针对物联网边缘平台万亿节点引擎开发新型连接器机制

时间：2022-03-10作者：佚名

本文展示了一个物联网边缘平台，其中实现了所需的物联网节点，选择和连接多个单功能印刷电路板 (PCB)，例如传感器、微处理器和带有各向异性导电橡胶 (ACR) 连接器的电源单元。 PCB被称为“叶PCB”，它们的尺寸通常为2 cm x 2 cm。使用小型橡胶连接器来连接这些PCB，因此无需焊接，并且实现了可拆卸和可更换的结构，以实现物联网节点的可定制性。同时，还开发了一种导线连接机制，用于连接叶PCB和外部设备(如电机和传感器)之间的导线。它比传统接线端子小。为了研究所提出的连接方案的重要性能，我们进行了ACR连接器的温度循环测试和电线连接机制的保持强度测试。

关键词：物联网边缘平台、各向异性导电橡胶连接器、线连接机制、万亿节点引擎。

一、简介

预计到2030年，全球将有1万亿个物联网(IoT)节点投入使用。不仅有提供给行业工程师的物联网设备，还有提供给个人的物联网设备。物联网设备的开发平台或系统至关重要，个人可以在其中体现他们的想法，并轻松创建他们的物联网原型设备。此外，物联网传感器节点需要可定制性以及小尺寸和低功耗运行，因为根据应用需要各种功能。为了应对这种多样性，平台应该支持物联网节点的可定制性。

我们研究了一个可轻松实现可定制性的平台，在该平台上，通过选择和连接多个单功能印刷电路板 (PCB)，例如传感器、微处理器和电源单元，可以实现所需的物联网设备。

我们为每个特定的LSI准备这些PCB。 PCB被称为“叶PCB”，它们的尺寸通常为2 cm x 2 cm。为了制造紧凑的电子设备，需要高效堆叠PCB。该方案的主要障碍是PCB如何相互连接。

虽然通常使用微型连接器来堆叠两块板，但是当两块以上的板堆叠连接时，连接变得不稳定并且需要拧紧。此外，如果同时使用微型连接器和螺钉，则可能会由于过度的应力而产生焊料裂纹。

因此，我们将各向异性导电橡胶(ACR)连接器作为PCB之间的新型连接技术，或等效地作为电路块之间的新型连接技术。连接器由硅橡胶和许多垂直嵌入硅橡胶中的微小金属销组成。销钉长度约为2.2 mm，几乎与橡胶高度相同，销钉直径为30 µm，引脚以50 µm的间距对齐。

我们设计了焊盘间距约为1 mm的2行配置29引脚连接结构。所需要的只是在叶PCB上定义焊盘布局。PCB的正反面焊盘布局相同，对应的焊盘通过通孔连接。两块PCB焊盘之间的电连接是通过在PCB之间设置橡胶连接器来实现的。此外，还提供了一个支持橡胶连接器的塑料支架，以便每个人都可以像玩积木玩具一样轻松地堆叠PCB和连接器。支架有挂钩可将其自身连接到 PCB。连接器尺寸为13 mm (L) x 2 mm (W)，PCB和连接器堆叠并拧紧后高度为2 mm。

该连接技术具有无需焊接、可在厂外现场实现可拆卸、可更换结构的特点。尽管非工程师无法进行焊接，但每个人都可以像玩积木玩具一样组装物联网设备。所提出的技术没有公母连接器相互配合的结构，并且能够实现低剖面设备。而且，我们生产PCB时，橡胶连接器不需要在手，以后可以连接。这可以减少原型制作的交付时间。我们将上述平台称为“万亿节点引擎”。

本文第二部分介绍了万亿节点引擎的概念。第三部分演示了如何使用橡胶连接器、塑料支架、螺母和螺钉组装物联网模块。在第四部分，我们开发了在每个PCB 使用两个连接器的58引脚连接结构，并实现了高性能32位微控制器单元(MCU)叶PCB。橡胶连接器的性能在第五部分进行研究。第六部分演示了一种电线连接机制。第七节专门讨论结论。

二、万亿节点引擎的概念

物联网节点有望快速渗透，未来物联网市场图如图1所示。外围区域表示物联网市场扩张。不仅是行业工程师提供的物联网设备，还有个人和创客提供的物联网设备，这些人代表了基于技术的DIY延伸，是物联网市场扩张所必需的。因此，一个平台或系统至关重要，个人和创客可以在其中体现他们的想法并轻松创建他们的物联网原型设备。

针对物联网边缘平台万亿节点引擎开发新型连接器机制

图 1. 物联网市场的未来。

物联网节点通常包含四个电路块，例如数字电路块、模拟电路块、电源块和无线电路块，如图2所示。虽然数字电路块可能使用通用微处理器LSI来实现，其他电路块可能会产生各种电路。例如，模拟电路块应处理传感器或扬声器或电机，而无线电路块应处理蓝牙®或 Wi-Fi 或LoRa或其他各种无线通信标准。如果我们尝试创建包含特定模拟和无线以及电源电路块的专用LSI，则需要大量时间和成本。因此，需要一种将多个PCB与每个特定LSI结合起来实现所需IoT节点的方案。

针对物联网边缘平台万亿节点引擎开发新型连接器机制