Etapa 4 - Prototipação de Hardware

Bloco 1 - Especificação Estrita de Componentes (Sourcing)

Foco: Definir e consolidar os componentes físicos utilizados na construção dos diferentes tipos de nós, garantindo disponibilidade, compatibilidade elétrica, desempenho e operação contínua.

[ ] 1. Definir o SoC (System on Chip) principal: Congelar a escolha dos microcontroladores destinados a cada classe de nó, considerando alternativas como ESP32-S3 para Gateways/Storage e STM32WL com LoRa integrado para Sensors/Relays.
[ ] 2. Definir o Front-end de rádio (LoRa e HaLow): Selecionar os transceptores e módulos sub-1 GHz adequados à arquitetura, considerando sensibilidade, potência de transmissão, consumo e disponibilidade comercial.
[ ] 3. Especificar o PMIC e MPPT: Selecionar os circuitos integrados responsáveis pelo gerenciamento de energia, carregamento das baterias, entrada solar, proteção e geração das tensões reguladas necessárias.
[ ] 4. Especificar os sensores industriais: Selecionar sensores robustos para o ambiente de operação, incluindo sensores de temperatura, pressão, nível de água, pluviometria e demais variáveis relevantes.
[ ] 5. Especificar antenas e conectores RF: Dimensionar antenas sub-1 GHz, cabos pigtail e conectores U.FL/SMA compatíveis, considerando impedância, ganho, robustez mecânica e proteção ambiental.
[ ] 6. Consolidar a BOM (Bill of Materials): Criar a lista definitiva de materiais contendo fabricantes, part numbers, fornecedores, quantidades, especificações, tolerâncias, alternativas e custos estimados.

Bloco 2 - Design Elétrico e Esquemáticos (EDA)

Foco: Desenvolver os esquemáticos elétricos completos dos diferentes módulos ARES e estabelecer as conexões entre alimentação, processamento, sensores, armazenamento e comunicação.

[ ] 1. Criar o diagrama de blocos elétrico: Mapear os principais barramentos de energia e comunicação, incluindo I2C, SPI, UART, alimentação e interfaces de programação.
[ ] 2. Desenhar o esquemático base (Core): Projetar o circuito comum às diferentes versões da placa, incluindo MCU, reguladores, osciladores, circuitos de reset, proteção e interfaces USB/Serial.
[ ] 3. Desenhar o módulo Sensor: Adicionar as interfaces, conectores e circuitos necessários para integração dos sensores ambientais e demais periféricos.
[ ] 4. Desenhar o módulo Relay/MPPT: Implementar as entradas para painel solar, bateria, proteção contra polaridade reversa, sobrecorrente e demais mecanismos necessários ao gerenciamento energético.
[ ] 5. Desenhar o módulo Storage: Adicionar o socket MicroSD e implementar o barramento SPI ou SDIO, incluindo resistores de pull-up, proteção e alimentação adequada.
[ ] 6. Desenhar o módulo Gateway: Integrar as interfaces necessárias para modems 4G/LTE, Wi-Fi, Ethernet ou comunicação satelital, incluindo o respectivo slot SIM quando aplicável.
[ ] 7. Projetar a rede de casamento de impedância (Pi-Network): Inserir e dimensionar os componentes necessários entre o transceptor e a antena para possibilitar ajuste da impedância e redução das perdas de RF.
[ ] 8. Inserir Test Points (TP): Distribuir pontos de teste para alimentação, sinais digitais, barramentos e RF, facilitando medições e diagnóstico durante a validação da placa.

Bloco 3 - Layout de PCB e Integridade de Sinal

Foco: Transformar os esquemáticos em placas de circuito impresso funcionais, garantindo integridade de sinal, distribuição adequada de energia, controle térmico e redução de interferências eletromagnéticas.

[ ] 1. Definir o Stackup da placa: Selecionar uma arquitetura de duas ou quatro camadas, priorizando quatro camadas quando necessário para manter planos contínuos de GND e melhorar a integridade dos sinais.
[ ] 2. Realizar o roteamento de RF: Projetar as trilhas entre transceptor, rede de casamento e conector de antena com impedância controlada de 50 Ω e geometria compatível com o stackup escolhido.
[ ] 3. Realizar o roteamento de potência: Dimensionar as trilhas de alimentação do painel solar, bateria e reguladores de acordo com a corrente máxima esperada e os limites térmicos da PCB.
[ ] 4. Posicionar vias térmicas: Implementar thermal vias sob componentes de elevada dissipação, como reguladores e dispositivos de potência, para melhorar a transferência de calor.
[ ] 5. Separar os domínios elétricos: Organizar fisicamente os circuitos analógicos, digitais, potência e RF para minimizar acoplamentos indesejados, ruído e EMI.
[ ] 6. Executar DRC e ERC: Utilizar os verificadores automáticos do software EDA para identificar violações elétricas, regras de espaçamento, conexões inválidas e demais problemas antes da fabricação.
[ ] 7. Gerar os arquivos de fabricação: Exportar Gerber, Drill, Pick-and-Place/CPL, BOM e demais arquivos necessários para fabricação e montagem da PCBA.

Bloco 4 - Engenharia Mecânica e Proteção (Caixas/Cases)

Foco: Desenvolver os elementos mecânicos responsáveis por proteger a eletrônica contra água, umidade, radiação solar, impactos e variações térmicas.

