Odkryj tajniki architektury Internetu Rzeczy (IoT), aby stworzyć efektywną strukturę IoT dopasowaną do potrzeb Twojej firmy.
W niedalekiej przyszłości magazyny, sieci logistyczne, zakłady produkcyjne i centra dystrybucji będą w pełni zintegrowane z technologią IoT. Ze względu na skomplikowaną naturę tej technologii, tylko nieliczne firmy z branży IT posiadają dogłębną wiedzę na jej temat. Jednakże, poprzez zgłębienie zasad działania, również Ty możesz stać się ekspertem w tej dziedzinie.
Zachęcamy do dalszego czytania, jeśli Twoim celem jest transformacja firmy w inteligentną organizację lub oferowanie usług IoT. W tym artykule omówimy architekturę IoT, jej kluczowe elementy związane z automatyzacją i wygodą, a także popularne przykłady zastosowań.
Wprowadzenie
IoT skupia w sobie czujniki, urządzenia oraz interfejsy elektroniczne, których zadaniem jest gromadzenie, przetwarzanie i wysyłanie danych w formie poleceń do maszyn docelowych.
Wszystkie te elementy stanowią zmienne składowe systemu IoT. Architektura IoT to struktura, która określa sposób uporządkowania tych elementów, tworząc spójną całość.
Architektura IoT definiuje, jak urządzenia wchodzące w skład systemu IoT, oprogramowanie chmurowe i sieć czujników są ze sobą połączone i jak działają. Ponadto, architektura IoT odgrywa istotną rolę w rozwiązywaniu problemów technicznych systemu.
Podstawowa struktura opiera się na trzech warstwach komponentów systemu IoT. Są to:
- Czujniki, siłowniki, urządzenia i inne elementy warstwy percepcji.
- Sieci LAN, Wi-Fi, 5G, 4G i inne elementy warstwy sieciowej.
- Graficzny interfejs użytkownika, czyli warstwa aplikacji.
Dzięki architekturze IoT zyskujesz pełny wgląd w elementy, przepływ danych i polecenia urządzeń końcowych systemu. Umożliwia to skuteczne zabezpieczanie, wsparcie techniczne i kontrolę nad systemami IoT.
Warstwy architektury IoT
Architektura systemu IoT składa się z różnych warstw, które pełnią rolę cyfrowych kanałów komunikacji. To dzięki nim dane zbierane przez czujniki trafiają do aplikacji w chmurze. Następnie, aplikacja chmurowa podejmuje decyzje w oparciu o ustalony schemat działania, kierując polecenia do urządzeń końcowych, takich jak robotyczne ramiona w zakładzie produkcyjnym.
Ostatecznie, decyzje te są przekazywane do urządzeń końcowych za pośrednictwem tych samych warstw. Zrozumienie tych warstw jest kluczowe dla stworzenia efektywnej architektury IoT. Oto warstwy, które musisz poznać:
Warstwa sensoryczna/percepcyjna
Warstwa percepcji składa się z urządzeń końcowych, których zadaniem jest zbieranie danych ze świata fizycznego. Następnie, zebrane informacje są analizowane przez aplikacje cyfrowe.
Ponieważ warstwa ta ma bezpośredni kontakt z obiektami rzeczywistymi, eksperci w dziedzinie IoT często nazywają ją warstwą fizyczną. Poniżej przedstawiono kilka istotnych urządzeń wchodzących w skład warstwy percepcji:
- Czujniki, takie jak żyroskopy, czujniki prędkości, czujniki identyfikacji radiowej (RFID), czujniki chemiczne i inne.
- Siłowniki i robotyczne ramiona.
- Kamery monitoringu, systemy kontroli dostępu.
- Termostaty, systemy HVAC, zraszacze, elementy grzejne.
W większości przypadków, przemysłowe urządzenia IoT zbierają dane, które są następnie przekazywane do warstwy przetwarzania. W przypadku urządzeń domowych, warstwa percepcji może jednocześnie pełnić funkcję warstwy przetwarzania. Przykładem może być termostat Nest Learning.
Warstwa sieci/transportu danych
Warstwa sieciowa odpowiada za przesyłanie danych pomiędzy wszystkimi warstwami architektury IoT. Określa również topologię sieci, w obrębie której działają urządzenia, aplikacje chmurowe i bazy danych.
