Seznamte se s architekturou internetu věcí (IoT) a vytvořte strukturu IoT pro komerční využití.
Sklady budoucnosti, dodavatelské řetězce, výrobní závody a logistická centra budou pracovat na základě technologií IoT. Vzhledem k tomu, že se jedná o komplexní technologii, jen hrstka IT gigantů skutečně rozumí jejímu fungování. Vy ale můžete odhalit její tajemství tím, že se o ní naučíte všechno od základů.
Čtěte dále, pokud i vy chcete, aby vaše firma byla chytřejší, nebo pokud chcete nabízet řešení IoT jako službu. Tento článek vám objasní architekturu IoT, její jádro, které nabízí automatizaci a pohodlí, a také si ukážeme několik oblíbených případů jejího využití.
Úvod
IoT zahrnuje senzory, zařízení a elektronická rozhraní, která shromažďují, zpracovávají a odesílají data ve formě příkazů ke koncovým zařízením.
To vše jsou proměnné nebo pohyblivé součásti v systému IoT. Rámec, který definuje, jak tyto pohyblivé součásti uspořádat a vytvořit finální strukturu internetu věcí, se nazývá architektura internetu věcí.
Architektura IoT vám ukazuje, jak připojit a provozovat zařízení systému IoT, cloudový software a senzorové sítě. V neposlední řadě vám pomáhá i s řešením problémů v rámci systému IoT.
Základní rámec by se dal rozdělit do tří vrstev komponent v systému IoT. Jsou to následující:
- Senzory, akční členy, zařízení atd. tvoří vrstvu vnímání.
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G atd. vytvářejí síťovou vrstvu.
- Aplikační vrstva je grafické uživatelské rozhraní.
Architektura IoT vám zaručuje, že budete znát všechny součásti, toky dat a příkazy koncových zařízení v rámci systému. Díky tomu můžete efektivně zabezpečit, podporovat a ovládat vaše systémy IoT.
Vrstvení architektury IoT
Architektura systému IoT se skládá z různých vrstev, které fungují jako digitální médium, přes které se data ze senzorů dostávají do cloudové aplikace. Cloudová aplikace pak na základě přednastaveného pracovního postupu vydává rozhodnutí koncovým zařízením, jako jsou například robotická ramena ve výrobním závodě.
Nakonec tato rozhodnutí proudí stejnou vrstvou zpět do koncových zařízení. Pochopení těchto vrstev vám umožní vytvořit úspěšnou architekturu IoT. Zde jsou vrstvy architektury IoT, které byste měli znát:
Senzorická/vnímací vrstva
Vrstva vnímání se skládá z koncových zařízení, která shromažďují data z fyzického světa. Shromážděná data jsou následně analyzována digitálními aplikacemi.
Protože tato vrstva je v kontaktu s objekty reálného světa, odborníci na IoT ji také nazývají fyzická vrstva. Zde jsou některá významná zařízení, která se připojují k vrstvě vnímání:
- Senzory jako gyrometry, snímače rychlosti, snímače pro radiofrekvenční identifikaci (RFID), chemické senzory atd.
- Akční členy a robotická ramena
- Bezpečnostní kamery, dveřní přístupové systémy atd.
- Termostaty, HVAC, zavlažovače, topná tělesa atd.
Většina průmyslových zařízení IoT shromažďuje data pro vrstvu zpracování. U domácích zařízení IoT by vrstva vnímání mohla být zároveň i vrstvou zpracování. Například u chytrého termostatu Nest.
Síťová/datová transportní vrstva
Síťová vrstva zajišťuje přenos dat mezi všemi vrstvami architektury IoT. Tato vrstva také definuje topologii sítě pro celou síť zařízení, cloudových aplikací a databází.
Mezi důležité části této vrstvy patří internetové brány, intranetové porty, síťové brány a systémy sběru dat (DAS). Pro síťové připojení se můžete spolehnout na následující fyzická zařízení:
- Wi-Fi
- Sítě Wide Area Networks (WAN)
- 4G LTE/5G
- Bluetooth s nízkou spotřebou energie
- Near-Field Communication (NFC)
Prostřednictvím této vrstvy spolu komunikují různá koncová zařízení a cloudové aplikace. Data ze senzorů, jako je teplota, rychlost, vlhkost atd., procházejí síťovou vrstvou, aby se dostala k dalším vrstvám.
Vrstva zpracování dat
Vrstva zpracování analyzuje a ukládá data před jejich odesláním do datového centra. Zahrnuje Edge analýzy v Edge computingu, umělou inteligenci (AI) a strojové učení (ML). V této vrstvě se také odehrávají zásadní rozhodovací procesy.
Procesorová vrstva plní veškeré rozhodovací úkoly. Můžete však její rozhodnutí přepsat nebo vylepšit systém tím, že budete rozhodovat ad-hoc v aplikační vrstvě – což je funkce vysoce nezbytná pro lidskou kontrolu nad inteligentními stroji.
