Салют, Хабр!

Я Иван, HW TPM Умного дома Sber — технический менеджер продукта в области хардвера. В этом году мы вместе с Systeme Electric (ex-Schneider Electric) выпустили линейку умных электроустановочных изделий AtlasDesign Smart: выключатели, розетки и термостаты тёплого пола. Это встраиваемые устройства с подключением по Zigbee-протоколу для тех, кто планирует масштабную автоматизацию своего дома.  

В этой статье хочу поделиться особенностями разработки и главными проблемами, с которыми пришлось столкнуться (всего мы насчитали 7). Расскажу, как мы уместили умную начинку в стандартный подрозетник, что даёт технология zero-crossing detection и почему дисплей умного термостата похож на бутерброд.

Разбирая розетки, или Ищем слабые места разных решений 

Изначально мы понимали два требования к будущим электроустановочным изделиям. Во-первых, они будут подключаться к платформе Умного дома Sber по протоколу Zigbee. Так электроустановочные изделия смогут выполнять уже настроенные сценарии без интернета. А ещё — подключать множество устройств, плюс выстроить и поддерживать Zigbee mesh-сеть. Под катом три слова о её плюсах.

Mesh

Zigbee mesh-архитектура сети увеличивает её надёжность, позволяя девайсам выступать роутерами. Так, если одно устройство не может отправить сигнал другому напрямую, тот будет перенаправлен через другой элемент сети. В умном доме Zigbee-розетки, выключатели и термостаты позволяют выстроить гибридную mesh-топологию: в ней есть девайсы-роутеры (AtlasDesign Smart) и end-девайсы.

Во-вторых, вместо разработки дизайна с нуля нужно попасть в уже существующие габариты и дизайн: устройства должны быть полностью совместимы с рамками серии AtlasDesign наших партнёров Systeme Electric. 

Разработка любого умного устройства начинается с продуктовых требований. Это анализ рынка: что нужно целевой аудитории? Кто она? Какие у девайса задачи? Когда продакты с опорой на UX-исследования ответили на эти вопросы, мы начинаем инженерную разработку.

Начали мы с инженерного анализа образцов: по рекомендациям внутренних экспертов по умному дому приобрели 48 умных электроустановочных изделий и разобрали их, чтобы определить самые сильные рыночные решения и понять, где можно сделать лучше. Две трети выбыли из сравнения после разбора и проработки спецификаций от вендора. Порядка 15 хороших вариантов мы протестировали. Оказалось, что слабые места рыночных решений — перегрев на максимальном коммутируемом токе, плохая радиосвязь и проблемы с надёжностью. Большинство устройств перегорело при максимальной нагрузке; для розеток максимальную заявленную нагрузку — 16 А — выдержали два самых дорогих образца.  

На этом этапе мы: 

1. нашли «точки роста», которые станут преимуществами наших устройств;

2. зафиксировали показатели удачных вариантов, чтобы позже сравнить с ними своё решение на тех же тестах;

3. составили PRD — product requirements document, список требований к продукту;

4. составили стратегию тестирования.

В PRD входит всё, что нужно для разработки: рендеры устройства от промышленных дизайнеров, характеристики самого девайса и всех его составляющих, требования к каждому компоненту. Это полное описание будущего устройства… Осталось всего-то разработать его, протестировать, произвести и вывести на рынок.

Особенности электроустановочной схемотехники

В нашем stage-gate подходе к разработке устройств она начинается с preES-этапа. Мы как можно быстрее создаём прототип платы, так как нужно разблокировать software-команду, запустив разработку прошивки (рассказывали о софте в stage-gate здесь).  

В этот момент будущее устройство представляет собой набор печатных плат без высоковольтной части. В них легко дотянуться осциллографом до любой части схемы, подключить UART или JTAG для отладки, а также не получить удар током — 220 В в финальном продукте менее склонны прощать ошибки. 

Эти платы сделаны по принципу модулей: 

• материнская плата с разъёмами для питания и отладки; 

• плата с самим ZigBee-модулем (он отличается от продукта к продукту — это обусловлено габаритами и конструктивным решением продукта);

• «продуктовый модуль», который реализует собственно функционал будущего продукта. 

По сути это отладочные платы, но не универсальные, а привязанные к будущему продукту. Мы называем их PDK — Product Development Kit.

В PDK должны быть задействованы те же пины Zigbee-модуля, которые будут в финальном устройстве, и в целом интегрирован базовый функционал. Утверждённых компонентов схемотехники на этом этапе нет — их подбираем параллельно.

