Lær internet of things (IoT)-arkitekturen for at opsætte en IoT-struktur til forretningsbrug.
De fremtidige lagre, forsyningskæder, produktionsanlæg og logistikhubs vil være IoT-aktiverede. Da teknologien er kompleks, er det kun få it-giganter, der ved, hvad der er under motorhjelmen. Du kan dog også afkode det ved at lære om teknologien ud og ind.
Fortsæt med at læse, hvis du også vil gøre din virksomhed klogere eller tilbyde IoT-løsninger som en service. Artiklen forklarer IoT-arkitektur, kernen, der tilbyder automatisering og bekvemmelighed, og nogle populære use cases.
Indholdsfortegnelse
Introduktion
IoT inkluderer sensorer, enheder og elektroniske grænseflader, der indsamler, behandler og sender data som kommandoer til slutpunktsmaskinerne.
Disse er alle variabler eller bevægelige dele i et IoT-system. En ramme, der definerer, hvordan man bestiller disse bevægelige dele og skaber den endelige IoT-struktur, er IoT-arkitektur.
IoT-arkitektur fortæller dig, hvordan du forbinder og betjener IoT-systemets enheder, cloud-software og netværk af sensorer. For ikke at nævne Systemfejlfinding finder også sted inden for IoT-arkitekturen.
En grundlæggende ramme for dette ville være tre lag af komponenter i et IoT-system. Disse er som nedenfor:
- Sensorer, aktuatorer, enheder osv. under perceptionslaget
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G osv., skaber netværkslaget
- En grafisk brugergrænseflade er applikationslaget
Arkitekturen i IoT sikrer, at du kender alle komponenter, datastrømme og slutenhedskommandoer i systemet. Således kan du sikre, understøtte og kontrollere dine IoT-systemer effektivt.
Lag af IoT-arkitektur
En IoT-systemarkitektur har forskellige lag, der fungerer som det digitale medie, hvorigennem sensordata når cloud-applikationen. Derefter træffer cloud-appen beslutninger baseret på en forudindstillet arbejdsgang for slutpunktsenhederne som robotarme i en produktionsfabrik.
Endelig flyder disse beslutninger til slutpunktsenhederne gennem det samme lag. Forståelse af disse lag gør det muligt for dig at skabe en vellykket IoT-arkitektur. Her er de IoT-arkitekturlag, du skal kende:
Sanse-/perceptionslaget
Perceptionslaget består af de endepunktsenheder, der indsamler data fra det fysiske univers. Derefter kan digitale applikationer analysere de indsamlede data.
Da dette lag forbliver i kontakt med objekter fra den virkelige verden, kalder IoT-eksperter det også for det fysiske lag. Nedenfor er nogle bemærkelsesværdige enheder, der forbinder til perceptionslaget:
- Sensorer som gyrometre, hastighedssensorer, radiofrekvensidentifikation (RFID) sensorer, kemiske sensorer osv.
- Aktuatorer og robotarme
- Sikkerhedskameraer, døradgangssystemer mv.
- Termostater, HVAC’er, vandsprinklere, varmeelementer mv.
De fleste industrielle IoT-enheder indsamler data til behandlingslaget. For hjemmebaserede IoT-enheder kan perceptionslaget også være behandlingslaget. For eksempel Nest Learning Thermostat.
Netværks-/datatransportlaget
Netværkslaget håndterer datatransport mellem alle lagene i en IoT-arkitektur. Dette lag definerer også netværkstopologien for hele nettet af enheder, cloud-apps og databaser.
De vitale dele af dette lag er internetgateways, intranetporte, netværksgateways og dataindsamlingssystemer (DAS). For ovennævnte netværksforbindelsesprotokoller kan du stole på følgende fysiske enheder:
- Trådløst internet
- Wide Area Networks (WAN)
- 4G LTE/5G
- Lavenergi Bluetooth
- Near-Field Communication (NFC)
Gennem dette lag kommunikerer forskellige slutpunktsenheder og cloud-apps med hinanden. Sensordata som temperatur, hastighed, luftfugtighed osv. rejser gennem netværkslaget for at nå andre lag.
Databehandlingslaget
Behandlingslaget behandler analyser og gemmer data, før det overføres til et datacenter. Det inkluderer Edge-analyse i Edge-computere, kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML). Afgørende opgaver som at træffe beslutninger finder også sted i dette lag.
Behandlingslaget udfører alle beslutningsopgaver. Alligevel kan du også tilsidesætte dens beslutning eller forbedre systemet ved at træffe ad hoc-beslutninger i applikationslaget – en funktion, der er yderst nødvendig for menneskelig kontrol over intelligente maskiner.
Applikationen eller GUI-laget
De fleste IoT-systemer, som Google Home, Amazon Alexa osv., fungerer uden menneskelig indblanding. Alligevel har du brug for en grafisk brugergrænseflade til at tilføje IoT-arbejdsgange, ændre parametre, tilføje enheder osv. Dette er applikationslaget.
