Naučte se architekturu internetu věcí (IoT) za 5 minut nebo méně [+ Use Cases]

Naučte se architekturu internetu věcí (IoT) a nastavte strukturu IoT pro obchodní použití.

Budoucí sklady, dodavatelské řetězce, výrobní závody a logistická centra budou umožňovat IoT. Vzhledem k tomu, že technologie je složitá, jen několik IT gigantů ví, co se skrývá pod kapotou. Můžete jej však také dekódovat tak, že se o technologii dozvíte naruby.

Pokračujte ve čtení, pokud chcete také učinit svou firmu chytřejší nebo nabízet řešení IoT jako službu. Článek vysvětluje architekturu IoT, jádro, které nabízí automatizaci a pohodlí, a některé oblíbené případy použití.

Úvod

IoT zahrnuje senzory, zařízení a elektronická rozhraní, která shromažďují, zpracovávají a odesílají data jako příkazy koncovým strojům.

To vše jsou proměnné nebo pohyblivé části v systému IoT. Rámec, který definuje, jak objednávat tyto pohyblivé části a vytvářet konečnou strukturu internetu věcí, je architektura internetu věcí.

Architektura IoT vám říká, jak připojit a provozovat zařízení systému IoT, cloudový software a síť senzorů. Nemluvě o odstraňování problémů se systémem také v rámci architektury IoT.

Základním rámcem by pro to byly tři vrstvy komponent v systému IoT. Jsou to následující:

• Senzory, akční členy, zařízení atd. pod vrstvou vnímání
• LAN, Wi-Fi, 5G, 4G atd. vytvářejí síťovou vrstvu
• Aplikační vrstvou je grafické uživatelské rozhraní

Architektura IoT zajišťuje, že znáte všechny komponenty, datové toky a příkazy koncových zařízení v rámci systému. Můžete tak efektivně zabezpečit, podporovat a ovládat své IoT systémy.

Vrstvy architektury IoT

Architektura systému IoT má různé vrstvy, které fungují jako digitální médium, přes které se data ze senzorů dostávají do cloudové aplikace. Poté se cloudová aplikace rozhoduje na základě přednastaveného pracovního postupu pro koncová zařízení, jako jsou robotická ramena ve výrobním závodě.

Nakonec tato rozhodnutí proudí do koncových zařízení stejnou vrstvou. Pochopení těchto vrstev vám umožní vytvořit úspěšnou architekturu IoT. Zde jsou vrstvy architektury IoT, které musíte znát:

Smyslová/vnímací vrstva

Vrstva vnímání se skládá z koncových zařízení, která shromažďují data z fyzického vesmíru. Poté mohou digitální aplikace analyzovat shromážděná data.

Protože tato vrstva zůstává v kontaktu s objekty reálného světa, odborníci na IoT ji také nazývají fyzická vrstva. Níže jsou uvedena některá pozoruhodná zařízení, která se připojují k vrstvě vnímání:

• Senzory jako gyrometry, senzory rychlosti, senzory pro radiofrekvenční identifikaci (RFID), chemické senzory atd.
• Akční členy a robotická ramena
• Bezpečnostní kamery, dveřní přístupové systémy atd.
• Termostaty, HVAC, rozstřikovače vody, topná tělesa atd.

Většina průmyslových zařízení IoT shromažďuje data pro vrstvu zpracování. U domácích zařízení IoT by vrstva vnímání mohla být také vrstvou zpracování. Například Nest Learning Thermostat.

Síťová/datová transportní vrstva

Síťová vrstva zajišťuje přenos dat mezi všemi vrstvami architektury IoT. Tato vrstva také definuje topologii sítě pro celý web zařízení, cloudových aplikací a databází.

Důležitými částmi této vrstvy jsou internetové brány, intranetové porty, síťové brány a systémy sběru dat (DAS). U výše uvedených protokolů síťového připojení se můžete spolehnout na následující fyzická zařízení:

• Wi-Fi
• 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 dosáhla dalších vrstev.

Vrstva zpracování dat

Vrstva zpracování zpracovává analýzy a ukládá data před jejich přenosem do datového centra. Zahrnuje Edge analytiku v Edge computing, umělou inteligenci (AI) a strojové učení (ML). V této vrstvě se také odehrávají zásadní úkoly, jako je rozhodování.

Procesorová vrstva plní všechny rozhodovací úkoly. Přesto můžete jeho 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. K přidávání pracovních postupů IoT, změně parametrů, přidávání zařízení atd. však potřebujete grafické uživatelské rozhraní. Toto je aplikační vrstva.

Některé zásadní požadavky na aplikační vrstvu v architektuře IoT jsou uvedeny níže:

• Obejít problémy založené na hlasových příkazech
• Komunikujte s tisíci senzorů a koncovými zařízeními z malé obrazovky
• Přidejte nová zařízení do stávajícího systému IoT, aniž byste museli vypnout celý podnikový provoz
• Sledujte stav systému a opravujte zařízení, když přístrojová deska signalizuje
• Vytvořte nová pravidla nebo pracovní postupy pro systémy IoT
• Vytvořte a dodržujte smlouvu o úrovni služeb (SLA)

V průmyslových zařízeních budete většinou potřebovat centralizovaný dashboard na monitoru počítače, abyste mohli sledovat všechny systémy IoT. Na řídicím panelu můžete interagovat s jakýmkoli nebo všemi systémy IoT pozastavením, zastavením nebo restartováním zařízení.