Для управления устройствами мы выбрали электромеханическое реле, а не твердотельное или симистор, из-за минимального перегрева на максимальном токе нагрузки. Нагрев — это отдельная большая проблема электроустановочных изделий (но о нём позже). Реле подбирались с учётом специфики устройств.

• Розетка: компактное бистабильное реле

В нём энергия тратится только на переключение контактной группы, а далее контакты сами по себе удерживают заданное положение. В результате: 1. реле мало греется, так как ему не нужно поддерживать «ток удержания» в катушке; 2. оно очень компактно; 3. благодаря малой мощности, выделяемой на контактах, оно надёжно и долго работает даже при максимальной для продукта нагрузке. Также бистабильное реле не переключается само по себе после обновления прошивки устройства через беспроводной интерфейс (over the air —  OTA).

• Выключатель: реле с пониженной мощностью питания катушки, повышенными показателями наработки на отказ и высокой устойчивостью к стартовым токам нагрузки

Выключателю предстоит работать с современными светодиодными источниками света, а они известны своими большими стартовыми токами.

• Термостат тёплого пола: реле, которое максимально тихо переключает нагрузку — его щелчки почти невозможно услышать

Среднестатистический термостат издаёт звуки, включая и отключая тёплый пол для поддержания температуры. Это некомфортно, особенно по ночам. Поэтому мы искали самое тихое реле и вместе с тем мощное (по паспорту в нём 20 А).

Для термостата и выключателя мы дополнительно обеспечили сохранение состояния реле после OTA. После обновления прошивки, когда микроконтроллер перезагружается, триггер на плате хранит состояние ножки микроконтроллера.

Параллельно инженеры-конструкторы исходя из PRD и требований Systeme Electric к внешнему виду устройства разработали прототип корпуса. И начали думать, как разместить в нём все габаритозадающие компоненты исходя из конструктивных ограничений. К примеру, реле нужно расположить в глубине устройства, чтобы силовые дорожки были как можно шире и короче. 

Проблема 1: уместить умную электронику в габариты обычной розетки или выключателя. Устройства AtlasDesign Smart должны подходить к рамкам AtlasDesign и встраиваться где-то в 30 мм глубины — так они уместятся в стандартный для каждой квартиры подрозетник глубиной 45 мм плюс останется достаточно места для проводки.

На рынке есть разные примеры подобных решений (бренды не называем). Например, умная розетка, где колодец для втыкания вилки менее глубок, чем полагается по стандарту. Или розетка, которая умещается в рамку обычных изделий… но выступает оттуда на 1,5 мм по сравнению с ними. Производителю пришлось вынести её вперёд, чтобы уместить электронику.

Чтобы избежать подобных решений, мы дополнительно оптимизировали размещение компонентов и плат. Получился своеобразный 3D-конструктор. В выключателе — две платы, в розетке и термостате — три. Как видно на 3D-моделях ниже, в термостате часть электроники вынесена на отдельную плату с вырезом для реле. В розетке для соединения винтовой клеммы и реле использована кастомная медная шина: широкая, чтобы избежать перегрева, и установленная перпендикулярно плате, чтобы не занимать место. А реле, которое коммутирует нагрузку, немного выдаётся назад из задней поверхности.

В результате появились первые прототипы умных устройств AtlasDesign Smart. Небольшая партия корпусов была напечатана на 3D-принтере, а несколько образцов изготовлены методом CNC-фрезерования из монолитного куска пластика. Они точно повторяют механические свойства целевого устройства, поэтому, несмотря на дороговизну, абсолютно необходимы в разработке. На них уже можно начинать проводить механические тесты — образцы из 3D-принтера не позволяют этого сделать. 

О перегреве, zero-crossing detection и Zigbee-модуле

Когда прототипы у нас на руках, можно начинать бороться с одной из ключевых проблем электроустановочных изделий — перегревом! 

Проблема 2: ни в каких условиях не давать изделию перегреваться. Розетка и термостат коммутируют нагрузки до 16А, выключатель — до 10А. При этом естественной конвекции практически нет: схема закрыта пластиковым корпусом, который с одной стороны плотно сидит в бетонном подрозетнике, а с другой перекрыт рамкой.

Основные источники нагрева — элементы платы, которые потребляют много энергии и находятся там, где течёт самый большой ток. Мы вынуждены отбирать компоненты, которые требуют как можно меньше энергии, а значит, выделяют минимум тепла. Для проверки перегрева в ход идёт многоканальный термометр с десятью высокоточными датчиками температуры, которые термопроводящим клеем присоединяются к плате для измерения температуры в разных точках. Его же мы использовали для измерения перегрева у конкурентных устройств. 

