта поляризации любит скапливаться пыль, и при повышенной влажности…

Единственная существенная деталь, на которой наши китайские партнёры позволили себе сэкономить — конденсатор, роль которого — гасить импульсные помехи.



Не будем глубоко вдаваться в подробности, отметим только, что для этого стоит использовать специально сконструированные конденсаторы, способные гасить короткие выбросы с напряжением вплоть до 2500 Вольт. Те, что предназначены для бытовых применений, имеют маркировку X2.

Как правило, при выходе из строя таких конденсаторов, в них возникает замыкание между обкладками. В цепи резко возрастает ток и сгорают либо предохранитель, либо дроссель, который часто ставят на место предохранителя. В результате, устройство, ставшее опасным для жизни человека, выходит из эксплуатации.

Если вы надумаете использовать более бюджетные конденсаторы не содержащие такой маркировки, то необходимо проследить, чтобы максимальное допустимое напряжение на них было не ниже 600 Вольт и они были пригодны для работы в импульсных цепях, как тот, что справа.
Вернёмся к опубликованному участку схемы контроллера тёплых полов.



Вроде бы тут есть и конденсатор для подавления импульсных помех и AC-DC модуль похож на гальваноразвязанный… К сожалению, мы не имеем возможность видеть, что скрывается под верхней платой. Там наверняка должен располагаться AC-DC модуль, а вот о типе левого по схеме конденсатора можно только гадать. Если он выбран неправильно, то обилие электролитов не способно обеспечить требуемый уровень подавления импульсных помех, а это, в свою очередь, может самым негативным образом сказываться на устойчивости работы WiFi модуля.
На этом я, силовым решением, заканчиваю повествование о схемотехнике и перехожу к более важной теме, ради которой и писалась статья — развитию продукта и маркетингу.

Поговорим о вечном — ценностях

Итак, вы задумали свой продукт. Надеюсь, он обладает уникальными свойствами. Чем существеннее эти отличия, тем серьёзнее вы выделяетесь на фоне конкурентов, а значит привлекаете внимание. Но тут есть один нюанс. Отличия могут как привлекать новых покупателей, так и отталкивать.

Допустим, вы изобрели ведро, в котором дно дырявое. Большинство людей использует ведро для переноса и хранения жидкости. Их покупка вашего инновационного ведра приведёт в ярость. Но найдётся человек, который догадается использовать его для того, чтобы просеивать песок от камней или в качестве душа. Он останется очень доволен наличием отверстий. Проблема в том, что это будет лишь один покупатель на 1000, а может и 10000 тех, кто использует вёдра по традиционному назначению.

Делаем выводы: В процессе развития продукта функциональность не имеет смысла в отрыве от аудитории пользователей, для которых она представляет ценность. По этой причине на самых ранних этапах следует определить круг потребителей, для которых ваше устройство может быть полезным. Необходимо подойти к этому с особой тщательностью — выяснить их пристрастия, образ мысли, имущественное положение и главное, насколько важную для них проблему способен помочь решить ваш продукт и почему он делает это лучше уже имеющихся.

Анализ потребителей. Бюджетный сектор

Попробуем очертить круг потенциальных потребителей нашего термостата и тенденции, влияющие на их изменение.

В частном секторе топить электричеством дороговато, поэтому первым делом нас интересуют покупатели новых квартир и вторичной недвижимости. Легче всего заработать на растущем рынке, но сегодня мы имеем обратную картину.


На получателей ипотек с минимальным начальным взносом рассчитывать не приходится. В условиях падения доходов им не до “тёплых полов”.

В бюджетном сегменте ловить нам особо некого, обратим взор на средний класс.

Анализ потребителей. Средний класс

Несмотря на то, что численность среднего класса уменьшается, за счёт его пересегментации замена предпринимателей на чиновников, служителей культа и силовых структур должен наблюдаться некоторый поток клиентов, заинтересованных в установке тёплых полов. На фоне общего снижения доходов, этот сегмент пополняется и айтишниками, зарплаты которых продолжают рост в рублёвом эквиваленте за счёт высокой конвертированности их специальности на зарубежных рынках. И это хорошая новость.