[ ] 1. Desenhar o Case base no CAD: Projetar as caixas no Fusion 360 ou ferramenta equivalente considerando dimensões da PCB, componentes internos, fixações e acessibilidade para manutenção.
[ ] 2. Projetar o alojamento híbrido: Criar divisões internas que mantenham baterias e eletrônica adequadamente separadas, considerando segurança, dissipação térmica e manutenção.
[ ] 3. Dimensionar os prensa-cabos (Cable Glands): Projetar as entradas para cabos de antena, bateria, sensores e painéis solares mantendo o nível de proteção ambiental especificado.
[ ] 4. Projetar os sulcos para O-rings: Desenvolver os canais de vedação entre tampa e corpo da caixa, dimensionando compressão, tolerâncias e área de contato da junta.
[ ] 5. Realizar simulação térmica do encapsulamento: Avaliar a temperatura interna do case sob diferentes condições ambientais, incluindo radiação solar, dissipação dos componentes e temperatura externa.
[ ] 6. Executar o fatiamento e impressão 3D: Produzir protótipos das carcaças, suportes e elementos de fixação utilizando materiais adequados à exposição externa, como ASA, PETG ou Nylon.

Bloco 5 - Fabricação, Compra e Montagem (PCBA)

Foco: Transformar os projetos digitais em placas eletrônicas físicas, adquirir os componentes e produzir o primeiro lote funcional.

[ ] 1. Encomendar PCBs e estêncil: Enviar os arquivos de fabricação à empresa selecionada e solicitar placas e estênceis compatíveis com o processo de montagem.
[ ] 2. Adquirir componentes e materiais: Comprar componentes eletrônicos, baterias, cabos, conectores, parafusos, painéis solares, antenas e demais materiais necessários ao lote piloto.
[ ] 3. Aplicar a pasta de solda: Utilizar o estêncil para depositar a quantidade adequada de pasta de solda nos pads da PCB.
[ ] 4. Realizar o posicionamento SMD (Pick and Place): Posicionar microcontroladores, resistores, capacitores, transceptores e demais componentes SMD de acordo com a documentação de montagem.
[ ] 5. Executar o refluxo térmico: Submeter a placa ao perfil térmico adequado utilizando forno de refluxo ou equipamento equivalente, garantindo a formação correta das juntas de solda.
[ ] 6. Realizar inspeção óptica (AOI/Manual): Inspecionar as placas em busca de pontes de solda, desalinhamentos, componentes ausentes, terminais defeituosos e outros problemas de montagem.
[ ] 7. Executar a soldagem THT (Through-hole): Montar manualmente conectores, barras de pinos, botões, terminais e demais componentes através de furos.

Bloco 6 - Bring-up e Validação Elétrica (O “Nascimento” da Placa)

Foco: Energizar as placas de maneira controlada e validar progressivamente alimentação, processamento, rádio e consumo antes da integração completa do firmware.

[ ] 1. Realizar teste frio de curto-circuito: Medir a resistência e verificar possíveis curtos entre as principais linhas de alimentação e GND antes de aplicar energia.
[ ] 2. Executar Smoke Test controlado: Energizar a placa utilizando fonte de bancada com limitação de corrente e monitoramento contínuo para evitar danos em caso de falha.
[ ] 3. Validar as tensões dos reguladores: Medir as saídas dos LDOs/Buck-Boost e verificar estabilidade, ripple, transientes e comportamento sob diferentes cargas.
[ ] 4. Gravar o Bootloader: Conectar a interface de programação por JTAG, SWD ou UART e executar um firmware mínimo de validação, como inicialização do MCU e acionamento de GPIO/LED.
[ ] 5. Realizar a calibração de radiofrequência: Utilizar VNA ou equipamento equivalente para verificar impedância, retorno, perdas e casamento entre o transceptor e a antena.
[ ] 6. Medir o consumo em Deep Sleep: Utilizar PPK2, analisador de potência ou instrumento equivalente para medir o consumo real e comparar os resultados com os valores teóricos definidos nas etapas anteriores.

Bloco 7 - Integração, Resina e Weather-Proofing

Foco: Integrar os componentes físicos, proteger a eletrônica contra condições ambientais e preparar os primeiros nós para operação externa prolongada.

[ ] 1. Realizar a conectorização interna: Crimpar e conectar os cabos de bateria, painel solar, antena e sensores utilizando os conectores e pigtails especificados.
[ ] 2. Aplicar Conformal Coating: Aplicar revestimento apropriado sobre a PCB para aumentar a resistência contra umidade, condensação, contaminantes e crescimento de fungos, mantendo livres os componentes que necessitem de contato ou dissipação específica.
[ ] 3. Executar o encapsulamento em resina (Potting) - Opcional: Aplicar resina epóxi ou poliuretano somente nos módulos em que o encapsulamento seja compatível com manutenção, dissipação térmica e requisitos de operação.
[ ] 4. Realizar a montagem final no Case: Fixar a eletrônica, instalar prensa-cabos, conectores, antenas, baterias e demais componentes, realizando o fechamento conforme as especificações mecânicas.
[ ] 5. Executar teste físico de submersão: Inserir indicador de umidade no interior do case, realizar o fechamento e executar um ensaio controlado de exposição à água para verificar a eficiência da vedação.
[ ] 6. Executar teste térmico físico: Expor a unidade montada a condições controladas de temperatura e radiação solar, monitorando deformações, dilatações, temperaturas internas e possíveis falhas estruturais.
[ ] 7. Instalar o Firmware ARES: Gravar nas placas aprovadas a versão de firmware correspondente ao primeiro release físico e validar a inicialização de todos os módulos.
[ ] 8. Separar o lote piloto: Organizar o primeiro conjunto completo de equipamentos, composto por 1 Gateway, 2 Storages, 3 Relays e 5 Sensors, identificados, testados e documentados individualmente.