Descoperiți structura rețelei internetului lucrurilor (IoT) pentru a concepe o arhitectură IoT eficientă pentru operațiunile afacerii dumneavoastră.
În viitor, depozitele, lanțurile de aprovizionare, fabricile și centrele logistice vor fi din ce în ce mai interconectate prin IoT. Deși tehnologia este complexă, un număr restrâns de companii IT înțeleg în profunzime funcționarea sa. Cu toate acestea, puteți pătrunde în esența acesteia prin înțelegerea amănunțită a tehnologiei.
Continuați lectura dacă doriți să vă îmbunătățiți operațiunile afacerii sau să oferiți soluții IoT ca serviciu. Acest articol explică arhitectura IoT, elementul fundamental care asigură automatizarea și ușurința utilizării, prezentând și câteva aplicații practice populare.
Introducere
IoT constă în senzori, dispozitive și interfețe electronice care adună, prelucrează și trimit date sub formă de comenzi către echipamentele terminale.
Toate acestea sunt elemente variabile sau dinamice ale unui sistem IoT. Un cadru care stabilește modul în care sunt coordonate aceste componente dinamice și în care se construiește structura finală a IoT este arhitectura IoT.
Arhitectura IoT vă ghidează în privința modului de conectare și operare a dispozitivelor sistemului IoT, a software-ului cloud și a rețelei de senzori. Mai mult, soluționarea problemelor sistemului este, de asemenea, integrată în arhitectura IoT.
Un cadru de bază pentru aceasta ar consta în trei niveluri de componente într-un sistem IoT. Acestea sunt următoarele:
- Senzori, actuatoare, dispozitive etc., care formează nivelul de percepție
- Rețele LAN, Wi-Fi, 5G, 4G etc., care creează nivelul de rețea
- O interfață grafică cu utilizatorul, care este nivelul de aplicație
Arhitectura IoT asigură o înțelegere aprofundată a tuturor componentelor, a fluxurilor de date și a comenzilor dispozitivelor finale în cadrul sistemului. Astfel, vă puteți gestiona, susține și controla eficient sistemele IoT.
Nivelurile arhitecturii IoT
Arhitectura unui sistem IoT este alcătuită din diverse niveluri care acționează ca o rețea digitală prin care informațiile senzorilor ajung la aplicația cloud. Apoi, aplicația cloud ia decizii pe baza unui flux de lucru predeterminat pentru dispozitivele terminale, cum ar fi brațele robotice într-o fabrică.
În final, aceste decizii sunt transmise dispozitivelor terminale prin același set de niveluri. Înțelegerea acestor niveluri vă permite să creați o arhitectură IoT de succes. Iată nivelurile arhitecturii IoT pe care trebuie să le înțelegeți:
Nivelul senzorial/de percepție
Nivelul de percepție este format din dispozitivele terminale care adună informații din lumea fizică. Aceste informații colectate pot fi apoi analizate de aplicațiile digitale.
Deoarece acest nivel interacționează direct cu obiectele din lumea reală, specialiștii în IoT îl numesc și nivelul fizic. Mai jos sunt câteva dispozitive importante care se conectează la nivelul de percepție:
- Senzori, cum ar fi giroscoapele, senzori de viteză, senzori de identificare prin radiofrecvență (RFID), senzori chimici etc.
- Actuatoare și brațe robotice
- Camere de supraveghere, sisteme de acces pentru uși etc.
- Termostate, sisteme HVAC, aspersoare, elemente de încălzire etc.
Majoritatea dispozitivelor IoT industriale adună informații pentru nivelul de procesare. Pentru dispozitivele IoT casnice, nivelul de percepție poate funcționa și ca nivel de procesare. De exemplu, termostatul inteligent Nest Learning Thermostat.
Nivelul de transport de date/rețea
Nivelul de rețea gestionează transferul de informații între toate nivelurile unei arhitecturi IoT. Acest nivel stabilește, de asemenea, topologia rețelei pentru întreaga rețea de dispozitive, aplicații cloud și baze de date.
