Вивчіть архітектуру Інтернету речей (IoT), щоб налаштувати структуру IoT для використання в бізнесі.
Майбутні склади, ланцюги постачання, виробничі підприємства та логістичні центри будуть підтримувати IoT. Оскільки технологія складна, лише кілька IT-гігантів знають, що знаходиться під капотом. Однак ви також можете розшифрувати його, дізнавшись про технологію навиворіт.
Продовжуйте читати, якщо ви також хочете зробити свій бізнес розумнішим або запропонувати рішення IoT як послугу. У статті пояснюється архітектура IoT, ядро, яке пропонує автоматизацію та зручність, а також деякі популярні варіанти використання.
вступ
IoT включає датчики, пристрої та електронні інтерфейси, які збирають, обробляють і надсилають дані як команди на кінцеві машини.
Це все змінні або рухомі частини системи IoT. Структура, яка визначає, як упорядкувати ці рухомі частини та створити остаточну структуру IoT, є архітектурою IoT.
Архітектура IoT розповідає вам, як підключати та керувати пристроями системи IoT, хмарним програмним забезпеченням і мережею датчиків. Не кажучи вже про те, що усунення несправностей системи також відбувається в архітектурі IoT.
Основною структурою для цього будуть три рівні компонентів у системі IoT. Це як показано нижче:
- Датчики, приводи, пристрої тощо під шаром сприйняття
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G тощо створюють мережевий рівень
- Графічний інтерфейс користувача є прикладним рівнем
Архітектура IoT гарантує, що ви знаєте всі компоненти, потоки даних і команди кінцевих пристроїв у системі. Таким чином, ви можете ефективно захищати, підтримувати та контролювати свої системи IoT.
Рівні архітектури IoT
Архітектура системи IoT має різні рівні, які функціонують як цифровий носій, через який дані датчиків надходять у хмарну програму. Потім хмарна програма приймає рішення на основі попередньо встановленого робочого процесу для кінцевих пристроїв, як-от роботизовані руки на виробничому підприємстві.
Нарешті, ці рішення надходять до кінцевих пристроїв через той самий рівень. Розуміння цих рівнів дозволить вам створити успішну архітектуру IoT. Ось рівні архітектури IoT, які ви повинні знати:
Сенсорний рівень/рівень сприйняття
Рівень сприйняття складається з кінцевих пристроїв, які збирають дані з фізичного всесвіту. Потім цифрові програми можуть аналізувати зібрані дані.
Оскільки цей рівень підтримує зв’язок з об’єктами реального світу, експерти з Інтернету речей також називають його фізичним рівнем. Нижче наведено деякі відомі пристрої, які підключаються до рівня сприйняття:
- Такі датчики, як гіроскопи, датчики швидкості, датчики радіочастотної ідентифікації (RFID), хімічні датчики тощо.
- Актуатори та роботизовані руки
- Камери відеоспостереження, системи доступу до дверей тощо.
- Термостати, вентиляційні системи, спринклери, нагрівальні елементи тощо.
Більшість промислових пристроїв IoT збирають дані для рівня обробки. Для домашніх пристроїв IoT рівень сприйняття також може бути рівнем обробки. Наприклад, Nest Learning Thermostat.
Рівень мережі/транспорту даних
Мережевий рівень забезпечує передачу даних між усіма рівнями архітектури IoT. Цей рівень також визначає топологію мережі для всієї мережі пристроїв, хмарних програм і баз даних.
Важливими частинами цього рівня є інтернет-шлюзи, інтранет-порти, мережеві шлюзи та системи збору даних (DAS). Для наведених вище протоколів підключення до мережі ви можете покладатися на такі фізичні пристрої:
- Wi-Fi
- Глобальні мережі (WAN)
- 4G LTE/ 5G
- Low Energy Bluetooth
- Комунікація ближнього поля (NFC)
Через цей рівень різноманітні кінцеві пристрої та хмарні програми обмінюються даними між собою. Дані датчиків, такі як температура, швидкість, вологість тощо, проходять через мережевий рівень, щоб досягти інших рівнів.
Рівень обробки даних
Рівень обробки обробляє аналізи та зберігає дані перед передачею їх до центру обробки даних. Він включає аналітику Edge у периферійних обчисленнях, штучний інтелект (AI) і машинне навчання (ML). Важливі завдання, такі як прийняття рішень, також відбуваються на цьому рівні.
Рівень обробки виконує всі завдання прийняття рішень. Тим не менш, ви також можете змінити його рішення або вдосконалити систему, приймаючи спеціальні рішення на прикладному рівні — функція, яка вкрай необхідна для контролю людини над інтелектуальними машинами.
Програма або рівень графічного інтерфейсу
Більшість систем IoT, як-от Google Home, Amazon Alexa тощо, працюють без втручання людини. Однак вам потрібен графічний інтерфейс користувача, щоб додавати робочі процеси IoT, змінювати параметри, додавати пристрої тощо. Це прикладний рівень.