Nogle vitale krav til applikationslaget i en IoT-arkitektur er som nedenfor:
- Omgå stemmekommando-baserede problemer
- Kommuniker med tusindvis af sensorer og endepunktsenheder fra en lille skærm
- Tilføj nye enheder til et eksisterende IoT-system uden at lukke hele virksomhedens drift
- Overhold systemets tilstand og servicer enhederne, når instrumentbrættet indikerer
- Opret nye regler eller arbejdsgange til IoT-systemerne
- Opret og følg en serviceniveauaftale (SLA)
I industrielle opsætninger har du for det meste brug for et centraliseret dashboard på en computerskærm for at observere alle IoT-systemerne. På dashboardet kan du interagere med et hvilket som helst eller alle IoT-systemer ved at sætte enhederne på pause, stoppe eller genstarte dem.
Forretningslag
Forretningslaget konverterer lagrede data til handlingsvenlig indsigt. Forretningsledere, CTO’er og flere kan bruge sådanne rapporter. Det hjælper dem med beslutningstagning for produktivitetsforbedringer.
Dette lag omfatter hovedsageligt integrationer af forretningsapps. For eksempel Enterprise Resource Planners (ERP’er), Business Intelligence (BI) apps, datavisualiseringsapps osv.
Her kan dataanalytikere behandle data og sætte dem ind i et BI-værktøj som Tableau, Power BI osv. for at kende IoT-systemets overordnede ydeevne. Du kan også lave prognoser baseret på nuværende produktionskapacitet og fremtidige behov på markedet.
Stadier af IoT-arkitektur
For implementering af IoT-systemarkitektur på højt niveau skal man forstå stadierne af dette system:
Objekter
Objektstadiet starter med implementeringen af det fysiske lag. Her skal du forbinde smarte enheder, sensorer og aktuatorer med IoT-netværket og slutpunktsmaskinerne.
Sensorer kan være kablede eller trådløse. Hovedformålet er at indsamle data fra den virkelige verden og konvertere dem til digitale data til behandlingslaget.
Gateway
Du skal oprette en intranet- eller internetgateway. I denne fase indsamler modemer og routere data fra sensorerne og slutpunktsenhederne.
Derefter vil disse gateway-enheder transportere digitale data til behandlingslaget og applikationslaget. De fleste IoT-arkitekturer bruger et dataopsamlingssystem til denne fase.
IT-systemer
IoT-systemer indsamler analoge data, og dataopsamlingssystemer konverterer disse til digitale data. Derfor er den efterbehandlede størrelse af digitale data enorm. Her kommer et kant-it-system.
I dette trin kanaliserer du de indsamlede data til et kant-it-system, hvor AI- og ML-algoritmer behandler dem og kun opbevarer handlingsrettede data.
Cloud Storage/Datacentre
Når edge-it-systemet har behandlet og filtreret vitale data, skal du lægge dem i tilgængeligt lager. Applikationslaget i IoT-arkitekturen vil forbinde til lagerstadiet.
Et lagertrin er hovedsageligt privat cloud-lagring, hvor du kan gemme IoT-data i strukturerede databaser. Hvis du leder efter overkommelige løsninger, kan du også prøve offentlige skyer.
Ikke-funktionelle krav
#1. Sikkerhed
For at sikre arkitekturens indre sikkerhed bør der ikke være knyttet uautoriserede enheder til den. Enhederne skal være registreret og i stand til at kommunikere sikkert.
Desuden skal alle brugere og data have sikker adgang til arkitekturen. Autoriserede systembrugere skal udveksle data med sikkerhedskontroller.
#2. Ydeevne
IoT-systemet skal være kompatibelt med ustrukturerede og strukturerede data. Udrulningen af platformen skal være kompatibel med cloud, on-premise og hybrid cloud.
Acceptable svartider til brugere og tovejs, næsten realtidskommunikation og granulære tidsstempler er andre væsentlige ikke-funktionelle krav til denne arkitektur.
#3. Håndterbarhed
IoT-arkitekturen skal omfatte meddelelser og advarsler for eventuelle problemer. Det skal understøtte løsningsstyring til hurtigt at fastslå årsagerne til problemerne fra en central node.
#4. Vedligeholdelse
Enhederne og IoT-systemet skal kunne tilpasses. Arkitekturen skal være fleksibel nok til hurtigt at tilpasse sig bruger-, proces- og dataændringer. Du skal også udføre vedligeholdelse uden at forsinke serviceniveauaftalerne (SLA’er).
#5. Tilgængelighed
Visse domæner og løsninger kræver 24×7 tilgængelighed af IoT-systemer. For eksempel kræver en IoT-arkitektur på et hospital eller et laboratorium, at systemet altid er oppe.
IoT-arkitektur i MongoDB Atlas
IoT-arkitektur på MongoDB Atlas-billede fra MongoDB.com
Forskellige lag i en IoT-arkitektur producerer terabyte af data. Brug af en IoT-aktiveret clouddatabase er ideel til at gemme dataene på en organiseret måde.
