Изучите архитектуру Интернета вещей (IoT) за 5 минут или меньше [+ Варианты использования]

Изучите архитектуру Интернета вещей (IoT), чтобы настроить структуру IoT для использования в бизнесе.

Будущие склады, цепочки поставок, производственные предприятия и логистические центры будут поддерживать Интернет вещей. Поскольку технология сложна, лишь немногие ИТ-гиганты знают, что у нее под капотом. Однако вы также можете расшифровать его, изучив технологию изнутри.

Продолжайте читать, если вы также хотите сделать свой бизнес более интеллектуальным или предлагать решения IoT в качестве услуги. В статье объясняется архитектура IoT, ядро, обеспечивающее автоматизацию и удобство, а также некоторые популярные варианты использования.

Введение

Интернет вещей включает датчики, устройства и электронные интерфейсы, которые собирают, обрабатывают и отправляют данные в виде команд на конечные машины.

Все это переменные или движущиеся части в системе IoT. Структура, которая определяет, как упорядочить эти движущиеся части и создать окончательную структуру IoT, — это архитектура IoT.

Архитектура IoT рассказывает, как подключать и использовать устройства системы IoT, облачное программное обеспечение и сеть датчиков. Не говоря уже о том, что устранение неполадок системы также происходит в архитектуре IoT.

Базовой структурой для этого будут три уровня компонентов в системе IoT. Это как показано ниже:

• Датчики, исполнительные механизмы, устройства и т. д. под слоем восприятия
• LAN, Wi-Fi, 5G, 4G и т. д. создают сетевой уровень
• Графический пользовательский интерфейс — это прикладной уровень.

Архитектура IoT гарантирует, что вы знаете все компоненты, потоки данных и команды конечных устройств в системе. Таким образом, вы можете эффективно защищать, поддерживать и контролировать свои системы IoT.

Уровни архитектуры Интернета вещей

Архитектура системы IoT имеет различные уровни, которые функционируют как цифровые носители, через которые данные датчиков попадают в облачное приложение. Затем облачное приложение принимает решения на основе предустановленного рабочего процесса для конечных устройств, таких как роботы-манипуляторы на заводе-изготовителе.

Наконец, эти решения поступают к конечным устройствам через тот же уровень. Понимание этих уровней позволит вам создать успешную архитектуру IoT. Вот слои архитектуры IoT, которые вы должны знать:

Сенсорно-воспринимающий слой

Уровень восприятия состоит из конечных устройств, которые собирают данные из физической вселенной. Затем цифровые приложения могут анализировать собранные данные.

Поскольку этот уровень остается в контакте с объектами реального мира, эксперты IoT также называют его физическим уровнем. Ниже приведены некоторые известные устройства, которые подключаются к слою восприятия:

• Датчики, такие как гирометры, датчики скорости, датчики радиочастотной идентификации (RFID), химические датчики и т. д.
• Приводы и роботы-манипуляторы
• Камеры видеонаблюдения, системы доступа к дверям и т. д.
• Термостаты, HVAC, разбрызгиватели воды, нагревательные элементы и т.д.

Большинство промышленных IoT-устройств собирают данные для уровня обработки. Для домашних IoT-устройств уровень восприятия также может быть уровнем обработки. Например, обучающий термостат Nest.

Сетевой/транспортный уровень данных

Сетевой уровень обрабатывает передачу данных между всеми уровнями архитектуры IoT. Этот уровень также определяет топологию сети для всей сети устройств, облачных приложений и баз данных.

Жизненно важными частями этого уровня являются интернет-шлюзы, порты интрасети, сетевые шлюзы и системы сбора данных (DAS). Для вышеуказанных протоколов сетевого подключения вы можете полагаться на следующие физические устройства:

• Wi-Fi
• Глобальные сети (WAN)
• 4G LTE/ 5G
• Bluetooth с низким энергопотреблением
• Связь ближнего радиуса действия (NFC)

Через этот уровень различные конечные устройства и облачные приложения взаимодействуют друг с другом. Данные датчиков, такие как температура, скорость, влажность и т. д., проходят через сетевой уровень, чтобы достичь других уровней.

Уровень обработки данных

Уровень обработки обрабатывает, анализирует и сохраняет данные перед их передачей в центр обработки данных. Он включает в себя аналитику Edge в граничных вычислениях, искусственный интеллект (AI) и машинное обучение (ML). Важнейшие задачи, такие как принятие решений, также выполняются на этом уровне.

Уровень обработки выполняет все задачи по принятию решений. Тем не менее, вы также можете отменить его решение или улучшить систему, принимая специальные решения на прикладном уровне — функция, крайне необходимая для человеческого контроля над интеллектуальными машинами.

