Ознайомтеся з архітектурою Інтернету речей (IoT), щоб розробити ефективну структуру IoT для застосування у вашому бізнесі.
Складські приміщення майбутнього, логістичні мережі, виробничі комплекси та розподільчі центри все більше покладаються на технології IoT. Зважаючи на складність цієї технології, лише деякі IT-гіганти досконало розуміють її внутрішню структуру. Однак, ви також можете розібратися в ній, вивчивши її зсередини.
Продовжуйте читати, якщо ви прагнете зробити свій бізнес розумнішим або пропонувати рішення IoT як послугу. У цій статті ми детально розглянемо архітектуру IoT, її ключові елементи, що забезпечують автоматизацію та зручність, а також деякі поширені варіанти застосування.
Вступ
Інтернет речей (IoT) включає в себе датчики, пристрої та електронні інтерфейси, які збирають, обробляють та передають дані у вигляді команд кінцевим механізмам.
Всі ці елементи є змінними компонентами системи IoT. Структура, що визначає спосіб організації цих компонентів і формування кінцевої системи IoT, є архітектурою IoT.
Архітектура IoT показує, як з’єднувати та керувати пристроями IoT, хмарними сервісами та сенсорними мережами. Крім того, саме в межах архітектури IoT відбувається усунення несправностей системи.
Основу для цього складають три рівні компонентів системи IoT, як показано нижче:
- Датчики, пристрої введення-виведення та інші елементи на рівні сприйняття.
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G та інші технології, що утворюють мережевий рівень.
- Графічний інтерфейс користувача, що є прикладним рівнем.
Архітектура IoT гарантує, що ви знаєте всі компоненти, потоки даних та команди кінцевих пристроїв у системі. Це дозволяє вам ефективно захищати, обслуговувати та контролювати ваші системи IoT.
Рівні архітектури IoT
Архітектура системи IoT складається з різних рівнів, які функціонують як цифровий шлях, яким дані від датчиків надходять до хмарної програми. Потім, хмарна програма приймає рішення на основі заданих алгоритмів для кінцевих пристроїв, таких як роботизовані маніпулятори на виробництві.
Далі, ці рішення передаються до кінцевих пристроїв через ті самі рівні. Розуміння цих рівнів є ключем до створення успішної архітектури IoT. Ось основні рівні архітектури IoT, які вам слід знати:
Сенсорний рівень / Рівень сприйняття
Рівень сприйняття складається з кінцевих пристроїв, що збирають інформацію з фізичного середовища. Зібрані дані потім аналізуються цифровими програмами.
Оскільки цей рівень безпосередньо взаємодіє з об’єктами реального світу, фахівці з Інтернету речей також називають його фізичним рівнем. Нижче перелічено деякі типові пристрої, що підключаються до рівня сприйняття:
- Датчики, такі як гіроскопи, датчики швидкості, RFID-мітки (радіочастотна ідентифікація), хімічні датчики та інші.
- Приводи та роботизовані маніпулятори.
- Системи відеоспостереження, контролю доступу до приміщень тощо.
- Термостати, системи вентиляції, спринклерні системи, нагрівачі та інші аналогічні пристрої.
Більшість промислових пристроїв IoT збирають дані для подальшої обробки. У випадку домашніх пристроїв IoT, рівень сприйняття може виконувати також і обробку даних, як наприклад, у термостаті Nest Learning.
Рівень мережі / Транспорт даних
Мережевий рівень забезпечує передачу даних між усіма рівнями архітектури IoT. Цей рівень також визначає структуру мережі для всіх пристроїв, хмарних програм і баз даних.
Ключовими компонентами цього рівня є інтернет-шлюзи, внутрішні мережеві порти, мережеві шлюзи та системи збору даних (DAS). Для підключення до мережі ви можете використовувати такі фізичні технології:
- Wi-Fi.
- Глобальні мережі (WAN).
- 4G LTE / 5G.
- Bluetooth Low Energy.
- Комунікація ближнього поля (NFC).
Через цей рівень різні кінцеві пристрої та хмарні програми обмінюються даними між собою. Дані від датчиків, такі як температура, швидкість, вологість тощо, проходять через мережевий рівень для досягнення інших рівнів.
Рівень обробки даних
Рівень обробки аналізує та зберігає дані перед їх передачею до центру обробки даних. Він включає в себе аналітику на периферії обчислень, штучний інтелект (AI) та машинне навчання (ML). Важливі процеси прийняття рішень також відбуваються на цьому рівні.
Рівень обробки виконує всі завдання, пов’язані з прийняттям рішень. Однак, ви також можете змінювати ці рішення або покращувати систему, приймаючи спеціальні рішення на прикладному рівні, що дозволяє людині контролювати інтелектуальні машини.
Рівень програми або графічного інтерфейсу
Більшість систем IoT, такі як Google Home, Amazon Alexa, працюють без втручання людини. Однак, вам потрібен графічний інтерфейс для додавання робочих процесів IoT, зміни налаштувань, додавання нових пристроїв тощо. Це і є прикладний рівень.
