📚 课程目录第4章硬件规格定义

第4章硬件规格定义：传感器选型、处理器、功耗、尺寸约束

以智能环境监测终端为例：某园区需要在50个配电柜内部署无线温湿度、烟雾监测设备，数据每5分钟上报一次，电池续航要求≥2年，设备体积必须小于 80 × 60 × 30 mm，物料成本控制在60元以内。

围绕硬件规格定义，需与以下角色进行结构化访谈：

访谈角色	关注点	典型问题
硬件工程师	传感器接口、处理器外设、PCB叠层	“优先选用I²C通用接口还是SPI？是否有现成的驱动库？”
结构工程师	外壳开孔、散热、安装方式	“传感器探头是否需要伸出外壳？防水等级是IP54还是IP65？”
供应链经理	交期、替代料、成本	“传感器和主控至少要备几颗替代料？目标BOM成本是多少？”
产品经理	场景覆盖、续航、尺寸	“最核心的监测指标是温湿度还是烟雾？能不能接受外接天线？”

访谈小结：将上述回答转化为“需求—硬件参数”映射表，避免硬件团队凭经验猜测。

从用户场景和访谈记录中提取关键需求，逐条映射为硬件规格参数：

硬件规格定义包含四个核心维度，它们相互耦合，需在 PRD 中统一表达。下图展示了从用户场景到规格输出的推导路径：

根据监测指标、精度要求和接口兼容性选择传感器，并标注关键参数：

传感器类型	推荐型号	精度	量程	接口	典型功耗	成本(元)
温湿度	SHT30	±0.3°C / ±3%RH	-40~125°C	I²C	0.2 µW	4.5
气压	BMP280	±1 hPa	300~1100 hPa	I²C/SPI	0.5 µW	3.2
加速度	LIS3DH	±0.1 g	±2~±16 g	I²C/SPI	2 µW	5.0
烟雾/颗粒物	PMS5003	±10%	0.3~10 µm	UART	80 mW	28.0

选型建议：优先选 I²C 接口传感器，减少主控外设占用；烟雾传感器功耗较高，需独立供电开关控制。

系列	架构	主频	Flash	SRAM	无线	典型功耗	成本(元)
Cortex‑M0+	ARM	48 MHz	64 KB	16 KB	—	30 mW	6.5
Cortex‑M4	ARM	100 MHz	256 KB	64 KB	BLE 5.0	80 mW	12.0
ESP32‑C3	RISC‑V	160 MHz	384 KB	400 KB	Wi‑Fi/BLE	160 mW	11.5

  决策要点：若无需 Wi‑Fi 传输，选 Cortex‑M0+ 或 M4 加外部 Sub‑1 G 模组，整体功耗可降低 40% 以上。

以 2400 mAh 锂亚电池为例，计算各模式下的日均耗电：

理论续航 ≈ 2400 mAh / 5.2 mAh/天 ≈ 461 天（约 1.26 年），若需满足 2 年目标，需将运行电流降至 20 mA 以下或减少上报频次。

注意：电池自放电率（约 1~2%/年）和低温容量衰减需在 PRD 中单独注明，建议预留 20% 余量。

组件	长 (mm)	宽 (mm)	高 (mm)	备注
PCB 主板	55	35	1.6	双面布局，顶层放置 MCU 和传感器
电池仓	28	18	14	适配 14500 锂亚电池

第4章 硬件规格定义：传感器选型、处理器、功耗、尺寸约束