Анализ потребителей. Элитный спрос

Существовал и будет существовать в нашей стране, ну по крайней мере пока не закончится нефть. Однако, есть все основания полагать, что патриотический настрой основного количества представителей этой группы слабо стимулирует спрос на продукцию начинающих российских предпринимателей в области систем жизнеобеспечения дома. С большой степенью вероятности они обратят свой взор на известные западные бренды верхнего ценового диапазона, хотя бы из соображений престижа.

Анализ потребителей. Подводим итоги

1. Самый быстро растущий сегмент Сверхновые средние русские — растущий сегмент среднего класса — чиновники, работники силовых структур всех мастей, духовенство.
2. Медленно растущий сегмент Высококвалифицированные специалисты, прежде всего в области
3. Падающий спрос Мелкие и отчасти средние предприниматели.

Строим ценностные гипотезы

Первый сегмент обладает самым платёжеспособным спросом, за часть которого можно побороться, конкурируя с известными западными брендами. При организации продаж следует учитывать, что это весьма специфическая аудитория. Продаваемые ей продукты должны обладать следующими качествами: выразительный и разнообразный дизайн. Быстро “повышающие” свой статус люди, с чрезвычайно высокой самооценкой, могут иметь самые неожиданные “представления о прекрасном” и готовы платить за их реализацию. Возможность кастомизации внешнего вида для них важна в значительной степени. Интерфейс обязан быть максимально простым, рассчитанным на переключение нескольких предустановленных режимов. Ценят необычные фичи. Очень важна надёжность работы и максимально быстрый уровень сервиса, иначе можно вместо прибыли получить очень крупные неприятности.
Второй сегмент готов платить прежде всего за высокую функциональность, даже если никогда ей не воспользуется. Для IT специалистов большим преимуществом будет гибкость ПО, наличие открытого API для возможности интеграции с системами умного дома других производителей.

Третий сегмент По большей части прагматики. В первую очередь важна хорошая базовая функциональность при дефолтных настройках, удобство управления и дизайн, вписывающийся в “спокойный” интерьер помещения.

Ищем конкурентные преимущества

Если у вас нет конкурентных преимуществ, то дорогостоящая операция по созданию нового продукта не имеет ни малейшего смысла. Покупайте уже существующие на рынке устройства и сосредоточьтесь на продажах и разработке программного обеспечения для них.

Чтобы найти дополнительные конкурентные преимущества можно попробовать задействовать научный подход. Существует отличная методика, основанная на построении “стратегической канвы”. Этой методике посвящена книга “Стратегия голубого океана”, а с примером применения её для определения функциональности нового электронного изделия можно ознакомиться в одной из моих прошлых статей на Habr.

В пределах этой статьи недостаточно времени для полноценного исследования, поэтому будем руководствоваться логикой, опытом и ценными советами, подсказанными в комментариях.

Исходя из круга потребителей, которых мы для себя выделили, становится понятно, что пытаться бороться за супербюджетную нишу нет никакого смысла, — там слабый, а главное падающий платёжеспособный спрос. Оставим её китайским кудесникам и будет думать дальше.

Наиболее требовательными к потребительским качествам продукта являются покупатели первого сегмента. На них и будем ориентироваться в первую очередь. Что нужно для того, чтобы их удовлетворить:

• Максимально простой интерфейс пользователя
• Несколько режимов работы для наиболее стандартных случаев с тщательно продуманными дефолтными настройками
• “Солидный внешний вид”, который в то же время является необычным и может кастомизироваться под пользователя.
• Исключительно надёжная работа даже в условиях значительного отклонения напряжения сети от номинала и серьёзных помех, вызванных не слишком качественной проводкой. Любой отказ оборудования у таких клиентов чреват очень крупными неприятностями.