Obchodní vrstva

Obchodní vrstva převádí uložená data na užitečné statistiky. Obchodní manažeři, CTO a další mohou používat takové sestavy. Pomáhá jim při rozhodování o zvýšení produktivity.

Tato vrstva zahrnuje především integrace podnikových aplikací. Například plánovače 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 poznali celkový výkon systému IoT. Můžete také vytvářet prognózy na základě aktuální výrobní kapacity a budoucích potřeb trhu.

Etapy architektury IoT

Pro implementaci architektury systémů IoT na vysoké úrovni je třeba 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 shromažďují modemy a směrovače data ze senzorů a koncových zařízení.

Poté budou tato zařízení brány přenášet digitální data do vrstvy zpracování a aplikační vrstvy. Většina IoT architektur používá pro tuto fázi systém sběru dat.

IT systémy

Systémy internetu věcí shromažďují analogová data a systémy sběru dat je převádějí na digitální data. Velikost digitálních dat po zpracování je tedy obrovská. Zde přichází na řadu okrajový IT systém.

V této fázi nasměrujete shromážděná data do okrajového IT systému, kde je zpracují algoritmy AI a ML a uchovávají pouze data, která lze použít.

Cloudová úložiště/datová centra

Jakmile systém edge IT zpracuje a vyfiltruje důležitá data, musíte 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 dostupná řešení, můžete vyzkoušet i veřejné cloudy.

Nefunkční požadavky

#1. Bezpečnostní

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 a granulovaná časová razítka.

#3. Ovladatelnost

Architektura internetu věcí musí zahrnovat upozornění a výstrahy pro 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 odkládali smlouvy o úrovni služeb (SLA).

#5. Dostupnost

Některé domény a řešení vyžadují dostupnost systémů IoT 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Například architektura IoT nemocnice nebo laboratoře potřebuje, aby byl systém 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 ze skvělých cloudových databází, které můžete použít, je MongoDB Atlas. Zde je několik příkladů jeho použití v architektuře IoT:

• MongoDB RealmSDK a MongoDB Server pro budování databáze a rozhraní. Tyto databáze a rozhraní mohou používat mobilní aplikace a zařízení.
• Na síťové vrstvě můžete použít MongoDB Atlas ke konfiguraci a nasazení serverů IoT.
• Použijte MongoDB 5.0 Time-Series jako úložiště pro data nepřetržitého měření IoT.
• Pokud má systém IoT problémy s připojením k síti, můžete použít synchronizaci nejprve offline ze služeb Atlas App Services.
• MongoDB Connector for BI a MongoDB Charts můžete použít na obchodní vrstvě k extrahování užitečných statistik z dat IoT.

Případy užití

Architektura IoT je každým dnem stále populárnější a její využití v různých sektorech roste. Níže jsou uvedeny jeho nejčastější případy použití:

#1. Zdravotní péče

Kliniky a nemocnice generují terabajty nevyužitých dat. Můžete to využít pro větší provozní efektivitu a péči o pacienty.

S architekturou internetu věcí mohou instituce využívat izolovaná data pacientů. Lékaři mohou rychle získat a použít informace k rychlé reakci na výstrahy. Gadgety a monitory zdravotního stavu propojené s infrastrukturou internetu věcí mohou nabídnout stav pacienta v reálném čase.

#2. Zemědělství

Zemědělci mohou využívat architekturu IoT ke zvýšení a autonomnímu řízení výroby.

Jeho použití můžete vidět také v následujícím:

• Sledování teploty půdy
• Hledání příčin selhání strojů
• Úprava úrovně vlhkosti a teploty pro pokojové plantáže

#3. Výrobní

Výrobní průmysl využívá senzory IoT k získání vhledu do procesů. Obvykle nejsou připojeni k internetu. Tyto snímače variant s krátkým dosahem jsou také schopny počítat změny v čase.

Další využití architektury IoT v tomto sektoru jsou níže:

• 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 uspokojivý výstup a zároveň jim umožňovaly provoz s nižší úrovní výkonu.

Dalším využitím IoT je zajištění konzistence a kvality komerčních řešení. Systém automaticky shromažďuje a analyzuje data s nutností minimální interakce uživatele, aby vás upozornil na jakékoli anomálie.

#5. Prevence vodních škod v komerčních bytech

Únik a prasknutí vodovodního potrubí způsobí majitelům domů a pojišťovnám miliony dolarů. Neviditelnost vodních spojů ztěžuje odhalení základní příčiny.

Správně nastavená IoT architektura dokáže uživatele upozornit na jakýkoli únik v reálném čase pomocí účinných 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 brzy zaznamená evoluční pokrok s růstem sítě 5G. Data bude možné zpracovávat rychleji než kdy dříve. Nemluvě o rychlém nasazení systémů IoT.

Pomocí privátní sítě 5G mohou administrátoři spustit osobní mobilní síť 5G a mít nad ní plnou kontrolu.

Operace 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 říká, 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 dokonce jít nad rámec případů použití uvedených v tomto článku a implementovat IoT v různých sektorech, které je třeba ještě prozkoumat.

Můžete se také podívat na naše články o výukových zdrojích IoT a IoT startovacích sadách.