在 5 分钟或更短时间内学习物联网 (IoT) 架构 [+ 用例]

了解物联网 (IoT) 架构以建立供业务使用的 IoT 结构。

未来的仓库、供应链、制造工厂和物流中心都将支持物联网。 由于这项技术很复杂，只有少数 IT 巨头知道背后是什么。 但是，您也可以通过彻底了解技术来解码它。

如果您还想让您的业务更智能或提供 IoT 解决方案即服务，请继续阅读。 本文介绍了物联网架构、提供自动化和便利性的核心以及一些流行的用例。

介绍

物联网包括传感器、设备和电子接口，它们收集、处理数据并将其作为命令发送到端点机器。

这些都是物联网系统中的变量或移动部件。 定义如何对这些移动部件进行排序并创建最终物联网结构的框架是物联网架构。

物联网架构告诉您如何连接和操作物联网系统的设备、云软件和传感器网络。 更不用说系统故障排除也在物联网架构中进行。

一个基本框架是物联网系统中的三层组件。 这些如下：

• 感知层下的传感器、执行器、设备等
• LAN、Wi-Fi、5G、4G等，打造网络层
• 图形用户界面是应用层

IoT 的架构确保您了解系统中的所有组件、数据流和终端设备命令。 因此，您可以有效地保护、支持和控制您的物联网系统。

物联网架构层

IoT 系统架构具有多个层，这些层充当数字媒体，传感器数据通过这些层到达云应用程序。 然后，云应用程序根据预设的工作流程为端点设备（例如制造工厂中的机械臂）做出决策。

最后，这些决策通过同一层流向端点设备。 了解这些层使您能够创建成功的物联网架构。 以下是您必须了解的物联网架构层：

感觉/知觉层

感知层由从物理宇宙收集数据的端点设备组成。 然后，数字应用程序可以分析收集到的数据。

由于这一层与现实世界的对象保持联系，物联网专家也将其称为物理层。 以下是一些连接到感知层的著名设备：

• 陀螺仪、速度传感器、射频识别 (RFID) 传感器、化学传感器等传感器。
• 执行器和机械臂
• 安全摄像头、门禁系统等
• 恒温器、暖通空调、洒水装置、加热元件等。

大多数工业物联网设备为处理层收集数据。 对于基于家庭的物联网设备，感知层也可以是处理层。 例如，Nest Learning Thermostat。

网络/数据传输层

网络层处理物联网架构所有层之间的数据传输。 该层还定义了整个网络设备、云应用程序和数据库的网络拓扑。

该层的重要部分是互联网网关、内联网端口、网络网关和数据采集系统 (DAS)。 对于上述网络连接协议，您可以依赖以下物理设备：

• 无线上网
• 广域网 (WAN)
• 4G LTE/ 5G
• 低功耗蓝牙
• 近场通信 (NFC)

通过这一层，各种端点设备和云应用程序相互通信。 温度、速度、湿度等传感器数据通过网络层到达其他层。

数据处理层

处理层在将数据传输到数据中心之前处理分析和存储数据。 它包括边缘计算、人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 中的边缘分析。 决策等关键任务也在这一层进行。

处理层完成所有的决策任务。 然而，您也可以通过在应用层做出临时决策来推翻它的决定或改进系统——这是人类控制智能机器非常必要的一个特性。

应用程序或 GUI 层

大多数物联网系统，如 Google Home、Amazon Alexa 等，无需人工干预即可工作。 然而，您需要一个图形用户界面来添加物联网工作流、更改参数、添加设备等。这就是应用层。

物联网架构中应用层的一些重要要求如下：

• 绕过基于语音命令的问题
• 通过小屏幕与数以千计的传感器和端点设备进行通信
• 在不关闭整个业务运营的情况下向现有物联网系统添加新设备
• 观察系统的健康状况，并在仪表板指示时维修设备
• 为物联网系统创建新规则或工作流
• 创建并遵循服务级别协议 (SLA)

在工业设置中，您将主要需要计算机显示器上的集中式仪表板来观察所有物联网系统。 在仪表板上，您可以通过暂停、停止或重启设备来与任何或所有物联网系统进行交互。

业务层

业务层将存储的数据转换为可操作的见解。 业务经理、CTO 等可以使用此类报告。 它可以帮助他们做出提高生产力的决策。

该层主要包括业务应用程序的集成。 例如，企业资源规划器 (ERP)、商业智能 (BI) 应用程序、数据可视化应用程序等。

在这里，数据分析师可以处理数据并将其放入 Tableau、Power BI 等 BI 工具中，以了解物联网系统的整体性能。 您还可以根据当前的生产能力和市场的未来需求创建预测。

