Poznaj architekturę Internetu rzeczy (IoT) w maksymalnie 5 minut [+ Use Cases]

przez

Poznaj architekturę Internetu rzeczy (IoT), aby skonfigurować strukturę IoT do użytku biznesowego.

Przyszłe magazyny, łańcuchy dostaw, zakłady produkcyjne i centra logistyczne będą wyposażone w IoT. Ponieważ technologia jest złożona, tylko kilku gigantów IT wie, co kryje się pod maską. Jednak możesz go również rozszyfrować, poznając technologię od podszewki.

Kontynuuj czytanie, jeśli również chcesz uczynić swoją firmę inteligentniejszą lub oferować rozwiązania IoT jako usługę. Artykuł wyjaśnia architekturę IoT, rdzeń oferujący automatyzację i wygodę oraz niektóre popularne przypadki użycia.

Wstęp

IoT obejmuje czujniki, urządzenia i interfejsy elektroniczne, które zbierają, przetwarzają i wysyłają dane jako polecenia do maszyn końcowych.

Są to wszystkie zmienne lub ruchome części w systemie IoT. Ramą, która definiuje sposób zamawiania tych ruchomych części i tworzenia ostatecznej struktury IoT, jest architektura IoT.

Architektura IoT mówi, jak łączyć i obsługiwać urządzenia systemu IoT, oprogramowanie w chmurze i sieć czujników. Nie wspominając już o rozwiązywaniu problemów z systemem, które odbywa się również w architekturze IoT.

Podstawową strukturą dla tego byłyby trzy warstwy komponentów w systemie IoT. Są to jak poniżej:

  • Czujniki, siłowniki, urządzenia itp. Pod warstwą percepcji
  • LAN, Wi-Fi, 5G, 4G itp. tworzą warstwę sieciową
  • Graficzny interfejs użytkownika to warstwa aplikacji

Architektura IoT zapewnia znajomość wszystkich komponentów, przepływów danych i poleceń urządzeń końcowych w systemie. W ten sposób możesz skutecznie zabezpieczać, wspierać i kontrolować swoje systemy IoT.

Warstwy architektury IoT

Architektura systemu IoT ma różne warstwy, które działają jako media cyfrowe, przez które dane z czujników docierają do aplikacji w chmurze. Następnie aplikacja w chmurze podejmuje decyzje na podstawie wstępnie ustawionego przepływu pracy dla urządzeń końcowych, takich jak ramiona robotów w zakładzie produkcyjnym.

Ostatecznie decyzje te przepływają do urządzeń końcowych przez tę samą warstwę. Zrozumienie tych warstw umożliwia stworzenie udanej architektury IoT. Oto warstwy architektury IoT, które musisz znać:

Warstwa sensoryczna/percepcyjna

Warstwa percepcji składa się z urządzeń końcowych, które zbierają dane z fizycznego wszechświata. Następnie aplikacje cyfrowe mogą analizować zebrane dane.

Ponieważ ta warstwa pozostaje w kontakcie z obiektami świata rzeczywistego, eksperci IoT nazywają ją również warstwą fizyczną. Poniżej znajduje się kilka godnych uwagi urządzeń, które łączą się z warstwą percepcji:

  • Czujniki, takie jak żyroskopy, czujniki prędkości, czujniki identyfikacji radiowej (RFID), czujniki chemiczne itp.
  • Siłowniki i ramiona robotyczne
  • Kamery bezpieczeństwa, systemy dostępu do drzwi itp.
  • Termostaty, HVAC, tryskacze wodne, elementy grzejne itp.

Większość przemysłowych urządzeń IoT gromadzi dane dla warstwy przetwarzania. W przypadku domowych urządzeń IoT warstwa percepcji może być również warstwą przetwarzania. Na przykład Nest Learning Thermostat.

Warstwa sieci/transportu danych

Warstwa sieciowa obsługuje transport danych między wszystkimi warstwami architektury IoT. Ta warstwa definiuje również topologię sieci dla całej sieci urządzeń, aplikacji w chmurze i baz danych.