Описанные выше качества продукта будут не лишним также для условных “ITшников”. Однако, им можно подарить дополнительную серьёзную плюшку в виде открытого API, с помощью которого они смогут реализовать свои фантазии в управлении устройством и объединять его с уже существующими у них компонентами “умного дома”.

Как всё это воплотить в жизнь?

Что же делать с внешним видом? Сделаем 10 вариантов корпуса и за каждую прессформу заплатим по 5 килоевров, напечатаем 500 тысяч корпусов разных оттенков и будем распродавать их до наступления ссудного дня?

Не лучшее решение

А почему бы не попросить помощь “Зрительного зала”?.. Если внимательно прочитать комментарии к статье, то на основе всего двух можно получить рекомендации к решению проблемы. По крайней мере для следующей итерации.

Итак, топ 1 в моём рейтинге — комментарий уважаемого lingvo

Он заслуживает того, чтобы привести его дословно.



Второй ценнейший комментарий от не менее достойного хабраюзера zapimir и находится он совсем рядом.



Огромную ценность представляет ещё одна выдержка из комментария этого же хаброюзера.



Всего два человека смогли подсказать нам путь, по которому стоит двигаться!
Попробуем, с учётом их комментариев, создать новую итерацию концепта устройства.

Разделяй и властвуй

Беспроводные модули

Главное изменение — переходим на распределённую систему — разделяем устройство на части, объединяя их беспроводным интерфейсом.

Правильный выбор типа интерфейса и радиочастотного диапазона — краеугольная задача, от которой зависит успех проекта.

На первый взгляд, наилучшим решением является субгигагерцовый диапазон 868 МГц. Волны этой частоты гораздо легче, чем их более высокочастотные собратья, преодолевают помехи распространению в виде гипсокартонных панелей и даже железобетонных перекрытий. Кроме этого, на сегодняшний день, в данном диапазоне работает гораздо меньше устройств, чем на частоте 2.4 ГГц.

Тем не менее, я бы остановил выбор на трансиверах с поддержкой Bluetooth Low Energy(BLE), которые работают в диапазоне 2.4 ГГц. Данный диапазон загружен сильнее, тем не менее у этого решения существует множество серьёзных преимуществ:

• Количество рабочих каналов существенно выше
• BLE стандарт имеет механизмы автоматического “перепрыгивания” с канала на канал для отстраивания от помех
• В пятой версии протокола появилась поддержка распределённых самоорганизующихся MESH сетей, что позволяет без дополнительных расширителей сетей строить системы контроля отопления не только в пределах квартир большой площади, но и в коттеджах
• BLE стандарт идеальным образом подходит для создания датчиков и других устройств с чрезвычайно низким энергопотреблением, способных работать от одного комплекта батареек по нескольку лет
• При необходимости можно использовать модули с повышенной мощностью чувствительностью

Самостоятельно конструировать беспроводной канал связи не имеет смысла — при маленьких объёмах закупок, комплектация обойдётся дороже, чем закупка готовых модулей приличных производителей. К тому же, не имея опыта работы с ВЧ компонентами и специализированного измерительного оборудования, рассчитывать на хороший результат сложно.

Беспроводное реле

Управление контактными группами реле “тёплого пола” передаём отдельному девайсу, не имеющему собственной индикации и органов управления. Выполняется в стандартном покупном корпусе. На первом этапе стоит рассмотреть целесообразность использования полностью готового покупного серийно производимого устройства. В дальнейшем, при выходе на серьёзные объёмы, возможна разработка собственного, сконструированного с учётом опыта эксплуатации в ходе стартовых продаж.

Поставщика надо выбирать тщательно, желательно уже имеющего российский сертификат.

