Vier lessen die een volwassen ingenieur kan leren van kinderspeelgoed

Kinderspeelgoed is niet alleen voor kinderen. In elk speelgoed zitten honderden uren aan technische ervaring die erop wachten om ontdekt te worden.

Mijn ouders herinneren me er regelmatig aan dat er sinds mijn vijfde geen enkel elektromechanisch apparaat meer veilig is om me heen. Mijn fascinatie lijkt altijd te liggen met dingen in elkaar zetten of uit elkaar halen. Ik heb zelden met het speelgoed gespeeld zoals de fabrikanten het bedoeld hadden. Ik wil weten wat erin zit - wat hen drijft.

En toen ik de kans kreeg om het modulaire leersysteem Crowbits van Elecrow in handen te krijgen, was mijn reactie om de modules uit elkaar te halen en hun geheimen onmiddellijk te ontdekken. Ik raad niet aan om de modules uit elkaar te halen, omdat je de pogo-pinnen moet verwijderen om ze weer in elkaar te zetten, en ze zijn moeilijk terug te plaatsen zonder schade.

Als een kwestie van journalistieke onthulling, heb ik Elecrow-producten gekocht in eerdere Kickstarter-campagnes. Voor dit artikel heeft het bedrijf echter een aanvullende CrowPi-kit geleverd die ik na het schrijven opnieuw zal schenken en doneren aan een plaatselijke basisschool of middelbare school.

Hoewel Crowbits technisch is ontworpen om technische nieuwsgierigheid bij jonge mensen te wekken, herinnerde mijn ervaring met de kits me ook aan vier waardevolle lessen die een volwassen EE kan leren van dit speelgoed en andere soortgelijke speelgoed.

Over Crowbits en Makeblock-kits

Voordat we ingaan op die afhaalrestaurants, volgt hier een beetje achtergrondinformatie over de kits zelf. Crowbits worden geleverd in kits die zijn onderverdeeld in drie moeilijkheidsgraden:niet-programmeren vereist, programmeren vereist en geavanceerde toepassing.

Elk van de drie sets bevat lego-compatibele modules die magnetisch zijn verbonden via pogo-pinnen en zijn onderverdeeld in categorieën met kleurcodering per functie:

• Blauw:voedings- en logische modules
• Geel:invoermodules
• Groen:uitgangsmodules
• Oranje:speciale modules

Je kunt de onderdelen gebruiken om alles te maken, van een eenvoudige aardbevingswaarschuwingssensor die een LED oplicht bij verstoring tot een mobiele telefoon. U leest het goed:een mobiele telefoon!

De Crowbits-kit bevat magnetische pogo-pinconnectoren. Afbeelding gebruikt met dank aan Elecrow

Deze modules doen je misschien denken aan de Makeblock Neuron-lijn van snapmodules die ik een paar jaar geleden behandelde. Ik was zo gecharmeerd van de lessen in modulair ontwerp die ik leerde van de Neuron dat ik een Super Simple Sensor System maakte. En ik heb al enkele ideeën over toekomstige producten die ik zou kunnen ontwerpen met behulp van de lessen die ik heb geleerd uit de Crowbits-ervaring.

De Makeblock Neuron-kits. Afbeelding gebruikt met dank aan Makeblock

Beide sets modules zijn geprogrammeerd met behulp van een spin-off van MIT's Scratch-programmeertaal genaamd Letscode .

Met die context, wat kan een praktiserend ingenieur mogelijk leren van dit kinderspeelgoed?

Les 1:Als het werkt en het veilig is, zoek dan een manier om het goedkoper te maken

Verwijder overbodige microcontrollers

Alleen al op basis van het uiterlijk lijkt het erop dat de Makeblock Neuron enige ontwerpinspiratie heeft gegeven voor de Crowbits-modules. Makeblock's Neuron heeft een functie waar ik dol op ben:er zijn precies vier pinnen op elke interface en er is een microcontroller in absoluut elke module. Hierdoor kunnen gegevens door alle modules gaan.

