Forstå IoT-arkitektur for Forretningsmessig Anvendelse
I fremtiden vil vi se at lager, forsyningskjeder, produksjonsanlegg og logistikknutepunkter i økende grad blir drevet av tingenes internett (IoT). Denne teknologien er kompleks, og det er ofte bare de største IT-selskapene som har full innsikt i hvordan den fungerer. Likevel er det mulig å forstå den ved å studere teknologien grundig.
Hvis du ønsker å gjøre din virksomhet smartere, eller tilby IoT-løsninger som en tjeneste, bør du lese videre. Denne artikkelen forklarer hva IoT-arkitektur er, hvordan den skaper automatisering og bekvemmelighet, samt gir eksempler på populære bruksområder.
Introduksjon
IoT omfatter sensorer, enheter og elektroniske grensesnitt som samler inn, bearbeider og sender data som kommandoer til sluttmaskiner.
Dette er de ulike komponentene i et IoT-system. En arkitektur er et rammeverk som viser hvordan disse komponentene skal organiseres for å skape en fungerende IoT-struktur.
IoT-arkitektur gir retningslinjer for hvordan man kobler sammen og styrer enheter, skybasert programvare og sensornettverk i et IoT-system. Det er også innenfor denne arkitekturen feilsøking foregår.
Et grunnleggende rammeverk for et IoT-system består av tre lag:
- Persepsjonslaget: Sensorer, aktuatorer, enheter og lignende.
- Nettverkslaget: LAN, Wi-Fi, 5G, 4G og lignende.
- Applikasjonslaget: Et grafisk brukergrensesnitt.
Gjennom en god IoT-arkitektur får man oversikt over alle komponenter, datastrømmer og enhetskommandoer i systemet. Dette gjør det mulig å sikre, støtte og kontrollere IoT-systemene effektivt.
Lag i IoT-arkitekturen
En IoT-systemarkitektur består av flere lag som fungerer som et digitalt medium hvor sensordata sendes til skyapplikasjonen. Deretter tar skyappen beslutninger basert på forhåndsdefinerte arbeidsflyter, for eksempel for robotarmer i et produksjonsanlegg.
Disse beslutningene sendes deretter tilbake til endepunktenhetene via de samme lagene. Forståelsen av disse lagene er nøkkelen til å bygge en velfungerende IoT-arkitektur. Her er en oversikt over de viktige lagene:
Sanse-/Persepsjonslaget
Dette laget består av endepunktsenheter som samler inn data fra den fysiske verden. Disse dataene analyseres deretter av digitale applikasjoner.
Dette laget kalles også det fysiske laget, da det er i direkte kontakt med objekter i den virkelige verden. Her er noen vanlige enheter som tilhører persepsjonslaget:
- Sensorer som gyrometre, hastighetssensorer, RFID-sensorer og kjemiske sensorer.
- Aktuatorer og robotarmer.
- Sikkerhetskameraer, adgangssystemer.
- Termostater, VVS-anlegg, vannspredere og varmeelementer.
De fleste industrielle IoT-enheter samler inn data for videre behandling. For hjemmebaserte IoT-enheter, kan persepsjonslaget også fungere som behandlingslag, som for eksempel Nest Learning Thermostat.
Nettverks-/Datatransportlaget
Nettverkslaget håndterer datatransport mellom alle lagene i IoT-arkitekturen. Dette laget definerer også nettverkstopologien for enhetene, skyappene og databasene i systemet.
Viktige komponenter i dette laget er internettporter, intranettporter, nettverksporter og datainnsamlingssystemer (DAS). Følgende fysiske enheter brukes ofte for nettverkstilkobling:
- Wi-Fi
- Wide Area Networks (WAN)
- 4G LTE/5G
- Lavenergi Bluetooth
- Near-Field Communication (NFC)
Gjennom dette laget kommuniserer ulike endepunktenheter og skyapper med hverandre. Sensordata som temperatur, hastighet og fuktighet overføres gjennom nettverkslaget for å nå de andre lagene.
Databehandlingslaget
Dette laget behandler, analyserer og lagrer data før de sendes videre til et datasenter. Det inkluderer kantanalyse i kantdatabehandling, kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML). Beslutningstaking er også en viktig del av dette laget.
Selv om behandlingslaget tar mange beslutninger, kan man også overstyre eller forbedre systemet ved å ta ad hoc-avgjørelser i applikasjonslaget. Dette er en viktig funksjon for menneskelig kontroll over intelligente maskiner.
Applikasjons- eller GUI-laget
Mange IoT-systemer, som Google Home og Amazon Alexa, fungerer uten direkte menneskelig innblanding. Likevel er et grafisk brukergrensesnitt (GUI) ofte nødvendig for å legge til arbeidsflyter, endre parametere og administrere enheter – dette er applikasjonslaget.