На начальных этапах возможно использование покупного модуля беспроводного электронного реле, но к его выбору и тестированию необходимо подойти с большой тщательностью. Главный плюс такого решения — не придётся тратиться на разработку источника питания и сертификацию. Второй — за неприятности, связанные с цепями высокого напряжения и токов отвечает производитель купленного девайса. Желательно найти устройство, имеющее на борту тот же беспроводной чип, что взят за основу проекта. Его можно будет перепрошить своим кодом.

Датчики

Современные BLE чипы построены на базе микроконтроллеров с ядром ARM4 и имеют достаточно богатую периферию для реализации разного рода датчиков и более сложных устройств без использования дополнительного микроконтроллера.

Для создания беспроводных датчиков нужно добавить на плату с BLE модулем какой-нибудь из чипов сенсоров, умеющих измерять температуру и давление, например описанный мной в предыдущей статье на Habr.

Для того, чтобы такое устройство автономно работало несколько лет, достаточно одной трёхвольтовой батарейки типа CR2032.

Для экономии, на одной платке можно развести сразу несколько типов датчиков и, по мере необходимости, устанавливать на плату ту или иной периферию.

• датчик влажности/температуры
• датчик протечек
• контактный датчик
• инерциальный датчик

HUB

BLE — это хорошо, но выход в интернет не обеспечивает. Придётся подумать о хабе, который станет мостиком между BLE и WiFi. Вариантов тут, пожалуй, не много. WiFi на основе какого-либо из модулей ESP, лучше современном типа ESP32. BLE модуль, кроме исполнения основных функций может следить за корректностью работы WiFi модуля и перезагружать его при необходимости. Теоретически чип последнего поколения ESP 32 может работать и в режиме WiFi, и в режиме BLE, но я бы не рискнул делать роутер исключительно на его основе.

Питание устройство получает через microUSB (USB3 typeC) разъём, имеет встроенный аккумулятор для возможности автономной работы, звуковой излучатель для предупреждения об аварийной ситуации и семисегментный светодиодный излучатель на несколько разрядов, скрытый под матовым стеклом.

Подробнее о конструктивном исполнении

Попробуем сэкономить на корпусе. Это будет крайне полезно при организации первых продаж в малых партиях. Его можно выполнить в модном ныне минималистическом дизайне — в виде шайбы. Основа кольцо, которое получаем, нарезая как колбасу трубку. Сверху устанавливаем полупрозрачную пластиковую крышку. Снизу вторую крышку, к которой для устройств, местоположение которых предполагается часто изменять можно приклеить магнитную резину, для стационарных двухсторонний скотч.

Похожую, но гораздо более сложную структуру имеют датчики Xiaomi. При их объёмах выпуска сделать молдинг для изготовления верхней части корпуса сложной формы не является проблемой.

Все устройства, кроме релейного модуля можно выполнить в этом форм факторе. На первом этапе будет достаточно корпусов двух размеров. Побольше для хабов, поменьше для датчиков.

Такой корпус хорош тем, что, имея стильный внешний вид, очень прост в изготовлении малыми партиями и для кастомизации. Не нужно никаких 5000 USD на прессформу. Нарезка трубки — простая и дешёвая операция, резка листового пластика также.

КАК УДОВЛЕТВОРИТЬ ВСЕХ И СРАЗУ

Каждой звезде — свой неба кусок,
Каждому морю — дождя глоток.
Каждому яблоку — место упасть,
Каждому вору — возможность украсть,
Каждой собаке — палку и кость,
И каждому волку — зубы и злость

В результате проведённых исследований мы получили концепцию удобного и гибкого устройства. Проблема только в одном — поздновато выходим на рынок. По этому же пути сегодня идут уже не только безымянные китайские фирмочки, но и глобальные корпорации. Одним из самых серьёзных конкурентов является детище Philips — серия устройств выпускаемых под общим брендом “Xiaomi”. Для конкуренции с ними надо искать серьёзные преимущества.