Niet zomaar een microcontroller is geschikt; Makeblock-microcontrollers hebben minimaal twee en soms drie beschikbare USART-lijnen met onafhankelijke buffers nodig. Elke microcontroller leest twee UART-lijnen, schrijft twee UART-lijnen en vereist nog een seriële databus die beschikbaar is voor UART/SPI/I2C om verbinding te maken met sensoren op het blok.

Een eenvoudige weergave van een eenvoudige UART-communicatie-interface (universele asynchrone ontvanger/zender)

Dat is geen bijzonder goedkope optie. Maar het stelde de ingenieurs in staat om het Makeblock-ecosysteem gemakkelijk te creëren. Een blok kan zijn wat het wil zijn, zolang het die twee seriële lijnen heeft die het blok binnenkomen en verlaten (één UART aan de linkerkant, één aan de rechterkant). Maar het verhoogt ook de totale kosten van het systeem. Immers, als het blok slechts een regelweerstand of een momentschakelaar is, moet het dan een microcontroller hebben? Waarschijnlijk niet.

De ingenieurs van Crowbits hebben verschillende ontwerpbeslissingen en verbeteringen genomen die de stuklijstkosten verlagen en de bruikbaarheid van de modules vergroten. Ze hebben nog steeds gegevens die tussen sommige modules bewegen, maar soms zijn die gegevens I2C, soms is het SPI, soms is het UART, en voor veel modules zijn er helemaal geen gegevens - alleen een schakelaar voor stroomvoorziening.

Die beslissing verlaagt de kosten voor sommige PCB's aanzienlijk ten koste van een langere ontwerptijd.

Verlaag connectorkosten

Ik merkte dat Makeblock magnetische pogo-pinnen (in een enkel pakket gegoten) in hun ontwerp gebruikte. Crowbits daarentegen gebruikte pogo-pinnen en magneten die in afzonderlijk gegoten connectoren schuiven.

Ik ken de exacte kostenbesparingen hier niet, maar toen ik enkele jaren geleden probeerde de magnetische pogo-pinnen te vinden die in het Makeblock-ontwerp werden gebruikt, ontdekte ik dat ze ongeveer $ 1 US per paar waren bij een hoeveelheid van 1 ku (fabrieks-directe prijsstelling) . Dat is nogal wat, aangezien individuele pogo-pinnen en magneten slechts een paar cent per onderdeel zijn. Off-board connectoren zijn enkele van de duurste projectfuncties, dus ik kan me voorstellen dat dit de totale kosten van het project op een kleine maar significante manier heeft verlaagd.

Makeblock vs. Crowbits pogo-pinnen en magneten

Ik denk niet dat Crowbits zou bestaan ​​zonder dat Makeblock de weg vrijmaakt. Ik waardeer elke ontwerpbeslissing. Als ik deze blokken zou maken, zou ik waarschijnlijk voor de keuze van Makeblock gaan, omdat ik niet denk dat ik de vooruitziende blik heb om de organisatiestructuur van Crowbits te gebruiken; ze hebben veel tijd besteed aan het plannen van dit ontwerp.

Les 2:Maak het verstelbaar

Elektronica engineering is een uitdagend beroep. Er zijn zoveel concurrerende vereisten voor een bepaald ontwerp dat het moeilijk is om iets anders te doen dan je te concentreren op de taak die voorhanden is. Maar vaak, als we een stap terug doen, kunnen we naar het grotere geheel gaan kijken.

Crowbits en Makeblock vormen een traploos instelbaar product. Ze kunnen een of al hun modules vervangen zonder de prestaties van het systeem te beïnvloeden. Als een onderdeel om welke reden dan ook niet meer beschikbaar is, kunnen ze het bord voor die module tegen minimale kosten opnieuw activeren met nieuwe functies, en de eindgebruiker zou er niets wijzer van worden. Ze kunnen het product uitbreiden of verkleinen om aan de marktvraag te voldoen.

littleBits is een andere modulaire elektronicakit die profiteert van aanpasbare producten. Afbeelding gebruikt met dank aan littleBits

De algehele verstelbaarheid maakt deze twee ontwerpen relatief uniek in de elektronica-engineeringruimte. Veel te vaak trappen ingenieurs in de val om volledig op maat gemaakte oplossingen voor hun klanten te ontwerpen. Af en toe zie ik een hiërarchisch schematisch ontwerp waarbij een bepaald subsysteem een ​​beetje schoner is ingedeeld dan de andere. Of ik zie een PCB waarmee ik het signaalpad duidelijk kan volgen terwijl het in en uit het bord beweegt.

