物联网硬件产品如何开发

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我将硬件开发过程分解为几个阶段，并确保每个阶段都顺利通过。下面，我以智能扬声器等设备为例，举例说明。

智能扬声器/智能屏幕通常都要经过这些硬件开发阶段：

1. 硬件产品开发的可行性研究

硬件是资本密集型产业。不管你最初的想法有多好，你都需要证明它是可行的。首先，你需要检查这个概念在技术上是否可行，是否有良好的潜在市场需求。

在定义了产品的核心功能和副特性之后，编写一个技术规范列表。在早期阶段查阅当地/国际相关法规，有助于归避后期不必要的麻烦。例如一个面向儿童的人工智能应用程序的生产延迟了一年，因为他们不得不从头开始设计解决方案，以满足儿童在线隐私保护法的要求。

为了评估技术的可行性，开发人员通常从竞品分析开始。可以买一些市场上主流的产品，或者在网上了解它们的情况。当你花点时间研究，就会得到主要组件和供应商的数据表。这种通过COGS(销货成本)来评估设备也是一种较为直观的评估方法。COGS基本上把设备出售前所花费的所有成本计算在内:制造、运输、进出口税等。

构建MVPr

MVPr(最小可行原型)是你对产品理念的第一个实现。开发人员可能要花几天时间来创建第一个具有基本功能的原型。其目的是确认这个想法是有效的。不像MVP(最小可行产品)需要收集其他用户的见解，它主要是为了内部评估。

要为智能扬声器创建MVPr，可以使用商用模块或HDKs(硬件开发工具包)。如今，谷歌、亚马逊、高通等科技巨头以及一些小公司都提供HDKs。HDKs大大简化了开发过程。同时，开发人员可以使用与之配套的SDK(软件开发工具包)、测试固件和样例应用程序。

选择HDK时，应考虑：

• 目标操作系统
• 目标语音助手：亚马逊、天猫精灵、图灵、京东、科大讯飞等。
• 设备规格：处理器频率、架构、麦克风数量等。

HDK包含不同数量的麦克风，有不同的价格类别。

市场调研

如果一家初创公司为其颠覆性的联网设备吸引了数百万美元的投资，那么它的产品市场可能就不适合了。市场经理为推广产品投入了大量资金，一旦你后期放慢了推广的活动，销售就会下滑，因为客户并没有理解你的产品及其价值。

市场调查可以帮助你从用户的角度来了解产品。

• 你应该了解你的客户是谁，他们的社会特征。在产品开发期间，开发人员在设计原型和用户体验时就考虑到这些用户角色。
• 产品提供了什么价值?它解决了什么问题?这个问题对你的客户来说有多严重要?
• 该产品的独特之处是什么?哪些特性对客户来说是至关重要的?

竞品分析也很重要。

除了品牌定位、定价政策、市场份额等战略参数外，还应该查阅顶级竞争产品的技术规格。

接下来，当这些想法变成产品时，会发生什么呢?

2. 硬件开发专利

硬件初创公司应该把外观设计专利和实用新型专利放在首位。

实用性和美学是每个消费设备的宝贵资产。外观设计专利旨在合法保护产品的独特视觉特征。而实用新型专利目的是保护你的工程的新颖性。

专利价格昂贵，可能高达2万美元。如果你不能提交完整的专利申请，“临时专利”可能是你最好的选择。在提交完整的申请之前，此申请允许您保留作者身份一年。它的价格通常在200-500美元左右。

申请人可以通过USPTO (USA)或欧洲专利局网站核实其专利研究是否独特或符合专利申请资格。除此之外，还可以了解市场概况并跟踪当前的技术解决方案。

不要忘记与你的供应商和制造商签订保密协议。特别地，注明哪些是制造商生产需要，限制它们仅用于您的项目。

3. 面向消费设备的设计语言开发

设计语言是硬件开发的重要组成部分。

根据我们的经验，许多初创公司都急于开始原型制作、pcb布线、外壳设计和采购工厂。事实上，为了创造一个真正高质量和独特的产品，我们建议你耐心一点。先花点时间开发一种设计语言。

你为什么需要一种设计语言?