Kluczowymi elementami tej warstwy są bramy internetowe, porty intranetowe, bramy sieciowe i systemy akwizycji danych (DAS). Do komunikacji w sieci można wykorzystać następujące urządzenia fizyczne:
- Wi-Fi
- Sieci rozległe (WAN)
- 4G LTE / 5G
- Bluetooth o niskim poborze mocy
- Komunikacja bliskiego zasięgu (NFC)
Za pośrednictwem tej warstwy, różne urządzenia końcowe i aplikacje w chmurze mogą się ze sobą komunikować. Dane zbierane przez czujniki, takie jak temperatura, prędkość czy wilgotność, są przekazywane przez warstwę sieciową do innych warstw.
Warstwa przetwarzania danych
Warstwa przetwarzania zajmuje się analizą i przechowywaniem danych przed ich przekazaniem do centrum danych. Wykorzystuje ona analizę brzegową w ramach przetwarzania brzegowego, a także sztuczną inteligencję (AI) i uczenie maszynowe (ML). W tej warstwie podejmowane są również kluczowe decyzje.
Warstwa przetwarzania wykonuje wszystkie zadania związane z podejmowaniem decyzji. Możliwe jest jednak modyfikowanie lub ulepszanie systemu poprzez wprowadzanie ad hoc decyzji w warstwie aplikacji. Jest to bardzo ważna funkcja umożliwiająca kontrolę nad inteligentnymi maszynami przez człowieka.
Warstwa aplikacji lub GUI
Większość systemów IoT, takich jak Google Home czy Amazon Alexa, działa autonomicznie. Niemniej jednak, do dodawania schematów działania IoT, modyfikowania parametrów czy dodawania urządzeń, potrzebny jest graficzny interfejs użytkownika. Tym właśnie jest warstwa aplikacji.
Oto niektóre istotne funkcje warstwy aplikacji w architekturze IoT:
- Ułatwienie obsługi poprzez wyeliminowanie problemów związanych z poleceniami głosowymi.
- Umożliwienie komunikacji z tysiącami czujników i urządzeń końcowych za pośrednictwem małego ekranu.
- Dodawanie nowych urządzeń do istniejącego systemu IoT bez zakłócania jego pracy.
- Monitorowanie stanu systemu i serwisowanie urządzeń w oparciu o informacje wyświetlane na panelu.
- Tworzenie nowych reguł i schematów działania dla systemów IoT.
- Tworzenie i przestrzeganie umowy dotyczącej poziomu usług (SLA).
W środowiskach przemysłowych, głównym narzędziem do obserwacji wszystkich systemów IoT jest centralny panel sterowania na monitorze komputera. Z jego poziomu można wchodzić w interakcję z dowolnymi systemami IoT, wstrzymywać, zatrzymywać lub ponownie uruchamiać urządzenia.
Warstwa biznesowa
Warstwa biznesowa przekształca zgromadzone dane w praktyczne wnioski. Raporty generowane na tym poziomie są wykorzystywane przez menedżerów, dyrektorów technicznych i inne osoby zajmujące stanowiska kierownicze w firmie. Dane te są istotne dla podejmowania decyzji mających na celu poprawę wydajności.
Warstwa ta obejmuje przede wszystkim integrację z aplikacjami biznesowymi, takimi jak narzędzia do planowania zasobów przedsiębiorstwa (ERP), aplikacje analizy biznesowej (BI), aplikacje do wizualizacji danych i inne.
Analitycy danych mogą przetwarzać dane i prezentować je w narzędziach BI, takich jak Tableau czy Power BI, aby ocenić ogólną wydajność systemu IoT. Na podstawie danych można również tworzyć prognozy dotyczące przyszłych możliwości produkcyjnych i potrzeb rynkowych.
Etapy architektury IoT
Aby skutecznie wdrożyć architekturę systemów IoT na wysokim poziomie, konieczne jest zrozumienie etapów jej funkcjonowania:
Obiekty
Etap obiektowy rozpoczyna się od implementacji warstwy fizycznej. Na tym etapie, inteligentne urządzenia, czujniki i siłowniki są łączone z siecią IoT i maszynami docelowymi.
