在 5 分鐘或更短時間內學習物聯網 (IoT) 架構 [+ 用例]

了解物聯網 (IoT) 架構以建立供業務使用的 IoT 結構。

未來的倉庫、供應鏈、製造工廠和物流中心都將支持物聯網。 由於這項技術很複雜，只有少數 IT 巨頭知道背後是什麼。 但是，您也可以通過徹底了解技術來解碼它。

如果您還想讓您的業務更智能或提供 IoT 解決方案即服務，請繼續閱讀。 本文介紹了物聯網架構、提供自動化和便利性的核心以及一些流行的用例。

介紹

物聯網包括傳感器、設備和電子接口，它們收集、處理數據並將其作為命令發送到端點機器。

這些都是物聯網系統中的變量或移動部件。 定義如何對這些移動部件進行排序並創建最終物聯網結構的框架是物聯網架構。

物聯網架構告訴您如何連接和操作物聯網系統的設備、雲軟件和傳感器網絡。 更不用說系統故障排除也在物聯網架構中進行。

一個基本框架是物聯網系統中的三層組件。 這些如下：

• 感知層下的傳感器、執行器、設備等
• LAN、Wi-Fi、5G、4G等，打造網絡層
• 圖形用戶界面是應用層

IoT 的架構確保您了解系統中的所有組件、數據流和終端設備命令。 因此，您可以有效地保護、支持和控制您的物聯網系統。

物聯網架構層

IoT 系統架構具有多個層，這些層充當數字媒體，傳感器數據通過這些層到達雲應用程序。 然後，雲應用程序根據預設的工作流程為端點設備（例如製造工廠中的機械臂）做出決策。

最後，這些決策通過同一層流向端點設備。 了解這些層使您能夠創建成功的物聯網架構。 以下是您必須了解的物聯網架構層：

感覺/知覺層

感知層由從物理宇宙收集數據的端點設備組成。 然後，數字應用程序可以分析收集到的數據。

由於這一層與現實世界的對象保持聯繫，物聯網專家也將其稱為物理層。 以下是一些連接到感知層的著名設備：

• 陀螺儀、速度傳感器、射頻識別 (RFID) 傳感器、化學傳感器等傳感器。
• 執行器和機械臂
• 安全攝像頭、門禁系統等
• 恆溫器、暖通空調、灑水裝置、加熱元件等。

大多數工業物聯網設備為處理層收集數據。 對於基於家庭的物聯網設備，感知層也可以是處理層。 例如，Nest Learning Thermostat。

網絡/數據傳輸層

網絡層處理物聯網架構所有層之間的數據傳輸。 該層還定義了整個網絡設備、雲應用程序和數據庫的網絡拓撲。

該層的重要部分是互聯網網關、內聯網端口、網絡網關和數據採集系統 (DAS)。 對於上述網絡連接協議，您可以依賴以下物理設備：

• 無線上網
• 廣域網 (WAN)
• 4G LTE/ 5G
• 低功耗藍牙
• 近場通信 (NFC)

通過這一層，各種端點設備和雲應用程序相互通信。 溫度、速度、濕度等傳感器數據通過網絡層到達其他層。

數據處理層

處理層在將數據傳輸到數據中心之前處理分析和存儲數據。 它包括邊緣計算、人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 中的邊緣分析。 決策等關鍵任務也在這一層進行。

處理層完成所有的決策任務。 然而，您也可以通過在應用層做出臨時決策來推翻它的決定或改進系統——這是人類控制智能機器非常必要的一個特性。

應用程序或 GUI 層

大多數物聯網系統，如 Google Home、Amazon Alexa 等，無需人工干預即可工作。 然而，您需要一個圖形用戶界面來添加物聯網工作流、更改參數、添加設備等。這就是應用層。

物聯網架構中應用層的一些重要要求如下：

• 繞過基於語音命令的問題
• 通過小屏幕與數以千計的傳感器和端點設備進行通信
• 在不關閉整個業務運營的情況下向現有物聯網系統添加新設備
• 觀察系統的健康狀況，並在儀表板指示時維修設備
• 為物聯網系統創建新規則或工作流
• 創建並遵循服務級別協議 (SLA)

在工業設置中，您將主要需要計算機顯示器上的集中式儀表板來觀察所有物聯網系統。 在儀表板上，您可以通過暫停、停止或重啟設備來與任何或所有物聯網系統進行交互。

業務層

業務層將存儲的數據轉換為可操作的見解。 業務經理、CTO 等可以使用此類報告。 它可以幫助他們做出提高生產力的決策。

該層主要包括業務應用程序的集成。 例如，企業資源規劃器 (ERP)、商業智能 (BI) 應用程序、數據可視化應用程序等。

在這裡，數據分析師可以處理數據並將其放入 Tableau、Power BI 等 BI 工具中，以了解物聯網系統的整體性能。 您還可以根據當前的生產能力和市場的未來需求創建預測。