Основні вимоги до прикладного рівня в архітектурі IoT наведені нижче:
- Розв’язання проблем, пов’язаних з голосовими командами.
- Взаємодія з тисячами датчиків та кінцевих пристроїв на невеликому екрані.
- Додавання нових пристроїв до існуючої системи IoT без припинення бізнес-процесів.
- Моніторинг працездатності системи та обслуговування пристроїв на основі показників на панелі керування.
- Створення нових правил або робочих процесів для систем IoT.
- Формування та виконання угод про рівень обслуговування (SLA).
У промислових умовах найчастіше потрібна централізована інформаційна панель на комп’ютерному моніторі для спостереження за всіма системами IoT. З цієї панелі ви можете взаємодіяти з будь-якою або всіма системами IoT, призупиняти, зупиняти або перезапускати пристрої.
Бізнес-рівень
Бізнес-рівень перетворює збережені дані на корисну інформацію. Ці звіти можуть використовувати менеджери, технічні директори та інші керівники для прийняття рішень, спрямованих на підвищення продуктивності.
Цей рівень в основному включає інтеграцію бізнес-застосунків, таких як системи планування ресурсів підприємства (ERP), програми бізнес-аналітики (BI), засоби візуалізації даних тощо.
Тут аналітики даних можуть обробляти інформацію і застосовувати її в інструментах BI, наприклад Tableau або Power BI, для оцінки загальної продуктивності системи IoT. Також можна створювати прогнози на основі поточних виробничих можливостей і майбутніх потреб ринку.
Етапи архітектури IoT
Для розгортання ефективної архітектури IoT, необхідно розуміти етапи її реалізації:
Об’єкти
Етап об’єктів починається з реалізації фізичного рівня. Тут потрібно підключити інтелектуальні пристрої, датчики та виконавчі механізми до мережі IoT і кінцевих пристроїв.
Датчики можуть бути як провідними, так і безпровідними. Головна мета – збір реальних даних і перетворення їх в цифрову форму для подальшої обробки.
Шлюз
Необхідно налаштувати інтранет або інтернет-шлюз. На цьому етапі модеми та маршрутизатори збирають дані від датчиків і кінцевих пристроїв.
Потім ці шлюзові пристрої передають цифрові дані на рівень обробки та рівень застосування. 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. Отже, обсяг цифрових даних після обробки може бути величезним. Тут на допомогу приходять передові ІТ-системи.
На цьому етапі ви направляєте зібрані дані до периферійної ІТ-системи, де алгоритми штучного інтелекту та машинного навчання обробляють їх та зберігають лише актуальну інформацію.
Хмарне сховище / Центри обробки даних
Після обробки та фільтрації критично важливих даних периферійною ІТ-системою, їх необхідно розмістити у доступному сховищі. Прикладний рівень архітектури IoT буде підключений до етапу зберігання.
Етап зберігання – це найчастіше приватне хмарне сховище, де дані IoT зберігаються у структурованих базах даних. Для економічних рішень можна також використовувати публічні хмарні сервіси.
Нефункціональні вимоги
#1. Безпека
Для забезпечення безпеки архітектури IoT, необхідно запобігти підключенню неавторизованих пристроїв. Всі пристрої повинні бути зареєстровані та мати можливість безпечного зв’язку.
Крім того, всі користувачі та дані повинні мати захищений доступ до архітектури. Авторизовані користувачі системи повинні обмінюватися даними із застосуванням механізмів безпеки.
#2. Продуктивність
Система IoT повинна підтримувати як неструктуровані, так і структуровані дані. Платформа повинна бути сумісна з хмарними, локальними та гібридними хмарними рішеннями.
Швидка реакція системи на запити користувачів, двосторонній зв’язок майже в реальному часі та детальні мітки часу є важливими нефункціональними вимогами цієї архітектури.
#3. Керованість
Архітектура IoT повинна мати систему сповіщень та попереджень про виникнення будь-яких проблем. Вона повинна підтримувати централізоване керування для швидкого виявлення причин несправностей.
#4. Ремонтопридатність
Пристрої та системи IoT повинні бути адаптованими. Архітектура повинна бути гнучкою для швидкої адаптації до потреб користувача, змін процесів та даних. Також потрібно проводити технічне обслуговування без порушення угод про рівень обслуговування (SLA).
#5. Доступність
Деякі галузі та рішення вимагають цілодобової доступності систем IoT. Наприклад, архітектура IoT в лікарнях або лабораторіях повинна забезпечувати безперервну роботу.
Архітектура IoT в MongoDB Atlas
Зображення архітектури IoT на MongoDB Atlas з MongoDB.com
Різні рівні архітектури IoT генерують терабайти даних. Використання хмарної бази даних з підтримкою IoT є ідеальним рішенням для впорядкованого зберігання інформації.