Vrstva aplikace nebo GUI
Většina systémů IoT, jako je Google Home, Amazon Alexa atd., funguje bez lidského zásahu. Nicméně, pro přidávání pracovních postupů IoT, změnu parametrů, přidávání zařízení atd. potřebujete grafické uživatelské rozhraní. To je funkce aplikační vrstvy.
Některé zásadní požadavky na aplikační vrstvu v architektuře IoT jsou:
- Překonávání problémů pomocí hlasových příkazů.
- Komunikace s tisíci senzory a koncovými zařízeními z malé obrazovky.
- Přidávání nových zařízení do stávajícího systému IoT, aniž byste museli přerušit podnikový provoz.
- Sledování stavu systému a opravování zařízení, když na to přístrojová deska upozorní.
- Vytváření nových pravidel nebo pracovních postupů pro systémy IoT.
- Vytvoření a dodržování smlouvy o úrovni služeb (SLA).
V průmyslových provozech budete většinou potřebovat centralizovaný dashboard na monitoru počítače pro sledování všech systémů IoT. Na řídicím panelu můžete interagovat s libovolnými systémy IoT, a to i tak, že je pozastavíte, zastavíte nebo restartujete.
Obchodní vrstva
Obchodní vrstva transformuje uložená data na užitečné statistiky. Tyto zprávy pak mohou používat obchodní manažeři, CTO a další odborníci při rozhodování o zvýšení produktivity.
Tato vrstva zahrnuje především integrace podnikových aplikací. Například plány podnikových zdrojů (ERP), aplikace business intelligence (BI), aplikace pro vizualizaci dat atd.
Zde mohou datoví analytici zpracovávat data a vkládat je do nástroje BI, jako je Tableau, Power BI atd., aby získali přehled o celkovém výkonu systému IoT. Můžete také vytvářet prognózy na základě aktuální výrobní kapacity a budoucích potřeb trhu.
Fáze architektury IoT
Pro implementaci architektury systémů IoT na vysoké úrovni je potřeba porozumět fázím tohoto systému:
Objekty
Fáze objektu začíná implementací fyzické vrstvy. Zde potřebujete propojit chytrá zařízení, senzory a akční členy se sítí IoT a koncovými zařízeními.
Senzory mohou být drátové nebo bezdrátové. Hlavním cílem je shromáždit data z reálného světa a převést je na digitální data pro vrstvu zpracování.
Brána
Musíte nastavit intranet nebo internetovou bránu. V této fázi modemy a směrovače shromažďují data ze senzorů a koncových zařízení.
Poté budou tato bránová zařízení přenášet digitální data do vrstvy zpracování a aplikační vrstvy. Většina architektur IoT v této fázi používá systém sběru dat.
IT systémy
Systémy internetu věcí shromažďují analogová data a systémy sběru dat je převádějí na digitální data. Po zpracování je tak objem digitálních dat obrovský. Zde přichází na řadu okrajový IT systém.
V této fázi přesměrujete shromážděná data do okrajového IT systému, kde je zpracují algoritmy AI a ML a uchovají pouze relevantní data.
Cloudová úložiště/datová centra
Jakmile okrajový IT systém zpracuje a vyfiltruje důležitá data, je nutné je uložit do dostupného úložiště. Aplikační vrstva architektury IoT se připojí k fázi úložiště.
Fáze úložiště je především privátní cloudové úložiště, kde můžete ukládat data IoT do strukturovaných databází. Pokud hledáte cenově dostupné řešení, můžete vyzkoušet i veřejné cloudové úložiště.
Nefunkční požadavky
#1. Bezpečnost
Aby byla zajištěna vnitřní bezpečnost architektury, neměla by k ní být připojena žádná neautorizovaná zařízení. Zařízení by měla být registrována a měla by být schopna bezpečně komunikovat.
Navíc by všichni uživatelé a data měli mít zabezpečený přístup k architektuře. Oprávnění uživatelé systému si musí vyměňovat data s bezpečnostními kontrolami.
#2. Výkon
Systém IoT musí být kompatibilní s nestrukturovanými i strukturovanými daty. Nasazení platformy by mělo být kompatibilní s cloudem, on-premise a hybridním cloudem.
Dalšími základními nefunkčními požadavky této architektury jsou přijatelné doby odezvy pro uživatele a obousměrná komunikace téměř v reálném čase s granulovanými časovými razítky.
#3. Ovladatelnost
Architektura internetu věcí musí zahrnovat upozornění a výstrahy na jakékoli problémy. Musí podporovat správu řešení, aby bylo možné rychle určit příčiny problémů z centrálního uzlu.
#4. Udržitelnost
Zařízení a systém IoT by měly být adaptabilní. Architektura musí být dostatečně flexibilní, aby se rychle přizpůsobila změnám uživatelů, procesů a dat. Musíte také provádět údržbu, aniž byste narušovali smlouvy o úrovni služeb (SLA).
#5. Dostupnost
Některé domény a řešení vyžadují, aby systémy IoT byly dostupné 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Například architektura IoT nemocnice nebo laboratoře musí být vždy aktivní.