Деякі життєво важливі вимоги до прикладного рівня в архітектурі IoT наведені нижче.
- Обійти проблеми, пов’язані з голосовими командами
- Спілкуйтеся з тисячами датчиків і кінцевих пристроїв на маленькому екрані
- Додайте нові пристрої до існуючої системи IoT, не припиняючи всю бізнес-операцію
- Слідкуйте за справністю системи та обслуговуйте пристрої, коли це вказує на панелі приладів
- Створіть нові правила або робочі процеси для систем IoT
- Створення та дотримання угоди про рівень обслуговування (SLA)
У промислових установках вам здебільшого знадобиться централізована інформаційна панель на моніторі комп’ютера, щоб спостерігати за всіма системами IoT. На інформаційній панелі ви можете взаємодіяти з будь-якою або всіма системами IoT, призупиняючи, зупиняючи або перезапускаючи пристрої.
Бізнес-рівень
Бізнес-рівень перетворює збережені дані в корисну інформацію. Такими звітами можуть користуватися бізнес-менеджери, технічні директори тощо. Це допомагає їм приймати рішення щодо підвищення продуктивності.
Цей рівень в основному включає інтеграцію бізнес-програм. Наприклад, планувальники корпоративних ресурсів (ERP), програми бізнес-аналітики (BI), програми візуалізації даних тощо.
Тут аналітики даних можуть обробляти дані та поміщати їх у такі інструменти BI, як Tableau, Power BI тощо, щоб знати загальну продуктивність системи IoT. Ви також можете створювати прогнози на основі поточних виробничих потужностей і майбутніх потреб ринку.
Етапи архітектури IoT
Для впровадження високорівневої архітектури системи IoT необхідно розуміти етапи цієї системи:
Об’єкти
Етап об’єкта починається з реалізації фізичного рівня. Тут вам потрібно підключити розумні пристрої, датчики та виконавчі механізми до мережі IoT і кінцевих машин.
Датчики можуть бути дротовими або бездротовими. Основна мета — зібрати реальні дані та перетворити їх у цифрові дані для рівня обробки.
Шлюз
Необхідно налаштувати інтранет або інтернет-шлюз. На цьому етапі модеми та маршрутизатори збирають дані від датчиків і кінцевих пристроїв.
Потім ці пристрої-шлюзи транспортуватимуть цифрові дані до рівня обробки та рівня додатків. Більшість архітектур IoT використовують систему збору даних для цього етапу.
ІТ системи
Системи IoT збирають аналогові дані, а системи збору даних перетворюють їх у цифрові дані. Отже, розмір цифрових даних після обробки є величезним. Ось передова ІТ-система.
На цьому етапі ви направляєте зібрані дані в периферійну ІТ-систему, де алгоритми штучного інтелекту та машинного навчання обробляють їх і зберігають лише актуальні дані.
Хмарне сховище/центри обробки даних
Коли периферійна ІТ-система обробить і відфільтрує життєво важливі дані, ви повинні помістити їх у доступне сховище. Прикладний рівень архітектури IoT підключатиметься до етапу зберігання.
Етап зберігання — це переважно приватне хмарне сховище, де ви можете зберігати дані IoT у структурованих базах даних. Якщо ви шукаєте доступні рішення, ви також можете спробувати публічні хмари.
Нефункціональні вимоги
#1. Безпека
Щоб забезпечити внутрішню безпеку архітектури, до неї не повинно бути підключених неавторизованих пристроїв. Пристрої мають бути зареєстровані та мати можливість безпечного зв’язку.
Крім того, усі користувачі та дані повинні мати безпечний доступ до архітектури. Авторизовані користувачі системи повинні обмінюватися даними з засобами безпеки.
#2. Продуктивність
Система IoT повинна бути сумісна з неструктурованими та структурованими даними. Розгортання платформи має бути сумісним із хмарою, локальною та гібридною хмарою.
Прийнятний час відповіді користувачам і двонаправлений зв’язок майже в реальному часі, а також детальні мітки часу є іншими важливими нефункціональними вимогами цієї архітектури.
#3. керованість
Архітектура IoT повинна включати сповіщення та попередження про будь-які проблеми. Він повинен підтримувати керування рішеннями для швидкого визначення причин проблем із центрального вузла.
#4. Ремонтопридатність
Пристрої та система IoT мають бути адаптованими. Архітектура має бути достатньо гнучкою, щоб швидко адаптуватися до користувача, процесів і змін даних. Ви також повинні виконувати технічне обслуговування, не відкладаючи виконання угод про рівень обслуговування (SLA).
#5. Доступність
Певні домени та рішення потребують цілодобової доступності систем IoT. Наприклад, архітектура IoT лікарні чи лабораторії потребує постійної роботи системи.