Однією з потужних хмарних баз даних для цієї мети є MongoDB Atlas. Ось кілька прикладів її застосування в архітектурі IoT:
- MongoDB RealmSDK і MongoDB Server використовуються для створення бази даних та інтерфейсу. Мобільні додатки та пристрої можуть використовувати ці бази даних та інтерфейси.
- На мережевому рівні, MongoDB Atlas можна використовувати для налаштування та розгортання серверів IoT.
- MongoDB 5.0 Time-Series можна використовувати як сховище для постійних вимірювань в IoT.
- У випадку перебоїв з мережею в системі IoT, ви можете використовувати спочатку офлайн-синхронізацію з Atlas App Services.
- MongoDB Connector для BI та MongoDB Charts можна використовувати на бізнес-рівні для отримання корисних висновків з даних IoT.
Випадки використання
Архітектура IoT стає все популярнішою, і її застосування в різних секторах постійно зростає. Нижче наведено найпоширеніші варіанти її використання:
#1. Охорона здоров’я
Клініки та лікарні генерують величезні обсяги даних, які часто залишаються невикористаними. Ви можете застосувати ці дані для підвищення ефективності роботи та якості догляду за пацієнтами.
Завдяки архітектурі IoT, установи можуть використовувати розрізнені дані пацієнтів. Лікарі можуть швидко отримувати та використовувати статистичні дані для оперативного реагування на критичні ситуації. Пристрої, пов’язані з інфраструктурою IoT, та монітори здоров’я можуть надавати інформацію про стан пацієнта в режимі реального часу.
#2. Сільське господарство
Фермери можуть використовувати архітектуру IoT для автономного збільшення обсягів виробництва та управління фермерським господарством.
Архітектура IoT також використовується для:
- Моніторингу температури ґрунту.
- Діагностики причин несправностей механізмів.
- Регулювання рівня вологості та температури в теплицях.
#3. Виробництво
Виробнича промисловість використовує датчики IoT для отримання аналітичної інформації про процеси. Як правило, ці датчики не підключені до Інтернету, а працюють в межах локальної мережі. Вони також здатні відстежувати зміни в часі.
Інші варіанти використання архітектури IoT у виробництві включають:
- Прогнозування попиту шляхом моніторингу виробництва в реальному часі.
- Визначення базової ефективності шляхом відстеження часу виробничого циклу.
#4. Комерційні рішення HVAC
HVAC (опалення, вентиляція та кондиціонування повітря) – це складна система, в якій не допускаються відмови будь-яких елементів або функцій. Наслідком таких збоїв може бути високе споживання енергії та значні витрати на обслуговування. Застосування архітектури IoT дозволяє системам опалення, вентиляції та кондиціонування повітря працювати ефективніше, споживаючи менше енергії.
Забезпечення стабільності та якості комерційних рішень є ще однією сферою застосування IoT. Системи автоматично збирають і аналізують дані, вимагаючи мінімального втручання користувача, для своєчасного повідомлення про будь-які аномалії.
#5. Запобігання пошкодження водою в комерційних будівлях
Протікання та пориви водопровідних труб завдають збитків на мільйони доларів власникам нерухомості та страховим компаніям. Складність виявлення прихованих водопровідних з’єднань ускладнює встановлення причини несправності.
Правильно налаштована архітектура IoT може оперативно інформувати користувачів про будь-яке протікання за допомогою вбудованих датчиків. Вона також надає відповідні дані для кращого обслуговування. Страхові компанії також отримують вигоду від раннього виявлення проблем.
Крім того, датчики можуть виявляти незначні витоки, які можуть стати серйозною проблемою в майбутньому. Таким чином, користувачі можуть завчасно викликати сантехніків для усунення несправностей.
Майбутнє архітектури IoT
З розвитком технологій 5G, IoT очікує значний прогрес. Обробка даних буде виконуватися швидше, ніж будь-коли раніше. Це також сприятиме швидкому розгортанню систем IoT.
Використання приватної мережі 5G дозволить адміністраторам запускати власну мобільну мережу 5G і мати повний контроль над нею.
Корпоративні операції не зіткнуться з такими проблемами, як:
- Обмеження швидкості передачі даних.
- Проблеми сумісності.
- Додаткова плата за перевищення обсягу даних.
- Нестабільна пропускна здатність в години пік.
Заключні слова
Архітектура IoT визначає спосіб об’єднання всіх компонентів системи IoT в єдину мережу. Ми розглянули основні технічні аспекти архітектури цієї системи.
Глибоке розуміння архітектури IoT допоможе вам створювати бізнес-рішення у сферах охорони здоров’я, виробництва та сільського господарства. Користувачі можуть виходити за рамки описаних варіантів використання і застосовувати IoT в інших, ще не вивчених, секторах.
Можливо, вам також буде цікаво ознайомитись з нашими статтями про ресурси для вивчення IoT та стартові набори IoT.