Noen sentrale krav til applikasjonslaget i en IoT-arkitektur er:
- Å omgå problemer knyttet til talekommandoer.
- Å kommunisere med tusenvis av sensorer og endepunktenheter fra en liten skjerm.
- Å legge til nye enheter i et eksisterende system uten å stoppe hele virksomheten.
- Å overvåke systemets helse og utføre vedlikehold basert på indikasjoner på dashbordet.
- Å lage nye regler eller arbeidsflyter for IoT-systemene.
- Å opprette og følge en serviceavtale (SLA).
I industrielle miljøer vil man ofte bruke et sentralisert dashbord på en dataskjerm for å overvåke alle IoT-systemene. Fra dette dashbordet kan man interagere med de ulike systemene, og for eksempel pause, stoppe eller starte enheter på nytt.
Forretningslaget
Forretningslaget omdanner lagrede data til handlingsrettet innsikt. Disse rapportene kan brukes av ledere, teknologidirektører (CTO-er) og andre for å ta beslutninger som forbedrer produktiviteten.
Dette laget inkluderer integrasjoner med forretningsapplikasjoner, som for eksempel ressursplanleggere (ERP), business intelligence (BI) verktøy og data visualiseringsapplikasjoner.
Her kan dataanalytikere bearbeide data og presentere dem i BI-verktøy som Tableau eller Power BI for å analysere ytelsen til IoT-systemet. Man kan også lage prognoser basert på dagens produksjonskapasitet og fremtidige markedsbehov.
Faser i IoT-arkitekturen
For å implementere en IoT-systemarkitektur på et høyt nivå, må man forstå de forskjellige fasene:
Objekter
Objektfasen begynner med implementeringen av det fysiske laget. Her kobles smarte enheter, sensorer og aktuatorer til IoT-nettverket og sluttmaskinene.
Sensorene kan være kablet eller trådløse. Hovedmålet er å samle inn data fra den virkelige verden og konvertere dem til digitale data for behandlingslaget.
Inngangsport
Man må sette opp en intranett- eller internettgateway. I denne fasen samler modemer og rutere data fra sensorer og endepunktsenheter.
Disse gateway-enhetene overfører deretter de digitale dataene til behandlings- og applikasjonslagene. De fleste IoT-arkitekturer bruker et datainnsamlingssystem i denne fasen.
IT-Systemer
IoT-systemer samler inn analoge data som datainnsamlingssystemer konverterer til digital form. De digitale datamengdene som genereres kan være enorme. Her kommer kant-IT-systemer inn i bildet.
I denne fasen kanaliserer man de innsamlede dataene til et avansert IT-system der AI- og ML-algoritmer behandler dem, og bare beholder de dataene som er relevante for handling.
Skylagring/Datasentre
Når edge-IT-systemet har bearbeidet og filtrert de viktige dataene, må de lagres på en tilgjengelig måte. Applikasjonslaget i IoT-arkitekturen kobles til lagringsfasen.
Lagringsfasen foregår ofte i en privat skylagring, hvor IoT-dataene kan lagres i strukturerte databaser. Om man ser etter rimeligere løsninger, kan offentlige skyløsninger også være et alternativ.
Ikke-Funksjonelle Krav
#1. Sikkerhet
For å sikre arkitekturens interne sikkerhet, bør ingen uautoriserte enheter være tilkoblet. Alle enheter bør registreres og kommunisere på en sikker måte.
Videre skal all bruker- og datatilgang være sikker. Autoriserte systembrukere må utveksle data med sikkerhetskontroller.
#2. Ytelse
IoT-systemet må kunne håndtere både ustrukturerte og strukturerte data. Plattformen bør være kompatibel med skyløsninger, lokalt lagrede løsninger og hybridløsninger.
Akseptable responstider for brukere, toveiskommunikasjon i sanntid og granulære tidsstempler er andre viktige ikke-funksjonelle krav.
#3. Håndterbarhet
IoT-arkitekturen må inkludere varsler for eventuelle problemer. Det må også finnes støtte for feilsøking for å raskt identifisere årsaker til problemer fra en sentral node.
#4. Vedlikeholdbarhet
Enhetene og IoT-systemet bør være tilpasningsdyktige. Arkitekturen må være fleksibel nok til å raskt tilpasse seg endringer i brukerbehov, prosesser og data. Vedlikehold bør også kunne utføres uten å påvirke avtaler om servicenivå (SLA).
#5. Tilgjengelighet
Enkelte domener og løsninger krever at IoT-systemet er tilgjengelig 24 timer i døgnet, 7 dager i uken. For eksempel er dette nødvendig for IoT-arkitekturer i sykehus og laboratorier.
IoT-arkitektur i MongoDB Atlas
IoT-arkitektur på MongoDB Atlas-bilde fra MongoDB.com
De ulike lagene i en IoT-arkitektur genererer store mengder data. Det er derfor fordelaktig å bruke en IoT-aktivert skydatabase for å lagre dataene på en organisert måte.