首先，创造一个独特的、可识别的设计语言，使你的产品有别于市场上的竞争对手。

其次，将设备的外观与公司的品牌相结合是非常重要的，而设备的设计语言也要与此风格统一。您的产品应该与界面、移动应用程序和其他组件保持一致。

最后，您应该列出构成整个设备系列的工业设计原则。

4. 消费类电子产品的设计

在每个阶段，硬件开发流程被划分为几个紧密相连的并行流。下面我们详细的讨论各个阶段的设计开发。

草图、渲染、ID(工业设计)

工业设计从画产品草图开始。草图定义了设备的一般线条和形状。然后设计师根据草图进行进一步的建模和渲染。

通常，在概念建模阶段，我们会计算出2 - 4个产品ID。它们通常是用3D打印机打印出来的，有时也用机床切割出来。根据模型的不同需求，有时三维模型是按1:1比例制作的，有时则不然。

在测试了模型的人体工程学之后，团队选择其中一个最优的设计进入下一个环节。

ID不仅包含硬件产品所有外部元素的设计，还包含所有内部组件的布局。例如，在智能扬声器中，不仅包括扬声器、麦克风矩阵，可能还有显示器或电池——所有影响设备大小和形状的东西。

在ID阶段，这个概念经历了很多变化。如图，我们提供了YotaPhone设计演变的图片，这是第一款双屏幕的电子墨水显示智能手机。

对于这款设备，产品团队进行了30多次的工业设计迭代，最终将所有必要的组件放入设备中。

机械结构设计

完成工业设计流程的最后一个阶段是MD(机械结构设计)。这个阶段在生产的同时进行开发。

MD是ID的一个更详细的版本。机械工程师在这个阶段创建了一个3D模型来制作模具。这个过程称为DFM(可制造性设计)。DFM的结果是创建一个参数化的产品3D模型，为生产做好准备。

DFM过程有很多阶段，从第一个CNC原型的创建到最后的模具迭代。

零件制造方法

制造零部件有三个主要过程：冲压、铸造(使用模具或工具)和切割。

• 冲压：冲压是一种低成本的方法，将金属薄板在压力作用下变成不同的形状。
• 铸造：铸造是将熔融的塑料在高压下注入大型模具的过程。塑料成型后，这些部件就会被移除。制造一个工业模具需要30到50天。最重要的是，它很贵，但是制造出来的零件单位成本也很低。

模具是什么样的?

有软模具和硬模具。

硅酮或软金属，如铝，是软模具的主要材料。你可以用它们来做少量的零件，铝模的使用寿命从几百套到1000套不等。

硬模具在铸造过程中可以实现零件的高尺寸精度。你可以使用任何类型的塑料，因为这种模具可以承受高温。值得一提的是，这是制造消费设备最流行的方法。

建议一开始不要付模具的全部费用。通常的做法是在订购模具时预付30 - 50%的预付款。然后在完成并仔细核对所有细节后支付余额。

最好直接和模具厂签订合同，而不是通过工厂进行批量生产。通过这种方式，您将保留模具的所有权。即使将来需要更换工厂，也不需要更改模具制造商。

• 切割：虽然切割(CNC)不需要在模具上投资，但是零件的成本非常高。一般来说，切割是用于小的或非常复杂的零件，不适合上述生产方法的情况下使用。

PCBs：

为了使PCB布局与器件的机械设计相匹配，设计工程师和电子工程师一起协作。

下面你可以看到电路板的一组演变。通常，第一个原型是利用开发工具包来组装的。因此，这种带有额外线路的演示板将不符合您所需要的尺寸。根据MD的要求，电气工程师根据外壳的尺寸和内部元件(如连接器和led)的位置调整电路板的大小。这可能需要多次迭代。

5. 硬件开发文档

下面是智能音箱开发的简化图。如图所示，您需要同时照顾几个子系统。正确和完整的文档对于同步所有任务流和需求非常重要。

硬件开发需要3个主要文档：

• 产品要求文档——包含产品要求的文件。
• 软件需求规范——包含软件需求的文档。
• 外观和表面处理等说明——材料、颜色和涂层的列表。

PRD：

PRD(产品要求文档)描述了该设备的所有技术特性、功能要求、性能指标、认证要求等。从你对产品有想法的那一刻开始，这个文档在所有的生产阶段不断演进，包括对需求的所有添加和变更等。

为什么PRD如此重要?

它使参与开发的工程师、设计师、产品专家和业务合作伙伴团队同步。

同时也是PRD生产合同的附件。客户根据该文件接收第一批产品。

以下是PRD各部分的说明：

CMF：

CMF(颜色，材料，工艺)可以是一个独立的文件，也可以包含在PRD中。它描述了该设备的外观和所有细节参数:对颜色、材料、性能和涂层的要求。

它还包括QAC(质量验收标准)。例如对颜色、轻微的表面缺陷、划痕等的验收说明。生产中的质量控制和验收成品时都要符合这些要求。

除了规定了每种表面的最大允许缺陷数外，该文件还明确规定了验收流程(照明程度、被检查设备到观察者的距离等)，并描述了缺陷的类型。

上述内容就是硬件设备的整个开发过程，希望对您有所帮助。

原文IoT Hardware Product Development: How-To，作者：Vera Kozyr

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