物联网架构的阶段

对于高级物联网系统架构实施，需要了解该系统的各个阶段：

对象

对象阶段从物理层的实现开始。 在这里，您需要将智能设备、传感器和执行器与物联网网络和端点机器连接起来。

传感器可以是有线或无线的。 主要目标是收集现实世界的数据并将其转换为处理层的数字数据。

网关

您必须设置 Intranet 或 Internet 网关。 在此阶段，调制解调器和路由器从传感器和端点设备收集数据。

然后，这些网关设备将数字数据传输到处理层和应用层。 大多数物联网架构在这个阶段使用数据采集系统。

资讯科技系统

物联网系统收集模拟数据，数据采集系统将其转换为数字数据。 因此，数字数据的后处理大小是巨大的。 这是一个边缘 IT 系统。

在此阶段，您将收集到的数据传送到边缘 IT 系统，AI 和 ML 算法在该系统中处理数据并仅保留可操作数据。

云存储/数据中心

一旦边缘 IT 系统处理和过滤了重要数据，您必须将其放入可访问的存储中。 物联网架构的应用层将连接到存储阶段。

存储阶段主要是私有云存储，可以将物联网数据存储在结构化数据库中。 如果您正在寻找负担得起的解决方案，您也可以尝试公共云。

非功能性需求

#1。 安全

为确保架构的内部安全，不应有任何未经授权的设备与之链接。 设备应已注册并能够安全通信。

此外，所有用户和数据都应该能够安全地访问架构。 授权系统用户必须与安全控制交换数据。

#2。 表现

物联网系统必须兼容非结构化和结构化数据。 平台的部署应该兼容云、本地和混合云。

可接受的用户响应时间和双向、近乎实时的通信以及粒度时间戳是该架构的其他基本非功能性要求。

#3。 可管理性

物联网架构必须包括任何问题的通知和警报。 它必须支持解决方案管理，以便从中央节点快速确定问题的原因。

#4。 可维护性

设备和物联网系统应该具有适应性。 该架构必须足够灵活，以快速适应用户、流程和数据的变化。 您还必须在不延迟服务级别协议 (SLA) 的情况下执行维护。

#5。 可用性

某些领域和解决方案需要物联网系统 24×7 的可用性。 例如，医院或实验室的物联网架构需要系统始终处于运行状态。

MongoDB Atlas 中的物联网架构

物联网架构中的各个层产生数 TB 的数据。 使用支持物联网的云数据库非常适合以有组织的方式存储数据。

您可以使用的优秀云数据库之一是 MongoDB Atlas。 以下是它在物联网架构中的一些使用示例：

• 用于构建数据库和接口的MongoDB RealmSDK和MongoDB Server 。 移动应用程序和设备可以使用这些数据库和界面。
• 在网络层，您可以使用MongoDB Atlas来配置和部署物联网服务器。
• 使用MongoDB 5.0 时间序列作为连续物联网测量数据的存储。
• 如果 IoT 系统的网络连接不稳定，您可以使用来自Atlas App Services的离线优先同步。
• 您可以在业务层使用 MongoDB Connector for BI 和 MongoDB Charts 从 IoT 数据中提取可操作的见解。

用例

物联网架构日益流行，其在不同领域的使用也在增加。 以下是其最常见的用例：

#1。 卫生保健

诊所和医院会生成数 TB 的未开发数据。 您可以使用它来提高运营效率和患者护理。

借助物联网架构，机构可以将孤立的患者数据投入使用。 医生可以快速获取并使用洞察力来快速响应警报。 与物联网基础设施相关的小工具和健康状态监视器可以提供实时患者状态。

#2。 农业

农民可以使用物联网架构来自主增加和管理生产。

您还可以在以下内容中查看其用法：

• 监测土壤温度
• 寻找机器故障的原因
• 调整室内种植园的湿度和温度水平

#3。 制造业

制造业利用物联网传感器深入了解流程。 它们通常不连接到互联网。 这些短程变体的传感器也能够计算随时间的变化。

该领域物联网架构的其他用途如下：

• 通过实时生产监控进行需求预测
• 通过周期时间跟踪了解基线效率

#4。 商业暖通空调解决方案

HVAC 是一个复杂的系统，无法承受任何元件或功能的故障。 如果发生这种情况，后果将是高能耗和额外的维护成本。 使用 IoT 架构，可以使 HVAC 提供令人满意的输出，同时允许它们以较低的功率水平运行。

确保商业解决方案的一致性和质量是物联网的另一个用途。 系统会自动收集和分析数据，只需最少的用户交互即可通知您任何异常情况。

#5。 商业公寓水害防治

水管泄漏和爆裂会给房主和保险公司造成数百万美元的损失。 水连接的不可见性使得难以检测根本原因。

正确设置的物联网架构可以通过高效的内置传感器实时提醒用户任何泄漏。 它还为利益相关者提供上下文位置数据，以更好地维护资产。 保险公司也可以从这种问题的早期发现中获益。

此外，传感器还可以检测到未来可能成为潜在威胁的轻微泄漏。 因此，用户可以安排与管道工的约会。

物联网架构的未来

很快，随着 5G 网络的发展，物联网将迎来革命性的进步。 将有可能比以往更快地处理数据。 更不用说物联网系统的快速部署了。

使用私有 5G，管理员可以启动个人 5G 移动网络并对其进行完全控制。

企业级运营不会面临以下问题：

• 限速
• 缺乏互操作性
• 超出数据使用量的额外费用
• 高峰时段带宽不可用

最后的话

物联网架构告诉您如何在一个有凝聚力的网络中连接物联网系统的所有组件。 因此，我们涵盖了该系统架构的所有关键技术方面。

详细了解 IoT 架构可帮助您在医疗保健、制造和农业领域创建企业级解决方案。 用户甚至可以超越本文提到的用例，在有待探索的各个领域实施物联网。

您可能还想查看我们关于 IoT 学习资源和 IoT 初学者工具包的文章。