MongoDB Atlas er en slik skydatabase. Her er noen eksempler på hvordan den kan brukes i en IoT-arkitektur:
- MongoDB RealmSDK og MongoDB Server kan brukes til å bygge databaser og grensesnitt. Mobilapper og enheter kan bruke disse databasene og grensesnittene.
- I nettverkslaget kan MongoDB Atlas brukes til å konfigurere og distribuere IoT-servere.
- MongoDB 5.0 Time-Series kan brukes til å lagre kontinuerlige IoT-måledata.
- Hvis IoT-systemet opplever ustabil nettverkstilkobling, kan man bruke offline-første synkronisering fra Atlas App Services.
- MongoDB Connector for BI og MongoDB-diagrammer kan brukes i forretningslaget for å uttrekke handlingsrettet innsikt fra IoT-data.
Bruksområder
IoT-arkitektur blir stadig mer populært, og brukes i en rekke sektorer. Her er noen av de vanligste bruksområdene:
#1. Helsevesen
Klinikker og sykehus genererer store mengder data som ofte ikke utnyttes. Disse dataene kan brukes til å øke effektiviteten og forbedre pasientbehandlingen.
Med IoT-arkitektur kan man samle inn og bruke isolerte pasientdata. Leger kan raskt få tilgang til og bruke informasjonen for å reagere raskt på varsler. IoT-tilknyttede enheter og helsestatusmonitorer kan gi pasientstatus i sanntid.
#2. Jordbruk
Bønder kan bruke IoT-arkitektur for å øke og administrere produksjonen autonomt.
IoT brukes også i følgende sammenhenger:
- Overvåking av jordtemperatur.
- Identifisering av årsaker til maskinfeil.
- Justering av fuktighets- og temperaturnivåer for innendørs plantasjer.
#3. Produksjon
Produksjonsindustrien bruker IoT-sensorer for å få innsikt i prosessene. Disse sensorene er ofte ikke koblet til internett, men kan overvåke og beregne endringer over tid.
Andre bruksområder for IoT-arkitektur i denne sektoren er:
- Etterspørselsprognoser gjennom sanntids produksjonsovervåking.
- Måling av effektivitet gjennom sporing av syklustider.
#4. Kommersielle HVAC-løsninger
HVAC-systemer (varme, ventilasjon og klimaanlegg) er komplekse og bør ikke svikte. Feil kan føre til høyt energiforbruk og ekstra vedlikeholdskostnader. Med IoT-arkitektur kan man få HVAC-systemer til å yte tilfredsstillende samtidig som de bruker mindre energi.
En annen fordel med IoT i kommersielle HVAC-systemer er at systemet automatisk samler inn og analyserer data med minimal brukerinteraksjon, og varsler om eventuelle uregelmessigheter.
#5. Forebygging av Vannskader i Kommersielle Leiligheter
Vannlekkasjer og rørbrudd forårsaker store skader for huseiere og forsikringsselskaper. Det faktum at vannrør ofte er skjult, gjør det vanskelig å oppdage årsaken.
En godt konfigurert IoT-arkitektur kan varsle brukere om lekkasjer i sanntid ved hjelp av effektive sensorer. Det gir også informasjon om lokalisering av skaden, noe som hjelper interessentene med vedlikehold. Forsikringsselskaper drar også nytte av at problemer oppdages tidlig.
Sensorene kan også oppdage mindre lekkasjer som kan bli et problem i fremtiden. Dermed kan brukerne planlegge avtaler med rørleggere i god tid.
Fremtiden for IoT-arkitektur
Med fremveksten av 5G-nettverket vil IoT oppleve et betydelig fremskritt. Det vil bli mulig å behandle data raskere enn noensinne, noe som vil føre til raskere utrulling av IoT-systemer.
Med private 5G-nettverk kan administratorer starte sitt eget mobile nettverk og ha full kontroll over det.
Dette vil løse følgende problemer for virksomheter:
- Hastighetsbegrensninger.
- Manglende interoperabilitet.
- Ekstra kostnader for overskridelse av databruk.
- Utilgjengelig båndbredde i rushtiden.
Avsluttende Ord
IoT-arkitektur viser hvordan alle komponentene i et IoT-system er koblet sammen i et sammenhengende nettverk. Denne artikkelen har dekket de viktigste tekniske aspektene ved arkitekturen til dette systemet.
En god forståelse av IoT-arkitektur er avgjørende for å utvikle løsninger for helsevesen, produksjon og jordbruk. Brukere kan også gå utover de bruksområdene som er nevnt i denne artikkelen og implementere IoT i andre sektorer.
Du kan også sjekke ut våre andre artikler om IoT-læringsressurser og IoT-startsett.