物聯網架構的階段

對於高級物聯網系統架構實施，需要了解該系統的各個階段：

對象

對象階段從物理層的實現開始。 在這裡，您需要將智能設備、傳感器和執行器與物聯網網絡和端點機器連接起來。

傳感器可以是有線或無線的。 主要目標是收集現實世界的數據並將其轉換為處理層的數字數據。

網關

您必須設置 Intranet 或 Internet 網關。 在此階段，調製解調器和路由器從傳感器和端點設備收集數據。

然後，這些網關設備將數字數據傳輸到處理層和應用層。 大多數物聯網架構在這個階段使用數據採集系統。

資訊科技系統

物聯網系統收集模擬數據，數據採集系統將其轉換為數字數據。 因此，數字數據的後處理大小是巨大的。 這是一個邊緣 IT 系統。

在此階段，您將收集到的數據傳送到邊緣 IT 系統，AI 和 ML 算法在該系統中處理數據並僅保留可操作數據。

雲存儲/數據中心

一旦邊緣 IT 系統處理和過濾了重要數據，您必須將其放入可訪問的存儲中。 物聯網架構的應用層將連接到存儲階段。

存儲階段主要是私有云存儲，可以將物聯網數據存儲在結構化數據庫中。 如果您正在尋找負擔得起的解決方案，您也可以嘗試公共雲。

非功能性需求

#1。 安全

為確保架構的內部安全，不應有任何未經授權的設備與之鍊接。 設備應已註冊並能夠安全通信。

此外，所有用戶和數據都應該能夠安全地訪問架構。 授權系統用戶必須與安全控制交換數據。

#2。 表現

物聯網系統必須兼容非結構化和結構化數據。 平台的部署應該兼容雲、本地和混合雲。

可接受的用戶響應時間和雙向、近乎實時的通信以及粒度時間戳是該架構的其他基本非功能性要求。

#3。 可管理性

物聯網架構必須包括任何問題的通知和警報。 它必須支持解決方案管理，以便從中央節點快速確定問題的原因。

#4。 可維護性

設備和物聯網系統應該具有適應性。 該架構必須足夠靈活，以快速適應用戶、流程和數據的變化。 您還必須在不延遲服務級別協議 (SLA) 的情況下執行維護。

#5。 可用性

某些領域和解決方案需要物聯網系統 24×7 的可用性。 例如，醫院或實驗室的物聯網架構需要係統始終處於運行狀態。

MongoDB Atlas 中的物聯網架構

物聯網架構中的各個層產生數 TB 的數據。 使用支持物聯網的雲數據庫非常適合以有組織的方式存儲數據。

您可以使用的優秀雲數據庫之一是 MongoDB Atlas。 以下是它在物聯網架構中的一些使用示例：

• 用於構建數據庫和接口的MongoDB RealmSDK和MongoDB Server 。 移動應用程序和設備可以使用這些數據庫和界面。
• 在網絡層，您可以使用MongoDB Atlas來配置和部署物聯網服務器。
• 使用MongoDB 5.0 時間序列作為連續物聯網測量數據的存儲。
• 如果 IoT 系統的網絡連接不穩定，您可以使用來自Atlas App Services的離線優先同步。
• 您可以在業務層使用 MongoDB Connector for BI 和 MongoDB Charts 從 IoT 數據中提取可操作的見解。

用例

物聯網架構日益流行，其在不同領域的使用也在增加。 以下是其最常見的用例：

#1。 衛生保健

診所和醫院會生成數 TB 的未開發數據。 您可以使用它來提高運營效率和患者護理。

借助物聯網架構，機構可以將孤立的患者數據投入使用。 醫生可以快速獲取並使用洞察力來快速響應警報。 與物聯網基礎設施相關的小工具和健康狀態監視器可以提供實時患者狀態。

#2。 農業

農民可以使用物聯網架構來自主增加和管理生產。

您還可以在以下內容中查看其用法：

• 監測土壤溫度
• 尋找機器故障的原因
• 調整室內種植園的濕度和溫度水平

#3。 製造業

製造業利用物聯網傳感器深入了解流程。 它們通常不連接到互聯網。 這些短程變體的傳感器也能夠計算隨時間的變化。

該領域物聯網架構的其他用途如下：

• 通過實時生​​產監控進行需求預測
• 通過週期時間跟踪了解基線效率

#4。 商業暖通空調解決方案

HVAC 是一個複雜的系統，無法承受任何元件或功能的故障。 如果發生這種情況，後果將是高能耗和額外的維護成本。 使用 IoT 架構，可以使 HVAC 提供令人滿意的輸出，同時允許它們以較低的功率水平運行。

確保商業解決方案的一致性和質量是物聯網的另一個用途。 系統會自動收集和分析數據，只需最少的用戶交互即可通知您任何異常情況。

#5。 商業公寓水害防治

水管洩漏和爆裂會給房主和保險公司造成數百萬美元的損失。 水連接的不可見性使得難以檢測根本原因。

正確設置的物聯網架構可以通過高效的內置傳感器實時提醒用戶任何洩漏。 它還為利益相關者提供上下文位置數據，以更好地維護資產。 保險公司也可以從這種問題的早期發現中獲益。

此外，傳感器還可以檢測到未來可能成為潛在威脅的輕微洩漏。 因此，用戶可以安排與管道工的約會。

物聯網架構的未來

很快，隨著 5G 網絡的發展，物聯網將迎來革命性的進步。 將有可能比以往更快地處理數據。 更不用說物聯網系統的快速部署了。

使用私有 5G，管理員可以啟動個人 5G 移動網絡並對其進行完全控制。

企業級運營不會面臨以下問題：

• 限速
• 缺乏互操作性
• 超出數據使用量的額外費用
• 高峰時段帶寬不可用

最後的話

物聯網架構告訴您如何在一個有凝聚力的網絡中連接物聯網系統的所有組件。 因此，我們涵蓋了該系統架構的所有關鍵技術方面。

詳細了解 IoT 架構可幫助您在醫療保健、製造和農業領域創建企業級解決方案。 用戶甚至可以超越本文提到的用例，在有待探索的各個領域實施物聯網。

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