Уровень приложения или графического интерфейса

Большинство систем IoT, таких как Google Home, Amazon Alexa и т. д., работают без вмешательства человека. Тем не менее, вам нужен графический пользовательский интерфейс для добавления рабочих процессов IoT, изменения параметров, добавления устройств и т. д. Это прикладной уровень.

Некоторые жизненно важные требования к прикладному уровню в архитектуре IoT приведены ниже:

• Обход проблем с голосовыми командами
• Общайтесь с тысячами датчиков и оконечных устройств с маленького экрана
• Добавляйте новые устройства в существующую систему IoT, не останавливая всю бизнес-операцию.
• Наблюдайте за исправностью системы и обслуживайте устройства, когда на приборной панели появляется индикация
• Создавайте новые правила или рабочие процессы для систем IoT.
• Создание и соблюдение соглашения об уровне обслуживания (SLA)

В промышленных установках вам в основном понадобится централизованная панель управления на мониторе компьютера для наблюдения за всеми системами IoT. На панели управления вы можете взаимодействовать с любой или всеми системами IoT, приостанавливая, останавливая или перезапуская устройства.

Бизнес-уровень

Бизнес-уровень преобразует сохраненные данные в полезную информацию. Такие отчеты могут использовать бизнес-менеджеры, технические директора и другие лица. Это помогает им в принятии решений для повышения производительности.

Этот уровень в основном включает в себя интеграцию бизнес-приложений. Например, планировщики ресурсов предприятия (ERP), приложения бизнес-аналитики (BI), приложения для визуализации данных и т. д.

Здесь аналитики данных могут обрабатывать данные и помещать их в инструмент BI, такой как Tableau, Power BI и т. д., чтобы узнать общую производительность системы IoT. Вы также можете создавать прогнозы на основе текущих производственных мощностей и будущих потребностей рынка.

Этапы архитектуры IoT

Для реализации архитектуры систем IoT высокого уровня необходимо понимать этапы этой системы:

Объекты

Стадия объекта начинается с реализации физического уровня. Здесь вам необходимо подключить интеллектуальные устройства, датчики и приводы к сети IoT и конечным машинам.

Датчики могут быть проводными или беспроводными. Основная цель — собрать реальные данные и преобразовать их в цифровые данные для уровня обработки.

Шлюз

Необходимо настроить интрасеть или интернет-шлюз. На этом этапе модемы и маршрутизаторы собирают данные с датчиков и оконечных устройств.

Затем эти шлюзовые устройства будут передавать цифровые данные на уровень обработки и прикладной уровень. В большинстве архитектур IoT на этом этапе используется система сбора данных.

ИТ-системы

Системы IoT собирают аналоговые данные, а системы сбора данных преобразуют их в цифровые данные. Следовательно, размер постобработки цифровых данных огромен. А вот и периферийная ИТ-система.

На этом этапе вы направляете собранные данные в периферийную ИТ-систему, где алгоритмы искусственного интеллекта и машинного обучения обрабатывают их и сохраняют только данные, которые можно использовать.

Облачное хранилище/центры обработки данных

После того как периферийная ИТ-система обработает и отфильтрует важные данные, вы должны поместить их в доступное хранилище. Прикладной уровень архитектуры IoT будет подключаться к этапу хранения.

Этап хранения — это в основном частное облачное хранилище, где вы можете хранить данные IoT в структурированных базах данных. Если вы ищете доступные решения, вы также можете попробовать публичные облака.

Нефункциональные требования

№1. Безопасность

Для обеспечения внутренней безопасности архитектуры к ней не должно быть привязано никаких несанкционированных устройств. Устройства должны быть зарегистрированы и иметь возможность безопасно обмениваться данными.

Более того, все пользователи и данные должны иметь безопасный доступ к архитектуре. Авторизованные пользователи системы должны обмениваться данными с элементами управления безопасностью.

№ 2. Производительность

Система IoT должна быть совместима с неструктурированными и структурированными данными. Развертывание платформы должно быть совместимо с облачным, локальным и гибридным облаком.

Приемлемое время отклика для пользователей и двусторонняя связь в режиме, близком к реальному времени, а также детализированные временные метки — другие важные нефункциональные требования этой архитектуры.

№3. Управляемость

Архитектура IoT должна включать уведомления и оповещения о любых проблемах. Он должен поддерживать управление решениями, чтобы быстро определять причины проблем с центрального узла.

№ 4. Ремонтопригодность

Устройства и система IoT должны быть адаптируемыми. Архитектура должна быть достаточно гибкой, чтобы быстро адаптироваться к изменениям пользователей, процессов и данных. Вы также должны выполнять обслуживание без задержки соглашений об уровне обслуживания (SLA).

№ 5. Доступность

Некоторые области и решения требуют круглосуточной доступности систем IoT. Например, архитектура IoT больницы или лаборатории требует, чтобы система всегда работала.