Отмечу, что съёмка платы тепловизором в этом случае неэффективна: во время теста прототип, полностью собранный в корпусе, находится внутри климатической камеры с выключенной вентиляцией. То есть в условиях, приближенных к реальным. Тепловизор не покажет, что внутри корпуса, и не даст представления о динамике процесса.

Датчики температуры позволяют точечно определить, какие элементы платы греются сильнее всего, и заменить компоненты либо оптимизировать схемотехнику. Допустим, мы замечаем, что дорожка между входным и выходным терминалом, которая ведёт к одному из контактов реле, слишком сильно греется. Как можно это исправить:

1. Сделать дорожку шире (с риском, что она перестанет умещаться на плате).

2. Продублировать её с другой стороны платы.  

3. Применить стеклотекстолит с большей толщиной меди, чем изначально.

4. Снять с дорожки маску и за счёт паяльной пасты увеличить толщину проводника, понизив сопротивление и как следствие — перегрев.

Дополнительно для защиты от потенциального перегрева платы розеток и термостатов AtlasDesign Smart оснащены датчиком температуры. Устройство отключится и пришлёт push-уведомление в приложении при крайне высоком перегреве — например, при сочетании предельной нагрузки и температуры, которая намного выше максимально допустимой.

Ещё одна большая задача в ходе разработки электроустановочных изделий — увеличить срок их службы. Это часть интерьера, никто не будет менять их раз в год. А значит, они должны показывать максимальную надёжность.

Проблема 3: обеспечить наработку устройства на отказ до 10 лет в соответствии с продуктовыми требованиями к линейке AtlasDesign Smart

Для электроники мы рассчитываем наработку на отказ нескольких ключевых компонентов. Основной из них — электролитический конденсатор; в блоке питания их от 2 до 4 штук в зависимости от типа устройства.

В расчёте наработки электролитического конденсатора участвуют:

1. паспортные данные — номинальная наработка на отказ, максимально допустимая температура конденсатора и максимально допустимый импульсный ток;

2. параметры, измеренные в прототипе продукта в наиболее нагруженном режиме – температура корпуса конденсатора, измеренная величина переменного тока через него. 

Кроме того, в расчёте учитываются конструктивные особенности самого конденсатора и дополнительный перегрев электролита, вызванный протекающим через него переменным током.

Дополнительно повысить наработку реле на отказ позволяет детектор перехода сетевого напряжения через ноль — технология zero-crossing detection (ZCD). Обычно при отключении нагрузки, если реле размыкается в начале или середине полупериода, между контактами реле появляется электрическая дуга. До перехода синусоиды через ноль она уже не погаснет. Дуга повреждает и перегревает контакты реле, а значит, снижает срок его службы. А с ZCD микроконтроллер подаёт сигнал на размыкание реле непосредственно перед переходом через ноль. Контакты реле не страдают. Такой подход примерно в 10 раз увеличивает ресурс реле, а значит, и изделия. Ниже — видео реле без ZCD и с. Нагрузка в обоих случаях — электрический чайник мощностью 2 кВт.

Для отладки и тестирования функции ZCD мы собрали оригинальный стенд, включающий развязывающий трансформатор и осциллограф.

Как видно на осциллограмме, изначально реле умного выключателя замкнуто. Напряжение на тестовой лампе (синий луч на схеме) идет вниз. В это время прошивка микроконтроллера даёт сигнал на переключение реле. 

Спустя некоторое время якорь реле отпускает контакты, и начинается механический дребезг: контакты ударяются друг о друга, отлетают и соприкасаются снова. Дребезг происходит даже при самом тщательном демпфировании контактов. Поэтому он заложен в прошивку — мы начинаем переключать нагрузку в конце полупериода, ещё до перехода синусоиды через ноль. В любом случае, напряжение уже достаточно низкое. Дуга не появится либо сразу же погаснет, потому что напряжение перейдёт через нулевое значение.

Секрет успеха — знать статистический разброс параметров и понимать тайминги дребезга. Тогда нагрузка отключится в правильный момент, и новая полуволна синусоиды (жёлтый луч) начнется с чистого листа. Никакой дуги.

К слову, замыкание контактов тоже происходит подобным образом — непосредственно перед пересечением нуля. Но на ресурс реле это влияет не так значительно; это скорее к вопросу сокращения стартовых токов в нагрузке.

Ещё одно слабое место электроустановочных изделий (как и любых умных устройств в целом) — дистанция устойчивой радиосвязи. Местами это похоже на чёрную магию: передвинул компонент или дорожку – сигнал упал в разы. Либо исказилась диаграмма направленности, причём совсем не так, как ты предполагал.