Istotnymi częściami tej warstwy są bramy internetowe, porty intranetowe, bramy sieciowe i systemy akwizycji danych (DAS). W przypadku powyższych protokołów łączności sieciowej można polegać na następujących urządzeniach fizycznych:

  • Wi-Fi
  • Sieci rozległe (WAN)
  • 4G LTE / 5G
  • Bluetooth o niskim zużyciu energii
  • Komunikacja bliskiego zasięgu (NFC)

Za pośrednictwem tej warstwy różne urządzenia końcowe i aplikacje w chmurze komunikują się ze sobą. Dane z czujników, takie jak temperatura, prędkość, wilgotność itp., przechodzą przez warstwę sieci, aby dotrzeć do innych warstw.

Warstwa przetwarzania danych

Warstwa przetwarzająca przetwarza analizy i przechowuje dane przed przesłaniem ich do centrum danych. Obejmuje analitykę Edge w Edge computing, sztuczną inteligencję (AI) i uczenie maszynowe (ML). Kluczowe zadania, takie jak podejmowanie decyzji, również odbywają się w tej warstwie.

Warstwa przetwarzania realizuje wszystkie zadania decyzyjne. Możesz jednak zmienić jego decyzję lub udoskonalić system, podejmując decyzje ad hoc w warstwie aplikacji — funkcja bardzo niezbędna do kontrolowania przez człowieka inteligentnych maszyn.

Warstwa aplikacji lub GUI

Większość systemów IoT, takich jak Google Home, Amazon Alexa itp., działa bez interwencji człowieka. Jednak potrzebujesz graficznego interfejsu użytkownika, aby dodawać przepływy pracy IoT, zmieniać parametry, dodawać urządzenia itp. To jest warstwa aplikacji.

Niektóre istotne wymagania dotyczące warstwy aplikacji w architekturze IoT są następujące:

  • Omiń problemy oparte na poleceniach głosowych
  • Komunikuj się z tysiącami czujników i urządzeń końcowych z małego ekranu
  • Dodawaj nowe urządzenia do istniejącego systemu IoT bez przerywania całej działalności biznesowej
  • Obserwuj kondycję systemu i serwisuj urządzenia, gdy jest to wskazane na pulpicie nawigacyjnym
  • Twórz nowe reguły lub przepływy pracy dla systemów IoT
  • Utwórz i przestrzegaj umowy dotyczącej poziomu usług (SLA)

W konfiguracjach przemysłowych będziesz potrzebować głównie scentralizowanego pulpitu nawigacyjnego na monitorze komputera, aby obserwować wszystkie systemy IoT. Na pulpicie nawigacyjnym możesz wchodzić w interakcje z dowolnymi lub wszystkimi systemami IoT, wstrzymując, zatrzymując lub ponownie uruchamiając urządzenia.

warstwa biznesowa

Warstwa biznesowa przekształca przechowywane dane w praktyczne spostrzeżenia. Menedżerowie biznesowi, CTO i inni mogą korzystać z takich raportów. Pomaga im w podejmowaniu decyzji dotyczących poprawy wydajności.

Ta warstwa obejmuje głównie integracje aplikacji biznesowych. Na przykład narzędzia do planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP), aplikacje analizy biznesowej (BI), aplikacje do wizualizacji danych itp.

Tutaj analitycy danych mogą przetwarzać dane i umieszczać je w narzędziu BI, takim jak Tableau, Power BI itp., aby poznać ogólną wydajność systemu IoT. Możesz także tworzyć prognozy na podstawie aktualnych mocy produkcyjnych i przyszłych potrzeb rynku.

Etapy architektury IoT

Aby wdrożyć architekturę systemów IoT wysokiego poziomu, należy zrozumieć etapy tego systemu:

Obiekty

Etap obiektowy rozpoczyna się od implementacji warstwy fizycznej. Tutaj musisz połączyć inteligentne urządzenia, czujniki i siłowniki z siecią IoT i maszynami końcowymi.

Czujniki mogą być przewodowe lub bezprzewodowe. Głównym celem jest zbieranie rzeczywistych danych i przekształcanie ich w dane cyfrowe dla warstwy przetwarzania.

Wejście

Należy skonfigurować intranet lub bramę internetową. Na tym etapie modemy i routery zbierają dane z czujników i urządzeń końcowych.

Następnie te urządzenia bramowe będą przesyłać dane cyfrowe do warstwy przetwarzania i warstwy aplikacji. Większość architektur IoT wykorzystuje na tym etapie system akwizycji danych.