Dat zijn meestal momenten waarop een ingenieur delen van eerdere ontwerpen heeft hergebruikt. Hergebruik van subsystemen kan veel tijd besparen, en dankzij het modulaire ontwerp kunnen teamleden zich concentreren op de individuele aspecten van een ontwerp.

Vraag jezelf de volgende keer dat je een project maakt dus af of je toekomstbestendigheid voor dit ontwerp kunt integreren door een uitbreidingspoort op te nemen.

• Zijn er ongebruikte GPIO-pinnen op de microcontroller of een extra USART-databus die je naar de rand van het bord kunt leiden voor later gebruik?
• Misschien kun je het naar een niet-bevolkte header leiden?
• Is er voldoende bordruimte om alternatieve landpatronen te plaatsen voor het geval het onderdeel niet beschikbaar is?
• Kun je een FCC-gecertificeerde module gebruiken in plaats van je eigen draadloze subsysteem te ontwerpen?

Les 3:Maak het idiotproof

Ga ervan uit dat niemand uw handleiding zal lezen, tenzij er iets misgaat. Mensen halen dingen uit de doos, beginnen stukjes in elkaar te zetten en op knoppen te drukken. Tenzij u functies ontwerpt die een gebruiker actief beletten iets te doen wat ze niet zouden moeten doen, kunt u verwachten dat een gebruiker het doet.

Zowel Makeblock als Elecrow polariseerden hun apparaten met magneten en pogo-pinnen. Het is moeilijk, zo niet onmogelijk, om modules verkeerd met elkaar te verbinden. Magnetisch bevestigde modules zullen van nature aantrekken naar een juiste verbinding en een onjuiste relatie afstoten.

Doe wat u kunt - gebruik gepolariseerde connectoren, maak connectoren met een andere toonhoogte of kleurcode - om ervoor te zorgen dat uw gebruikers de handleiding niet hoeven te lezen om dingen te laten werken. Dat vermindert de tijd die wordt besteed aan het oplossen van RMA-problemen.

Les 4:Doe marktonderzoek

Het is een vrij goede gok dat als je een idee hebt, een andere ingenieur ergens in de wereld het eerder heeft gehad. Voordat je je tijd, zweet en dromen in het volgende grote ding stort, moet je wat onderzoek doen om te bepalen of anderen bereid zijn te betalen voor je ideeën.

Elecrow creëerde Crowbits omdat ze het succes van Makeblock's Neuron zagen. Ze hadden een iets andere kijk op de implementatie, maar ze wisten dat er een markt voor was omdat het al op de markt was.

Zowel Makeblock als Elecrow deden wat ze konden om de risico's te verkleinen door de productie te starten via een Kickstarter-campagne. Ze hebben deze producten niet "op spec" gemaakt. Ze maakten deze producten in de wetenschap dat er een markt voor was.

Als je ontwerpen maakt voor een klant, weet je dat je betaald krijgt. Maar als je ergens ter wereld dingen maakt voor een onbekende klant, zou je veel kostbare tijd, geld en geestelijke gezondheid kunnen verspillen. Doe wat je kunt om te leren van de successen of mislukkingen van anderen en voort te bouwen op hun ideeën.

Samenvatting

Barbies zijn niet alleen voor meisjes, brandweerwagens zijn niet alleen voor jongens en kinderspeelgoed is niet alleen voor kinderen. In elk speelgoed zitten honderden uren aan technische ervaring die erop wachten om ontdekt te worden. Dus de volgende keer dat je een spannende Kickstarter-campagne of een nieuw product in je inbox ziet, open het en verken het voordat je het aan je neefje of een plaatselijke school geeft.