IoT architektura v MongoDB Atlas
IoT Architecture na MongoDB Atlas Obrázek z MongoDB.com
Různé vrstvy v architektuře IoT produkují terabajty dat. Použití cloudové databáze s podporou IoT je ideální pro ukládání dat organizovaným způsobem.
Jednou z kvalitních cloudových databází, které můžete využít, je MongoDB Atlas. Zde je několik příkladů jejího použití v architektuře IoT:
- MongoDB RealmSDK a MongoDB Server pro budování databází a rozhraní. Tyto databáze a rozhraní mohou využívat mobilní aplikace a zařízení.
- V síťové vrstvě můžete použít MongoDB Atlas ke konfiguraci a nasazení serverů IoT.
- Použijte MongoDB 5.0 Time-Series jako úložiště pro data průběžného měření IoT.
- Pokud má systém IoT problémy s připojením k síti, můžete využít synchronizaci offline ze služeb Atlas App Services.
- MongoDB Connector for BI a MongoDB Charts můžete použít v obchodní vrstvě k extrahování užitečných statistik z dat IoT.
Případy použití
Architektura IoT je stále populárnější a její využití v různých sektorech roste. Níže jsou uvedeny její nejběžnější případy použití:
#1. Zdravotní péče
Kliniky a nemocnice generují terabajty nevyužitých dat. Můžete je využít pro zvýšení provozní efektivity a zlepšení péče o pacienty.
S architekturou internetu věcí mohou instituce využívat izolovaná data pacientů. Lékaři mohou rychle získávat informace a využívat je k rychlé reakci na výstrahy. Gadgety a monitory zdravotního stavu propojené s infrastrukturou internetu věcí mohou nabízet stav pacienta v reálném čase.
#2. Zemědělství
Zemědělci mohou využívat architekturu IoT pro zvýšení produkce a automatizaci řízení.
Jeho využití můžete vidět také v následujícím:
- Sledování teploty půdy.
- Hledání příčin selhání strojů.
- Úprava úrovně vlhkosti a teploty pro pokojové plantáže.
#3. Výrobní průmysl
Výrobní průmysl využívá senzory IoT k získání vhledu do procesů. Obvykle nejsou připojeny k internetu. Tyto snímače variant s krátkým dosahem jsou také schopny sledovat změny v čase.
Další využití architektury IoT v tomto sektoru jsou následující:
- Prognóza poptávky prostřednictvím monitorování výroby v reálném čase.
- Znalost základní účinnosti prostřednictvím sledování doby cyklu.
#4. Komerční HVAC řešení
HVAC je komplexní systém, který si nemůže dovolit selhání žádného prvku nebo funkce. Pokud k tomu dojde, bude to mít za následek vysokou spotřebu energie a dodatečné náklady na údržbu. Pomocí architektury IoT je možné zajistit, aby HVAC poskytovaly dostatečný výkon a zároveň mohly pracovat s nižší úrovní spotřeby.
Dalším využitím IoT je zajištění konzistentnosti a kvality komerčních řešení. Systém automaticky shromažďuje a analyzuje data s minimálním zásahem uživatele a upozorní vás na jakékoli anomálie.
#5. Prevence škod způsobených vodou v komerčních bytech
Úniky a praskliny vodovodního potrubí stojí majitele domů a pojišťovny miliony dolarů. Neviditelnost vodovodních rozvodů ztěžuje odhalení příčiny.
Správně nastavená architektura IoT dokáže uživatele upozornit na jakýkoli únik v reálném čase pomocí efektivních vestavěných senzorů. Poskytuje také kontextová data o poloze zúčastněným stranám pro lepší údržbu majetku. Pojišťovny také těží z tohoto včasného odhalení problémů.
Senzory navíc dokážou detekovat i drobné úniky, které by se v budoucnu mohly stát potenciální hrozbou. Uživatelé si tak mohou naplánovat schůzky s instalatéry.
Budoucnost architektury IoT
IoT se brzy dočká revolučního vývoje s rozvojem 5G sítí. Data bude možné zpracovávat rychleji než kdy dříve. A to nemluvíme o rychlém nasazování systémů IoT.
S využitím privátní 5G sítě mohou administrátoři spustit osobní mobilní 5G síť a mít nad ní plnou kontrolu.
Provozy na podnikové úrovni nebudou čelit následujícím problémům:
- Škrcení rychlosti.
- Nedostatek interoperability.
- Další poplatky za překročení objemu dat.
- Nedostupnost šířky pásma ve špičce.
Závěrečná slova
Architektura IoT vám ukazuje, jak propojit všechny součásti systému IoT do soudržné sítě. Pokryli jsme tedy všechny klíčové technické aspekty architektury tohoto systému.
Detailní znalost architektur IoT vám pomůže vytvořit řešení na podnikové úrovni ve zdravotnictví, výrobě a zemědělství. Uživatelé mohou jít nad rámec případů použití uvedených v tomto článku a implementovat IoT v různých sektorech, které ještě nejsou prozkoumány.
Můžete se také podívat na naše články o výukových zdrojích IoT a IoT startovacích sadách.