Componentele esențiale ale acestui nivel sunt gateway-urile de internet, porturile intranet, gateway-urile de rețea și sistemele de achiziție a datelor (DAS). Pentru protocoalele de conectivitate la rețea menționate, vă puteți baza pe următoarele dispozitive fizice:
- Wi-Fi
- Rețele WAN (Wide Area Networks)
- 4G LTE/ 5G
- Bluetooth Low Energy
- Comunicare în câmp apropiat (NFC)
Prin intermediul acestui nivel, diverse dispozitive terminale și aplicații cloud comunică între ele. Informațiile senzorilor, precum temperatura, viteza, umiditatea etc., sunt transferate prin nivelul de rețea pentru a ajunge la celelalte niveluri.
Nivelul de procesare a datelor
Nivelul de procesare gestionează analizele și stochează informațiile înainte de a le transfera într-un centru de date. Acesta include analize Edge în Edge computing, inteligența artificială (AI) și învățarea automată (ML). Sarcinile esențiale, precum luarea deciziilor, au loc, de asemenea, în acest nivel.
Nivelul de procesare realizează toate sarcinile de luare a deciziilor. Cu toate acestea, puteți, de asemenea, să anulați o decizie sau să îmbunătățiți sistemul luând decizii ad-hoc în nivelul de aplicație – o funcție extrem de importantă pentru controlul uman al mașinilor inteligente.
Aplicația sau nivelul GUI
Majoritatea sistemelor IoT, cum ar fi Google Home, Amazon Alexa etc., funcționează fără intervenție umană. Cu toate acestea, aveți nevoie de o interfață grafică cu utilizatorul pentru a adăuga fluxuri de lucru IoT, a modifica parametrii, a adăuga dispozitive etc. Acesta este nivelul de aplicație.
Unele cerințe vitale pentru nivelul de aplicație într-o arhitectură IoT sunt următoarele:
- Gestionarea problemelor prin comenzi vocale
- Comunicarea cu mii de senzori și dispozitive terminale de pe un ecran mic
- Adăugarea de dispozitive noi la un sistem IoT existent fără a întrerupe întreaga operațiune a afacerii
- Monitorizarea stării de sănătate a sistemului și remedierea dispozitivelor când tabloul de bord indică acest lucru
- Crearea de reguli noi sau fluxuri de lucru pentru sistemele IoT
- Crearea și respectarea unui acord de nivel de servicii (SLA)
În configurațiile industriale, veți avea nevoie de un tablou de bord centralizat pe un monitor de calculator pentru a monitoriza toate sistemele IoT. Din tabloul de bord, puteți interacționa cu oricare sau cu toate sistemele IoT, oprind, punând în pauză sau repornind dispozitivele.
Nivelul de afaceri
Nivelul de afaceri transformă datele stocate în informații utile. Managerii de afaceri, CTO și alții pot utiliza astfel de rapoarte. Acestea îi ajută să ia decizii pentru a îmbunătăți productivitatea.
Acest nivel include în principal integrări ale aplicațiilor de afaceri. De exemplu, aplicații de planificare a resurselor întreprinderii (ERP), aplicații de business intelligence (BI), aplicații de vizualizare a datelor etc.
Aici, analiștii de date pot procesa datele și le pot introduce într-un instrument BI, precum Tableau, Power BI etc., pentru a înțelege performanța generală a sistemului IoT. De asemenea, puteți face previziuni pe baza capacității actuale de producție și a nevoilor viitoare de pe piață.
Etapele arhitecturii IoT
Pentru o implementare avansată a arhitecturii sistemelor IoT, trebuie să înțelegeți etapele acestui sistem:
Obiecte
Etapa obiectelor începe cu implementarea nivelului fizic. Aici, trebuie să conectați dispozitive inteligente, senzori și actuatoare la rețeaua IoT și la echipamentele terminale.
Senzorii pot fi cu fir sau fără fir. Scopul principal este să colectați informații din lumea reală și să le convertiți în date digitale pentru nivelul de procesare.
Gateway
Trebuie să configurați un intranet sau un gateway de internet. În această etapă, modemurile și routerele adună informații de la senzori și dispozitivele terminale.