Czujniki mogą być połączone przewodowo lub bezprzewodowo. Ich głównym celem jest zbieranie rzeczywistych danych i przekształcanie ich w dane cyfrowe na potrzeby warstwy przetwarzania.
Wejście
Następnie, konieczne jest skonfigurowanie intranetu lub bramy internetowej. Na tym etapie, modemy i routery gromadzą dane z czujników i urządzeń końcowych.
Urządzenia bramowe przesyłają dane cyfrowe do warstwy przetwarzania i warstwy aplikacji. W większości architektur IoT, na tym etapie stosowany jest system akwizycji danych.
Systemy informatyczne
Systemy IoT zbierają dane analogowe, które są następnie przetwarzane na dane cyfrowe przez systemy akwizycji. W związku z tym, rozmiar danych cyfrowych po obróbce jest bardzo duży. W tym miejscu do gry wchodzą brzegowe systemy informatyczne.
Na tym etapie, zebrane dane są przekazywane do brzegowego systemu informatycznego, w którym algorytmy AI i ML przetwarzają i przechowują tylko istotne informacje.
Przechowywanie w chmurze/centra danych
Po przetworzeniu i przefiltrowaniu ważnych danych przez brzegowy system informatyczny, są one umieszczane w dostępnej pamięci masowej. Warstwa aplikacji architektury IoT łączy się z etapem przechowywania.
Etap przechowywania danych odbywa się głównie w prywatnej chmurze, gdzie dane IoT są przechowywane w ustrukturyzowanych bazach danych. Dla bardziej ekonomicznych rozwiązań, można również skorzystać z chmur publicznych.
Wymagania niefunkcjonalne
# 1. Bezpieczeństwo
Dla zapewnienia wewnętrznego bezpieczeństwa 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, zachowując jednocześnie wszelkie procedury bezpieczeństwa.
#2. Wydajność
System IoT musi być kompatybilny zarówno z danymi nieustrukturyzowanymi, jak i ustrukturyzowanymi. Wdrożona platforma powinna być dostosowana do pracy w chmurze, chmurze lokalnej i środowisku chmury hybrydowej.
Akceptowalny czas odpowiedzi dla użytkowników, dwukierunkowa komunikacja w czasie zbliżonym do rzeczywistego i dokładne znaczniki czasu to kolejne istotne niefunkcjonalne wymagania tej architektury.
#3. Łatwość zarządzania
Architektura IoT musi zapewniać powiadomienia i alerty o wszelkich problemach. Musi także umożliwiać szybkie zidentyfikowanie przyczyn problemów za pomocą 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. Konserwację należy przeprowadzać bez zakłócania działania umów o poziomie usług (SLA).
#5. Dostępność
W niektórych dziedzinach i rozwiązaniach, systemy IoT muszą działać w trybie ciągłym. Na przykład, w przypadku architektury IoT szpitala lub laboratorium, system musi być zawsze aktywny.
Architektura IoT w MongoDB Atlas
Architektura IoT w MongoDB Atlas Źródło: MongoDB.com
Różne warstwy architektury IoT generują ogromne ilości danych. Do zorganizowanego przechowywania tych danych idealnie nadaje się baza danych w chmurze, która jest dostosowana do potrzeb IoT.
Jedną z najlepszych baz danych w chmurze jest MongoDB Atlas. Oto kilka przykładów jej zastosowania 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, MongoDB Atlas można wykorzystać do konfigurowania i wdrażania serwerów IoT.
- MongoDB 5.0 Time-Series jako magazyn do przechowywania danych pomiarowych IoT.
- W przypadku problemów z łącznością sieciową systemu IoT, można wykorzystać synchronizację offline z usługami Atlas App Services.
- W warstwie biznesowej, MongoDB Connector for BI i MongoDB Charts można wykorzystać do wyodrębniania praktycznych wniosków z danych IoT.
Przykłady zastosowań
Architektura IoT zyskuje coraz większą popularność, a jej zastosowanie w różnych sektorach stale rośnie. Oto najczęstsze przykłady jej wykorzystania:
# 1. Opieka zdrowotna
Kliniki i szpitale generują ogromne ilości niewykorzystanych danych. Można je wykorzystać do poprawy wydajności operacyjnej i opieki nad pacjentem.