Проблема 4: обеспечить хорошую связь между устройствами, решив Задачу Бетонной Стены, которая глушит сигнал. 

Помня об этой проблеме, мы выбрали одно из лучших для Zigbee решений: микроконтроллер со встроенным Zigbee-модулем на чипе от Silabs EFR32MG21. По рекомендациям в 10-15 мм вокруг антенны модуля не должно быть ничего, поэтому пришлось предусмотреть в плате огромный вырез. Он позволил защитить антенну от влияний соседних компонентов. А далее мы разрабатывали плату уже с учётом этого конструктивного решения.

В процессе разработки Zigbee-сигнал тестируют дважды: на этапе EVT — в напечатанном на 3D-принтере корпусе — и с почти финальной платой, чтобы подтвердить, что работе антенны ничто не препятствует. После прохождения тестов можно давать отмашку на изготовление пресс-форм. На этапе DVT вновь убеждаемся, что всё в порядке, с учётом потенциальных минорных изменений на плате и влияния материала корпуса на сигнал.

Для каждого измерения строится график. Сигнал антенны должен укладываться между двумя контурами: минимально и максимально допустимыми.

На этом же этапе проходит множество тестов — на качество питания и энергопотребление устройства, его способность работать на повышенном и пониженном напряжении, электромагнитную совместимость… 

Когда тестирование успешно закончено, мы «замораживаем» финальную схему компонентов и обращаем все взоры на дизайн.

Правильный дисплей и правильные кнопки

Если электронная начинка выключателя, розетки и термостата сущностно почти одинакова, то их механическая конструкция сильно отличается. Единственное, но важное исключение — задняя поверхность устройств. Фактически она подвергается очень сильной нагрузке: провода достаточно жёсткие, поэтому сначала электрики едва ли не ногами заталкивают устройства в подрозетники в бетонной стене, а далее провода постоянно и сильно давят на корпус.

В обычных розетках/выключателях/термостатах производители могут позволить себе сделать суппорты из металла. Но в умных металл будет негативно влиять на Zigbee-сигнал.

Проблема 5: разработать заднюю часть устройств, которая выдержит нагрузки и вместе с тем обеспечит совместимость с линейкой AtlasDesign Smart.

Чтобы умные устройства соответствовали стандартным рамкам серии AtlasDesign, требовался очень тонкий суппорт, он же шасси — элемент, где вырезаны петли для соединения с подрозетником. Иначе между рамкой и стеной образовался бы зазор. Вместе с тем при такой толщине пластик должен быть жёстким — иначе он будет гнуться под давлением проводов. Выходит, нам требовался материал одновременно тонкий, прочный и радиопрозрачный.

В итоге задняя поверхность сделана из поликарбоната в смеси со стекловолокном. Сложный рельеф — утолщения, бортики, изгибы и вырезы — повышают жёсткость этой детали.

Умный терморегулятор, вид сзади

В разработке устройств самой крупной конструктивной проблемой оказался дисплей умного термостата. Это не сенсорный экран (для ручного управления на устройстве есть кнопки), а LED-дисплей с настройкой яркости. Как оказалось, выполнить все продуктовые требования к дисплею одновременно сложно.

Проблема 6: создать дисплей, который в выключенном состоянии сливается с рамкой, а во включённом символы на нём свободно читаются даже в солнечных лучах, при этом выключенных пикселей никогда не видно. Вдобавок способный переносить UV-излучение, царапины и бытовую химию. 

Напомню, что у нас два цвета рамки — белый и карбоново-чёрный — а значит, необходимо было сконструировать два дисплея.

Сначала мы поставили между светодиодами на плате разделитель из чёрного матового пластика, который убирал бы лишние переотражения. После покрытия слоёв прозрачным пластиком и плёнкой увидели, что символы расплываются: прозрачный пластик сработал как световод, позволяя свету распространяться в своей толще.

Поменяли плёнку и пластик местами. Изображение стало чётким, но теперь проявились выключенные пиксели. Плохой вариант.

… В общей сложности дисплей переделывали семь раз.

Неудачные варианты

Итоговый результат представляет собой бутерброд из нескольких слоёв: 

• Матированная полупрозрачная плёнка, нанесённая под высокой температурой и давлением (по технологии из автомобильной отрасли). Она устойчива к UV-излучению, а также обладает отличной абразивной и химической стойкостью.

• Слой серого акрила со специально подобранной степенью прозрачности.

• Отражающий слой краски, маскирующий выключенные пиксели.  

• Серая маска, которая ограничивает засветку выключенных пикселей включёнными. 