Архітектура IoT в MongoDB Atlas
Архітектура IoT на MongoDB Atlas Image з MongoDB.com
Різні рівні в архітектурі IoT створюють терабайти даних. Використання хмарної бази даних із підтримкою IoT ідеально підходить для впорядкованого зберігання даних.
Однією з чудових хмарних баз даних, яку ви можете використовувати, є MongoDB Atlas. Ось кілька прикладів його використання в архітектурі IoT:
- MongoDB RealmSDK і MongoDB Server для створення бази даних та інтерфейсу. Мобільні програми та пристрої можуть використовувати ці бази даних та інтерфейси.
- На мережевому рівні ви можете використовувати MongoDB Atlas для налаштування та розгортання серверів IoT.
- Використовуйте MongoDB 5.0 Time-Series як сховище для безперервних вимірювань IoT.
- Якщо в системі IoT виникають перериви підключення до мережі, ви можете використовувати спочатку офлайн-синхронізацію з Atlas App Services.
- Ви можете використовувати MongoDB Connector для BI та MongoDB Charts на бізнес-рівні, щоб отримувати корисну інформацію з даних IoT.
Випадки використання
Архітектура IoT щодня стає все більш популярною, і її використання в різних секторах зростає. Нижче наведено найпоширеніші випадки його використання:
#1. Охорона здоров’я
Клініки та лікарні генерують терабайти невикористаних даних. Ви можете використовувати це для підвищення ефективності роботи та догляду за пацієнтами.
Завдяки архітектурі IoT установи можуть використовувати ізольовані дані пацієнтів. Лікарі можуть швидко отримати та використати статистику, щоб швидко реагувати на попередження. Гаджети, пов’язані з інфраструктурою Інтернету речей, і монітори стану здоров’я можуть пропонувати статус пацієнта в реальному часі.
#2. Сільське господарство
Фермери можуть використовувати архітектуру IoT для автономного збільшення виробництва та керування ним.
Ви також можете побачити його використання в наступному:
- Моніторинг температури ґрунту
- Виявлення причин несправності механізмів
- Регулювання рівня вологості та температури для кімнатних насаджень
#3. Виробництво
Виробнича промисловість використовує датчики IoT, щоб отримати розуміння процесів. Зазвичай вони не підключені до Інтернету. Ці датчики короткого радіусу дії також здатні розраховувати зміни з часом.
Нижче наведено інші способи використання архітектури IoT у цьому секторі:
- Прогноз попиту через моніторинг виробництва в реальному часі
- Знання базової ефективності через відстеження часу циклу
#4. Комерційні рішення HVAC
HVAC – це складна система, яка не може дозволити собі відмовити будь-який елемент або функцію. Якщо це станеться, наслідками будуть високе споживання енергії та додаткові витрати на обслуговування. Використовуючи архітектуру IoT, можна змусити системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря забезпечувати задовільний вихід, дозволяючи їм працювати на нижчому рівні потужності.
Забезпечення узгодженості та якості комерційних рішень є ще одним використанням IoT. Система автоматично збирає та аналізує дані з потребою мінімальної взаємодії користувача, щоб повідомити вас про будь-які аномалії.
#5. Запобігання пошкодження водою в комерційних квартирах
Витік і розрив водопровідної труби завдають мільйони доларів власникам будинків і страховим компаніям. Непомітність водопровідних з’єднань ускладнює виявлення першопричини.
Правильно налаштована архітектура IoT може сповіщати користувачів про будь-який витік у режимі реального часу за допомогою ефективних вбудованих датчиків. Він також надає зацікавленим сторонам контекстні дані про місцезнаходження для кращого обслуговування активів. Страхові компанії також отримують користь від раннього виявлення проблем.
Крім того, датчики також можуть виявляти незначні витоки, які можуть стати потенційною загрозою в майбутньому. Таким чином, користувачі можуть призначати зустрічі з сантехніками.
Майбутнє архітектури IoT
Незабаром IoT побачить еволюційний прогрес із розвитком мережі 5G. Дані можна буде обробляти швидше, ніж будь-коли. Не кажучи вже про швидке розгортання систем IoT.
Використовуючи приватну мережу 5G, адміністратори можуть запустити особисту мобільну мережу 5G і мати повний контроль над нею.
Операції на рівні підприємства не стикаються з такими проблемами:
- Дроселювання швидкості
- Відсутність взаємодії
- Додаткова плата за перевищення обсягу даних
- Недоступність смуги пропускання в години пік
Заключні слова
Архітектура IoT розповідає, як об’єднати всі компоненти системи IoT в єдину мережу. Отже, ми охопили всі найважливіші технічні аспекти архітектури цієї системи.
Докладне знання архітектур IoT допоможе вам створювати рішення бізнес-класу в охороні здоров’я, виробництві та сільському господарстві. Користувачі можуть навіть вийти за рамки випадків використання, згаданих у цій статті, і впровадити IoT у різних секторах, які ще належить дослідити.
Можливо, ви також захочете переглянути наші статті про навчальні ресурси IoT та стартові набори IoT.