Dzięki architekturze IoT, instytucje te mogą w łatwy sposób uzyskać dostęp do izolowanych danych pacjentów. Lekarze mogą szybko uzyskiwać informacje i wykorzystywać je do reagowania na alerty. Urządzenia połączone z infrastrukturą IoT i monitory stanu zdrowia mogą dostarczać dane o stanie pacjenta w czasie rzeczywistym.
#2. Rolnictwo
Rolnicy mogą wykorzystać architekturę IoT do automatycznego zwiększania produkcji i zarządzania nią.
Można ją zastosować między innymi w:
- Monitorowaniu temperatury gleby.
- Wykrywaniu przyczyn awarii maszyn.
- Regulacji poziomu wilgotności i temperatury w uprawach wewnętrznych.
#3. Produkcja
W przemyśle wytwórczym, czujniki IoT są wykorzystywane do monitorowania procesów. Zwykle nie są one połączone z internetem. Te czujniki o krótkim zasięgu mogą również analizować zmiany w czasie.
Inne zastosowania architektury IoT w tym sektorze to:
- Prognozowanie popytu poprzez monitorowanie produkcji w czasie rzeczywistym.
- Określanie wydajności na podstawie śledzenia czasu cyklu.
#4. Komercyjne rozwiązania HVAC
HVAC to złożony system, który nie może pozwolić sobie na awarię żadnego elementu lub funkcji. W przeciwnym razie, konsekwencją będzie wysokie zużycie energii i dodatkowe koszty konserwacji. Dzięki architekturze IoT, można sprawić, że systemy HVAC będą działać z zadowalającą mocą przy niższym zużyciu energii.
Zapewnienie spójności i wysokiej jakości rozwiązań komercyjnych to kolejne zastosowanie IoT. System automatycznie gromadzi i analizuje dane przy minimalnej interakcji z użytkownikiem, informując o wszelkich nieprawidłowościach.
#5. Zapobieganie uszkodzeniom spowodowanym przez wodę w mieszkaniach komercyjnych
Wycieki i pęknięcia rur wodociągowych generują miliony dolarów strat dla właścicieli domów i firm ubezpieczeniowych. Trudność w wykryciu przyczyny wycieków wynika z niedostępności połączeń wodnych.
Odpowiednio skonfigurowana architektura IoT może ostrzegać użytkowników o wszelkich wyciekach w czasie rzeczywistym za pomocą wydajnych, wbudowanych czujników. Zapewnia również zainteresowanym stronom kontekstowe dane lokalizacyjne, co ułatwia konserwację. Firmy ubezpieczeniowe również odnoszą korzyści z wczesnego wykrywania problemów.
Ponadto, czujniki mogą wykrywać nawet niewielkie wycieki, które w przyszłości mogą stanowić potencjalne zagrożenie. Dzięki temu użytkownicy mogą odpowiednio wcześniej umawiać wizyty z hydraulikiem.
Przyszłość architektury IoT
Wraz z rozwojem sieci 5G, wkrótce nastąpi przełom w dziedzinie IoT. Przetwarzanie danych będzie szybsze niż kiedykolwiek wcześniej, a wdrożenie systemów IoT będzie znacznie bardziej efektywne.
Dzięki prywatnej sieci 5G, administratorzy będą mogli uruchomić własną, prywatną sieć komórkową 5G i sprawować nad nią pełną kontrolę.
Operacje na poziomie przedsiębiorstwa nie będą ograniczone przez:
- Ograniczenia prędkości.
- Brak interoperacyjności.
- Dodatkowe opłaty za przekroczenie limitu danych.
- Niedostępność pasma w godzinach szczytu.
Podsumowanie
Architektura IoT określa sposób łączenia wszystkich elementów systemu IoT w spójną całość. W tym artykule omówiliśmy kluczowe aspekty techniczne architektury tego systemu.
Dogłębna wiedza o architekturze IoT ułatwia tworzenie profesjonalnych rozwiązań w branży medycznej, produkcyjnej i rolniczej. Użytkownicy mogą wychodzić poza przykłady zastosowań przedstawione w tym artykule i wdrażać rozwiązania IoT w różnych, dotychczas niezagospodarowanych, sektorach.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszymi artykułami na temat zasobów edukacyjnych IoT oraz zestawów startowych IoT.