Apoi, aceste dispozitive gateway vor transmite date digitale nivelului de procesare și nivelului de aplicație. Majoritatea arhitecturilor IoT utilizează un sistem de achiziție de date pentru această etapă.
Sisteme IT
Sistemele IoT adună date analogice, iar sistemele de achiziție a datelor le convertesc în date digitale. Prin urmare, volumul datelor digitale post-procesate este enorm. Aici intervine un sistem IT avansat.
În această etapă, direcționați datele colectate către un sistem IT avansat, unde algoritmii AI și ML le prelucrează, reținând doar datele utile.
Stocare cloud/Centre de date
Odată ce sistemul IT edge a procesat și filtrat datele importante, trebuie să le stocați într-un spațiu de stocare accesibil. Nivelul de aplicație al arhitecturii IoT se va conecta la etapa de stocare.
O etapă de stocare este, în principal, o stocare privată în cloud, unde puteți stoca datele IoT în baze de date structurate. Dacă sunteți în căutarea unor soluții accesibile, puteți încerca și cloud-urile publice.
Cerințe nefuncționale
#1. Securitate
Pentru a asigura siguranța internă a arhitecturii, nu ar trebui să existe dispozitive neautorizate conectate la aceasta. Dispozitivele ar trebui să fie înregistrate și să poată comunica în siguranță.
Mai mult, toți utilizatorii și datele ar trebui să aibă acces securizat la arhitectură. Utilizatorii autorizați ai sistemului trebuie să facă schimb de date respectând protocoalele de securitate.
#2. Performanță
Sistemul IoT trebuie să fie compatibil cu date nestructurate și structurate. Implementarea platformei ar trebui să fie compatibilă cu cloud, on-premise și cloud hibrid.
Timpii de răspuns acceptabili pentru utilizatori și comunicațiile bidirecționale, aproape în timp real, precum și marcajele de timp granulare sunt alte cerințe nefuncționale esențiale ale acestei arhitecturi.
#3. Gestionabilitate
Arhitectura IoT trebuie să includă notificări și alerte pentru orice problemă. Trebuie să susțină managementul soluției pentru a identifica rapid cauzele problemelor dintr-un nod central.
#4. Mentenabilitate
Dispozitivele și sistemul IoT ar trebui să fie adaptabile. Arhitectura trebuie să fie suficient de flexibilă pentru a se adapta rapid la modificările aduse de utilizator, proces și date. De asemenea, trebuie să efectuați întreținerea fără a întârzia acordurile de nivel de servicii (SLA).
#5. Disponibilitate
Anumite domenii și soluții necesită o disponibilitate continuă 24/7 a sistemelor IoT. De exemplu, o arhitectură IoT dintr-un spital sau laborator are nevoie ca sistemul să funcționeze permanent.
Arhitectura IoT în MongoDB Atlas
Arhitectura IoT pe MongoDB Atlas Imagine de la MongoDB.com
Diferitele niveluri ale unei arhitecturi IoT generează terabyți de date. Utilizarea unei baze de date cloud compatibile cu IoT este ideală pentru stocarea organizată a datelor.
Una dintre cele mai performante baze de date cloud pe care le puteți utiliza este MongoDB Atlas. Iată câteva exemple de utilizare a acesteia în arhitectura IoT:
- MongoDB RealmSDK și MongoDB Server pentru construirea unei baze de date și a unei interfețe. Aplicațiile și dispozitivele mobile pot utiliza aceste baze de date și interfețe.
- La nivelul rețelei, puteți folosi MongoDB Atlas pentru a configura și implementa servere IoT.
- Utilizați MongoDB 5.0 Time-Series ca stocare pentru date de măsurare continue IoT.
- Dacă sistemul IoT se confruntă cu conectivitate agitată la rețea, puteți utiliza prima sincronizare offline din Atlas App Services.
- Puteți folosi MongoDB Connector pentru BI și MongoDB Charts la nivelul afacerii pentru a extrage informații utile din datele IoT.
Aplicații practice
Arhitectura IoT devine din ce în ce mai populară zi de zi, iar utilizarea sa în diverse sectoare este în creștere. Următoarele sunt cele mai frecvente aplicații practice:
#1. Sănătate
Clinicile și spitalele generează terabyți de date neutilizate. Puteți folosi aceste informații pentru o mai mare eficiență operațională și îngrijire a pacientului.