Systemy informatyczne

Systemy IoT zbierają dane analogowe, a systemy akwizycji przetwarzają je na dane cyfrowe. W związku z tym rozmiar danych cyfrowych poddanych obróbce końcowej jest ogromny. Nadchodzi brzegowy system informatyczny.

Na tym etapie przekazujesz zebrane dane do brzegowego systemu informatycznego, w którym algorytmy AI i ML przetwarzają je i przechowują tylko dane, które można wykorzystać.

Przechowywanie w chmurze/centra danych

Gdy brzegowy system informatyczny przetworzy i przefiltruje ważne dane, należy umieścić je w dostępnej pamięci masowej. Warstwa aplikacji architektury IoT połączy się z etapem przechowywania.

Etap przechowywania to głównie przechowywanie w chmurze prywatnej, w której można przechowywać dane IoT w ustrukturyzowanych bazach danych. Jeśli szukasz przystępnych cenowo rozwiązań, możesz również wypróbować chmury publiczne.

Wymagania niefunkcjonalne

# 1. Bezpieczeństwo

Aby zapewnić wewnętrzne bezpieczeństwo architektury, nie powinny być do niej podłączone żadne nieautoryzowane urządzenia. Urządzenia powinny być zarejestrowane i zdolne do bezpiecznej komunikacji.

Ponadto wszyscy użytkownicy i dane powinni mieć bezpieczny dostęp do architektury. Upoważnieni użytkownicy systemu muszą wymieniać dane z kontrolami bezpieczeństwa.

#2. Wydajność

System IoT musi być kompatybilny z danymi nieustrukturyzowanymi i ustrukturyzowanymi. Wdrożenie platformy powinno być kompatybilne z chmurą, chmurą lokalną i chmurą hybrydową.

Akceptowalne czasy odpowiedzi dla użytkowników i dwukierunkowa komunikacja w czasie zbliżonym do rzeczywistego oraz szczegółowe znaczniki czasu to inne istotne niefunkcjonalne wymagania tej architektury.

#3. Łatwość zarządzania

Architektura IoT musi zawierać powiadomienia i alerty dotyczące wszelkich problemów. Musi wspierać zarządzanie rozwiązaniami, aby szybko określić przyczyny problemów z centralnego węzła.

#4. Łatwość konserwacji

Urządzenia i system IoT powinny być elastyczne. Architektura musi być wystarczająco elastyczna, aby szybko dostosowywać się do użytkownika, procesu i zmian danych. Musisz także przeprowadzać konserwację bez opóźniania umów o poziomie usług (SLA).

#5. Dostępność

Niektóre domeny i rozwiązania wymagają całodobowej dostępności systemów IoT. Na przykład architektura IoT szpitala lub laboratorium wymaga, aby system był zawsze aktywny.

Architektura IoT w MongoDB Atlas

Architektura IoT w MongoDB Atlas Obraz z MongoDB.com

Różne warstwy w architekturze IoT generują terabajty danych. Korzystanie z bazy danych w chmurze obsługującej IoT jest idealne do przechowywania danych w zorganizowany sposób.

Jedną z najlepszych baz danych w chmurze, z których możesz skorzystać, jest MongoDB Atlas. Oto kilka przykładów jego wykorzystania w architekturze IoT:

  • MongoDB RealmSDK i MongoDB Server do budowy bazy danych i interfejsu. Aplikacje i urządzenia mobilne mogą korzystać z tych baz danych i interfejsów.
  • W warstwie sieciowej możesz użyć MongoDB Atlas do konfigurowania i wdrażania serwerów IoT.
  • Użyj MongoDB 5.0 Time-Series jako magazynu do ciągłych danych pomiarowych IoT.
  • Jeśli system IoT ma problemy z łącznością sieciową, możesz użyć synchronizacji w trybie offline z usług Atlas App Services.
  • Możesz użyć MongoDB Connector for BI i MongoDB Charts w warstwie biznesowej, aby wyodrębnić praktyczne spostrzeżenia z danych IoT.

Przypadków użycia

Architektura IoT z dnia na dzień staje się coraz bardziej popularna, a jej wykorzystanie w różnych sektorach rośnie. Oto najczęstsze przypadki użycia:

# 1. Opieka zdrowotna

Kliniki i szpitale generują terabajty niewykorzystanych danych. Możesz to wykorzystać do zwiększenia wydajności operacyjnej i opieki nad pacjentem.