En af de store cloud-databaser, du kan bruge, er MongoDB Atlas. Her er nogle eksempler på dets brug i IoT-arkitektur:
- MongoDB RealmSDK og MongoDB Server til opbygning af en database og en grænseflade. Mobile apps og enheder kan bruge disse databaser og grænseflader.
- På netværkslaget kan du bruge MongoDB Atlas til at konfigurere og implementere IoT-servere.
- Brug MongoDB 5.0 Time-Series som lager til kontinuerlige IoT-måledata.
- Hvis IoT-systemet oplever hakkende netværksforbindelser, kan du bruge offline-først synkronisering fra Atlas App Services.
- Du kan bruge MongoDB Connector til BI- og MongoDB-diagrammer på forretningslaget til at udtrække handlingsorienteret indsigt fra IoT-data.
Brug Cases
IoT-arkitektur bliver stadig mere populær dagligt, og brugen af den i forskellige sektorer er stigende. Følgende er dens mest almindelige brugssituationer:
#1. Sundhedspleje
Klinikker og hospitaler genererer terabyte af uudnyttede data. Du kan bruge dette til større driftseffektivitet og patientpleje.
Med IoT-arkitektur kan institutioner tage isolerede patientdata i brug. Læger kan hurtigt få og bruge indsigten til at reagere hurtigt på advarsler. IoT-infrastrukturforbundne gadgets og sundhedsstatusmonitorer kan tilbyde patientstatus i realtid.
#2. Landbrug
Landmænd kan bruge IoT-arkitektur til at øge og styre produktionen selvstændigt.
Du kan også se dets brug i følgende:
- Overvågning af jordtemperatur
- Finde årsager til maskinfejl
- Justering af fugt- og temperaturniveauer for indendørs plantager
#3. Fremstilling
Fremstillingsindustrien bruger IoT-sensorer til at få indsigt i processer. De er normalt ikke forbundet til internettet. Disse sensorer i varianter med kort rækkevidde er også i stand til at beregne ændringer over tid.
Andre anvendelser af IoT-arkitektur i denne sektor er som nedenfor:
- Efterspørgselsprognose gennem produktionsovervågning i realtid
- At kende baseline effektivitet gennem cyklustidsregistrering
#4. Kommercielle HVAC-løsninger
HVAC er et komplekst system, der ikke har råd til svigt af noget element eller funktion. Sker det, vil et højt energiforbrug og ekstra vedligeholdelsesomkostninger være konsekvenserne. Ved hjælp af IoT-arkitektur er det muligt at få HVAC’er til at levere tilfredsstillende output og samtidig lade dem køre på et lavere effektniveau.
At sikre konsistens og kvalitet af kommercielle løsninger er en anden brug af IoT. Systemet indsamler og analyserer automatisk data med behov for minimal brugerinteraktion for at underrette dig om eventuelle uregelmæssigheder.
#5. Forebyggelse af vandskade i kommercielle lejligheder
Lækage og sprængning af vandrør forårsager millioner af dollars til husejere og forsikringsselskaber. Usynligheden af vandforbindelser gør det vanskeligt at opdage årsagen.
En korrekt indstillet IoT-arkitektur kan advare brugerne om enhver lækage i realtid med effektive indbyggede sensorer. Det giver også kontekstuelle placeringsdata til interessenterne for bedre vedligeholdelse af aktiver. Forsikringsselskaber får også gavn af denne tidlige opdagelse af problemer.
Desuden kan sensorerne også registrere mindre lækager, der kan blive en potentiel trussel i fremtiden. Brugerne kan således planlægge aftaler med blikkenslagere.
Fremtiden for IoT-arkitektur
Snart er IoT ved at se et evolutionært fremskridt med væksten af 5G-netværket. Det vil være muligt at behandle data hurtigere end nogensinde. For ikke at nævne den hurtige udrulning af IoT-systemer.
Ved at bruge privat 5G kan administratorer starte et personligt 5G-mobilnetværk og have fuld kontrol over det.
Operationerne på virksomhedsniveau vil ikke stå over for følgende problemer:
- Hastighedsregulering
- Manglende interoperabilitet
- Yderligere gebyrer for overskridelse af dataforbrug
- Utilgængelig båndbredde i myldretiden
Afsluttende ord
En IoT-arkitektur fortæller dig, hvordan du forbinder alle komponenterne i et IoT-system i et sammenhængende netværk. Derfor dækkede vi alle de afgørende tekniske aspekter af dette systems arkitektur.
En detaljeret viden om IoT-arkitekturer hjælper dig med at skabe business-grade løsninger inden for sundhedspleje, produktion og landbrug. Brugere kan endda gå ud over de use cases, der er nævnt i denne artikel og implementere IoT i forskellige sektorer, der endnu ikke er udforsket.
Du vil måske også se vores artikler om IoT-læringsressourcer og IoT-startsæt.