Prin arhitectura IoT, instituțiile pot folosi datele pacienților, care înainte erau izolate. Medicii pot obține și utiliza rapid informațiile pentru a răspunde prompt la alerte. Gadgeturile conectate la infrastructura IoT și monitoarele de sănătate pot oferi informații în timp real despre starea pacientului.
#2. Agricultură
Agricultorii pot folosi arhitectura IoT pentru a crește și a gestiona producția în mod autonom.
De asemenea, puteți vedea utilizarea sa în următoarele:
- Monitorizarea temperaturii solului
- Identificarea cauzelor defecțiunilor utilajelor
- Reglarea nivelului de umiditate și temperatură pentru culturile din interior
#3. Producție
Industria de producție utilizează senzori IoT pentru a înțelege mai bine procesele. De obicei, aceștia nu sunt conectați la internet. Acești senzori de variantă cu rază scurtă de acțiune sunt, de asemenea, capabili să calculeze modificări în timp.
Alte utilizări ale arhitecturii IoT în acest sector sunt următoarele:
- Prognoza cererii prin monitorizarea în timp real a producției
- Determinarea eficienței de bază prin urmărirea duratei ciclului
#4. Soluții HVAC comerciale
HVAC este un sistem complex care nu își poate permite defectarea niciunui element sau funcție. Dacă acest lucru se întâmplă, consecințele vor fi consumul mare de energie și costurile suplimentare de întreținere. Prin intermediul arhitecturii IoT, sistemele HVAC pot furniza o performanță satisfăcătoare, funcționând simultan la un nivel de putere mai scăzut.
Asigurarea coerenței și calității soluțiilor comerciale este o altă utilizare a IoT. Sistemul colectează și analizează automat datele, minimizând interacțiunea cu utilizatorul, pentru a-l notifica despre orice anomalie.
#5. Prevenirea pagubelor cauzate de apă în apartamentele comerciale
Scurgerile și spargerea conductelor de apă provoacă daune de milioane de dolari proprietarilor de case și companiilor de asigurări. Dificultatea în detectarea cauzei principale este cauzată de invizibilitatea racordurilor de apă.
O arhitectură IoT corect configurată poate alerta utilizatorii cu privire la orice scurgere în timp real, cu ajutorul senzorilor eficienți încorporați. De asemenea, oferă părților interesate informații contextuale despre locație pentru o mai bună întreținere a activelor. Companiile de asigurări beneficiază și de această detectare timpurie a problemelor.
În plus, senzorii pot detecta și scurgeri minore, care ar putea deveni o problemă majoră în viitor. Astfel, utilizatorii pot programa vizite cu instalatorii.
Viitorul arhitecturii IoT
În curând, odată cu dezvoltarea rețelei 5G, IoT va înregistra un progres evolutiv. Va fi posibilă procesarea datelor mai rapid ca niciodată. În plus, sistemele IoT vor putea fi implementate rapid.
Folosind rețele 5G private, administratorii pot lansa o rețea mobilă 5G personală și pot avea control deplin asupra acesteia.
Operațiunile la nivel de întreprindere nu se vor confrunta cu următoarele probleme:
- Viteză redusă
- Lipsa interoperabilității
- Costuri suplimentare pentru depășirea consumului de date
- Indisponibilitatea lățimii de bandă în timpul orelor de vârf
Concluzie
O arhitectură IoT vă arată cum să conectați toate componentele unui sistem IoT într-o rețea coerentă. În acest articol, am abordat toate aspectele tehnice esențiale ale arhitecturii acestui sistem.
O înțelegere aprofundată a arhitecturilor IoT vă ajută să dezvoltați soluții de calitate pentru afaceri în domeniul sănătății, producției și agriculturii. Utilizatorii pot chiar să depășească aplicațiile practice menționate în acest articol și să implementeze IoT în diverse sectoare care nu au fost încă explorate.
Vă recomandăm, de asemenea, să consultați articolele noastre despre resursele de învățare IoT și kiturile de pornire IoT.