Dzięki architekturze IoT instytucje mogą wykorzystywać izolowane dane pacjentów. Lekarze mogą szybko uzyskiwać informacje i wykorzystywać je do szybkiego reagowania na alerty. Gadżety połączone z infrastrukturą IoT i monitory stanu zdrowia mogą oferować stan pacjenta w czasie rzeczywistym.

#2. Rolnictwo

Rolnicy mogą wykorzystywać architekturę IoT do autonomicznego zwiększania produkcji i zarządzania nią.

Możesz również zobaczyć jego użycie w następujących przypadkach:

  • Monitorowanie temperatury gleby
  • Znalezienie przyczyn awarii maszyn
  • Regulacja poziomów wilgotności i temperatury dla plantacji wewnętrznych

#3. Produkcja

Przemysł wytwórczy wykorzystuje czujniki IoT do uzyskiwania wglądu w procesy. Zwykle nie mają połączenia z Internetem. Te czujniki o krótkim zasięgu są również zdolne do obliczania zmian w czasie.

Inne zastosowania architektury IoT w tym sektorze to:

  • Prognozowanie popytu poprzez monitorowanie produkcji w czasie rzeczywistym
  • Znajomość wydajności bazowej dzięki śledzeniu czasu cyklu

#4. Komercyjne rozwiązania HVAC

HVAC to złożony system, który nie może pozwolić sobie na awarię żadnego elementu lub funkcji. Jeśli tak się stanie, konsekwencją będzie wysokie zużycie energii i dodatkowe koszty konserwacji. Wykorzystując architekturę IoT, możliwe jest sprawienie, aby systemy HVAC zapewniały zadowalającą moc wyjściową, jednocześnie umożliwiając im pracę przy niższym poziomie mocy.

Zapewnienie spójności i jakości rozwiązań komercyjnych to kolejne zastosowanie IoT. System automatycznie zbiera i analizuje dane przy minimalnej interakcji użytkownika, aby powiadomić Cię o wszelkich anomaliach.

#5. Zapobieganie uszkodzeniom spowodowanym przez wodę w mieszkaniach komercyjnych

Wyciek i pęknięcie rury wodociągowej powodują miliony dolarów dla właścicieli domów i firm ubezpieczeniowych. Niewidoczność połączeń wodnych utrudnia wykrycie przyczyny.

Odpowiednio ustawiona architektura IoT może ostrzegać użytkowników o wszelkich wyciekach w czasie rzeczywistym za pomocą wydajnych wbudowanych czujników. Zapewnia również zainteresowanym stronom kontekstowe dane lokalizacyjne w celu lepszej konserwacji aktywów. Firmy ubezpieczeniowe również odnoszą korzyści z tego wczesnego wykrywania problemów.

Ponadto czujniki mogą wykrywać również drobne wycieki, które mogą stać się potencjalnym zagrożeniem w przyszłości. W ten sposób użytkownicy mogą planować spotkania z hydraulikami.

Przyszłość architektury IoT

Wkrótce wraz z rozwojem sieci 5G nastąpi ewolucyjny postęp w IoT. Przetwarzanie danych będzie możliwe szybciej niż kiedykolwiek. Nie wspominając już o szybkim wdrożeniu systemów IoT.

Korzystając z prywatnego 5G, administratorzy mogą uruchomić osobistą sieć komórkową 5G i mieć nad nią pełną kontrolę.

Operacje na poziomie przedsiębiorstwa nie napotkają następujących problemów:

  • Ograniczanie prędkości
  • Brak interoperacyjności
  • Dodatkowe opłaty za przekroczenie limitu danych
  • Niedostępność pasma w godzinach szczytu

Ostatnie słowa

Architektura IoT mówi, jak połączyć wszystkie komponenty systemu IoT w spójną sieć. W związku z tym omówiliśmy wszystkie kluczowe aspekty techniczne architektury tego systemu.

Szczegółowa wiedza na temat architektur IoT pomaga tworzyć rozwiązania klasy biznesowej w służbie zdrowia, produkcji i rolnictwie. Użytkownicy mogą nawet wyjść poza przypadki użycia wymienione w tym artykule i wdrożyć IoT w różnych sektorach, które dopiero zostaną zbadane.

Możesz również zapoznać się z naszymi artykułami na temat zasobów edukacyjnych IoT i zestawów startowych IoT.