У выходящей на падающий рынок компании с малыми ресурсами не так много козырей в рукаве. Необходимо сконцентрироваться на сопутствующем сервисе и простой процедуре установки.

Коробочные версии для бюджетных покупателей

Возможность выбрать из нескольких стандартных версий в которых:

• входящие в комплект приборы уже подключены друг к другу. Вынимай из коробки и начинай работу
• хорошо продуманы несколько дефолтных конфигураций на выбор
• всё, что необходимо выполнить для работы с коробочной версией — скачать и установить мобильное приложение, выйти на сервер по заданному адресу, отсканировать штрих код на коробке и ввести пароль. После этого, вы попадаете на уже сконфигурированный, под лежащие в вашей коробке устройства, профиль и выбираете один из сценариев работы.
• простое подключение дополнительных модулей в онлайн приложении с помощью “мастера подключения”
• техническая поддержка, в идеале в виде чата, организованного в мобильном приложении, либо чата в одной из социальных сетей
• подробное описание процесса самостоятельной установки и подключения

Покупатели с повышенным требованием к дизайну и те, кто нуждается в нестандартной конфигурации

• Возможность самостоятельно, либо с помощью менеджера, сконфигурировать кастомную версию
• Возможность выбрать корпус с нестандартным дизайном будет стоить дополнительных денег и время исполнения заказа увеличится. Доступны следующие опции:
• изменение цвета корпуса
• изменение верхней накладки
• изготовление накладки из нестандартных материалов, вплоть до полудрагоценных камней (для этого можно привлечь к сотрудничеству мастеров с сервисов оказания услуг, например из profi.ru
• Опция продажи с установкой и настройкой. Установка может быть совмещена с доставкой, а может выполняться отдельно. Тут нужно взвесить все за и против.

IT специалисты

Поскольку среди клиентов мы специально выделили тех, кто не понаслышке знаком с IT технологиями, подготовим плюшки и для них. Это конечно открытый API с широкими возможностями для кастомизации и интеграции в другие системы.

Сторонние проекты в области IOT

В случае успеха проекта, открытый API и содействие в кастомизации может привлечь разработчиков отдельных устройств в области IOT, которые полностью раскрывают свои возможности в составе законченных систем.

Время подводить итоги

Наше небольшое исследование сильно напоминает мозговой штурм, в результате которого появилась масса гипотез, ожидающих проверки. Начинающим стартапу развиваться одновременно по всем намеченным направлениям будет крайне сложно, поэтому придётся выбирать наиболее перспективные, тестировать, переходить к другим…

В условиях крайней ограниченности ресурсов, на слабо растущих или падающих рынках, это сложно и с чисто софтверными стартапами, а в случае hardware продукта практически невозможно. Создать на собственные сбережения commodity устройство крайне затруднительно даже имея уникальную идею.

Размеры статьи не позволили нам обсудить возможные шаги, которые необходимо предпринять для продвижения и пиара. Надежды исключительно на “сарафанное радио” в большинстве случаев совершенно необоснованны.

Возможно этих проблем я коснусь в следующий раз, если статья вызовет интерес…

Вместо послесловия

Если ты сделал то, что не сделал никто до тебя, то возможно ты Гений. Но гораздо чаще причина более прозаическая — просто никому, кроме тебя, это не нужно. Большие компании тратят миллионы долларов на изучение спроса. Подобная реакция на бесплатные замечания и предложения целевой аудитории — нонсенс.

Необходимо уметь отделять мух от котлет. Если что-то делаешь исключительно ради получения кайфа, это безусловно похвально. Только это называется словом DIY и далеко не всегда масштабируется в рамках стартапа.

Если вы разрабатываете устройство в рамках коммерческого проекта, то следует учитывать тот факт, что создать успешный продукт без обратной связи от потенциальных клиентов и экспертов практически невозможно. В сегодняшнем мире на коне тот, кто умеет использовать её наилучшим образом.

Огромная просьба к дочитавшим до конца пройти опрос