Цвет верхней плёнки изначально мы выбрали по Pantone. Но оказалось, что в белом варианте слои пластика и краски под ней складываются в некий единый цвет, который даёт синеватый оттенок. Подобрали цвет, который компенсирует это — теперь наружная плёнка розоватого оттенка. Только так устройство в целом соответствует Pantone.

С выключателями пришлось отдельно исследовать вопросы «пользовательского интерфейса» устройства. Напомню, что механические выключатели бывают: 1. звонкового типа, или без фиксации — кнопка вдавлена, только пока её нажимаешь; 2. с фиксацией, когда у клавиши два или больше положений; 3. рычажковые.

Для выбора клавиши мы проводили UX-исследования с обычными пользователями, электриками, дизайнерами — давали им попробовать разные варианты устройства и расспрашивали: нравится ли, как нажимается кнопка? А её звук? Нужен ли LED-индикатор?

Оказалось, что большинство предпочитает выключатели без фиксации и с явной обратной связью от нажатия: ощутимым ходом клавиши, усилием для нажатия и щелчком. Звук должен быть глухим по тону — скорее как клавиатура макбука, чем компьютерная мышка. Свет выключают не глядя, выключают в наушниках — во всех этих кейсах человек хочет физически понимать, сработал ли выключатель. LED-индикатор тоже нужен, чтобы легко находить выключатель. В устройствах AtlasDesign Smart цвет индикаторов можно настроить.

Итого: финальная печатная плата размещена в финальном дизайне корпуса. Мы можем проверять изделие полностью. 

Проблема 7: разработать выключатели, розетки и термостаты, способные выдерживать любые удары судьбы и условия использования.

На этом этапе устройства проходят предыдущие тесты и пул новых: механические и химические, на стойкость, на безопасность. Например: 

1. Проверка на надёжность изоляции и отсутствие утечек тока. В течение 60 секунд к устройству применяется напряжение 3 000 В; это больше, чем требует ГОСТ, но мы предпочли повышенную безопасность для устройства. Максимально допустимый ток утечки — 5 мА.

2. Тест на пожаробезопасность. Раскалённую до 850 °C проволоку на 30 секунд прижимают к частям корпуса. Они после удаления проволоки не должны гореть, а если и загорятся, то сразу погаснуть.

3. Испытания в климатической камере. Например, «холодный старт» — проверка способности устройства успешно включиться после подачи питания, когда он провел два часа при температуре -20 ℃. И наоборот, работоспособность устройства после 100 часов в камере с температурой 75 ℃.

4. Тест на механическую наработку на отказ. Кнопконажимателем давим на клавишу 40 тысяч раз. 

Среди прочих у нас есть тест, которого нет ни в одном международном или российском стандарте — на давление. Как уже упоминалось раньше, электрики помогают себе силой, устанавливая изделия в подрозетник. Чтобы убедиться, что устройства AtlasDesign Smart выдержат и это тоже, мы возвели фальш-стену с подрозетниками, которую прозвали скворечником. А затем устанавливали в неё устройства с проводами, не стесняясь прикладывать грубую силу. Потому что у инженеров очень интересная работа!

Когда тесты пройдены, разработка официально завершена; мы получаем наши golden samples — 2-4 эталонных устройства — и передаём на производство. Для проверки качества финального продукта мы создали подход с проверкой каждого аппаратного узла каждого продукта прямо на производственной линии. Тестирование проходит в два этапа.

Первый — проверка базовых характеристик плат: качества источников питания и величины потребления. Кроме того, сотни устройств одновременно проходят так называемый aging test, работая под нагрузкой в течение двух часов. 

Второй — индивидуальное тестирование полностью собранных устройств. Zigbee-модуль каждого подключается к тестовой станции — рассказывали о них здесь. Она проверяет уровень сигнала (RSSI) со стороны станции и самого устройства; щёлкает реле; зажигает светодиоды для проверки их яркости и цвета; подключает к розетке и термостату эталонную нагрузку и проверяет, соответствуют ли измерения напряжения и тока допустимому диапазону погрешности. Кроме того, она подтверждает, что у устройства правильная версия прошивки устройства и серийный номер. Ещё чуть-чуть — и новые электроустановочные изделия на рынке. 

***

Никто не сравнивает разработку умных выключателей-розеток-термостатов тёплого пола с ракетостроением. Хотя бы потому, что эти устройства есть в любой квартире. Но на собственном опыте можем подтвердить: создать очень хорошие электроустановочные изделия не так-то просто — с точки зрения как хардвера, так и софта. В них важна абсолютная надёжность… прямо как в ракетостроении.