Архитектура IoT в MongoDB Atlas

Различные уровни в архитектуре IoT производят терабайты данных. Использование облачной базы данных с поддержкой Интернета вещей идеально подходит для упорядоченного хранения данных.

Одна из замечательных облачных баз данных, которую вы можете использовать, — MongoDB Atlas. Вот несколько примеров его использования в архитектуре IoT:

• MongoDB RealmSDK и MongoDB Server для создания базы данных и интерфейса. Мобильные приложения и устройства могут использовать эти базы данных и интерфейсы.
• На сетевом уровне вы можете использовать MongoDB Atlas для настройки и развертывания серверов IoT .
• Используйте MongoDB 5.0 Time-Series в качестве хранилища для непрерывных данных измерений IoT.
• Если в системе Интернета вещей возникают перебои в сетевом подключении, вы можете использовать автономную синхронизацию из Atlas App Services .
• Вы можете использовать MongoDB Connector for BI и MongoDB Charts на бизнес-уровне, чтобы извлекать полезные сведения из данных IoT.

Сценарии использования

Архитектура IoT с каждым днем ​​становится все более популярной, и ее использование в различных секторах растет. Ниже приведены его наиболее распространенные варианты использования:

№1. Здравоохранение

Клиники и больницы генерируют терабайты неиспользованных данных. Вы можете использовать это для повышения эффективности работы и ухода за пациентами.

Благодаря архитектуре IoT учреждения могут использовать изолированные данные пациентов. Врачи могут быстро получать и использовать информацию для быстрого реагирования на предупреждения. Гаджеты, связанные с инфраструктурой IoT, и мониторы состояния здоровья могут предлагать состояние пациента в режиме реального времени.

№ 2. сельское хозяйство

Фермеры могут использовать архитектуру IoT для автономного увеличения производства и управления им.

Вы также можете увидеть его использование в следующем:

• Мониторинг температуры почвы
• Выявление причин поломки техники
• Регулировка уровней влажности и температуры для комнатных насаждений

№3. Производство

В обрабатывающей промышленности датчики IoT используются для получения информации о процессах. Обычно они не подключены к Интернету. Эти датчики ближнего действия также способны рассчитывать изменения во времени.

Ниже приведены другие варианты использования архитектуры IoT в этом секторе:

• Прогноз спроса посредством мониторинга производства в режиме реального времени
• Знание базовой эффективности посредством отслеживания времени цикла

№ 4. Коммерческие решения HVAC

HVAC — это сложная система, которая не может допустить выхода из строя какого-либо элемента или функции. Если это произойдет, последствиями будут высокое потребление энергии и дополнительные затраты на техническое обслуживание. Используя архитектуру IoT, можно заставить HVAC обеспечивать удовлетворительную производительность, позволяя им работать на более низком уровне мощности.

Обеспечение согласованности и качества коммерческих решений — еще одно применение IoT. Система автоматически собирает и анализирует данные с минимальным вмешательством пользователя, чтобы уведомить вас о любых аномалиях.

№ 5. Предотвращение повреждения водой в коммерческих квартирах

Утечки и разрывы водопроводных труб наносят домовладельцам и страховым компаниям миллионы долларов. Невидимость водопроводных соединений затрудняет обнаружение первопричины.

Правильно настроенная архитектура IoT может предупреждать пользователей о любых утечках в режиме реального времени с помощью эффективных встроенных датчиков. Он также предоставляет заинтересованным сторонам контекстные данные о местоположении для лучшего обслуживания активов. Страховые компании также получают выгоду от такого раннего выявления проблем.

Кроме того, датчики также могут обнаруживать незначительные утечки, которые могут стать потенциальной угрозой в будущем. Таким образом, пользователи могут назначать встречи с сантехниками.

Будущее архитектуры Интернета вещей

Вскоре IoT увидит эволюционный прогресс с ростом сети 5G. Будет возможно обрабатывать данные быстрее, чем когда-либо. Не говоря уже о быстром развертывании систем IoT.

Используя частный 5G, администраторы могут запустить личную мобильную сеть 5G и иметь полный контроль над ней.

Операции на уровне предприятия не столкнутся со следующими проблемами:

• Дросселирование скорости
• Отсутствие взаимодействия
• Дополнительные сборы за превышение использования данных
• Недоступность полосы пропускания в часы пик

Заключительные слова

Архитектура IoT говорит вам, как соединить все компоненты системы IoT в связной сети. Таким образом, мы рассмотрели все важнейшие технические аспекты архитектуры этой системы.

Детальное знание архитектуры IoT поможет вам создавать решения бизнес-уровня в здравоохранении, производстве и сельском хозяйстве. Пользователи могут даже выйти за рамки вариантов использования, упомянутых в этой статье, и внедрить IoT в различных секторах, которые еще предстоит изучить.

Вы также можете ознакомиться с нашими статьями об учебных ресурсах IoT и стартовых комплектах IoT.