Lær Internet of Things (IoT) arkitektur på 5 minutter eller mindre [+ Use Cases]

Lær tingenes internett (IoT) arkitektur for å sette opp en IoT-struktur for forretningsbruk.

Fremtidige varehus, forsyningskjeder, produksjonsanlegg og logistikknutepunkter vil være IoT-aktiverte. Siden teknologien er kompleks, er det bare noen få IT-giganter som vet hva som er under panseret. Du kan imidlertid også dekode den ved å lære om teknologien ut og inn.

Fortsett å lese hvis du også ønsker å gjøre virksomheten din smartere eller tilby IoT-løsninger som en tjeneste. Artikkelen forklarer IoT-arkitektur, kjernen som tilbyr automatisering og bekvemmelighet, og noen populære brukstilfeller.

Introduksjon

IoT inkluderer sensorer, enheter og elektroniske grensesnitt som samler inn, behandler og sender data som kommandoer til endepunktmaskinene.

Dette er alle variabler eller bevegelige deler i et IoT-system. Et rammeverk som definerer hvordan man bestiller disse bevegelige delene og skaper den endelige IoT-strukturen er IoT-arkitektur.

IoT-arkitektur forteller deg hvordan du kobler til og betjener IoT-systemets enheter, skyprogramvare og nettverk av sensorer. For ikke å snakke om systemfeilsøking foregår også innenfor IoT-arkitekturen.

Et grunnleggende rammeverk for dette vil være tre lag med komponenter i et IoT-system. Disse er som nedenfor:

  • Sensorer, aktuatorer, enheter, etc., under persepsjonslaget
  • LAN, Wi-Fi, 5G, 4G, etc., lager nettverkslaget
  • Et grafisk brukergrensesnitt er applikasjonslaget

Arkitekturen til IoT sikrer at du kjenner alle komponentene, datastrømmene og endeenhetskommandoer i systemet. Dermed kan du sikre, støtte og kontrollere dine IoT-systemer effektivt.

Lag av IoT-arkitektur

En IoT-systemarkitektur har ulike lag som fungerer som det digitale mediet som sensordata når skyapplikasjonen gjennom. Deretter tar sky-appen beslutninger basert på en forhåndsinnstilt arbeidsflyt for endepunktsenheter som robotarmer i et produksjonsanlegg.

Til slutt flyter disse beslutningene til endepunktenhetene gjennom det samme laget. Når du forstår disse lagene, kan du lage en vellykket IoT-arkitektur. Her er IoT-arkitekturlagene du må kjenne til:

Sanse-/oppfatningslaget

Persepsjonslaget består av endepunktsenhetene som samler inn data fra det fysiske universet. Deretter kan digitale applikasjoner analysere de innsamlede dataene.

Siden dette laget holder kontakten med virkelige objekter, kaller IoT-eksperter det også det fysiske laget. Nedenfor er noen bemerkelsesverdige enheter som kobles til persepsjonslaget:

  • Sensorer som gyrometre, hastighetssensorer, radiofrekvensidentifikasjon (RFID) sensorer, kjemiske sensorer, etc.
  • Aktuatorer og robotarmer
  • Sikkerhetskameraer, døradgangssystemer, etc.
  • Termostater, VVS, vannsprinklere, varmeelementer, etc.

De fleste industrielle IoT-enheter samler inn data for behandlingslaget. For hjemmebaserte IoT-enheter kan persepsjonslaget også være behandlingslaget. For eksempel Nest Learning Thermostat.

Nettverks-/datatransportlaget

Nettverkslaget håndterer datatransport mellom alle lagene i en IoT-arkitektur. Dette laget definerer også nettverkstopologien for hele nettet av enheter, skyapper og databaser.

De vitale delene av dette laget er internettporter, intranettporter, nettverksporter og datainnsamlingssystemer (DAS). For de ovennevnte nettverkstilkoblingsprotokollene kan du stole på følgende fysiske enheter:

  • Wi-Fi
  • Wide Area Networks (WAN)
  • 4G LTE/5G
  • Lavenergi Bluetooth
  • Near-Field Communication (NFC)
  4 Smarthome Huber du aldri har hørt om (og hvorfor du ikke bør bruke dem)

Gjennom dette laget kommuniserer ulike endepunktenheter og skyapper med hverandre. Sensordata som temperatur, hastighet, fuktighet, etc., går gjennom nettverkslaget for å nå andre lag.

Databehandlingslaget

Behandlingslaget behandler analyser, og lagrer data før de overføres til et datasenter. Det inkluderer Edge-analyse i Edge-databehandling, kunstig intelligens (AI) og maskinlæring (ML). Avgjørende oppgaver som å ta beslutninger finner også sted i dette laget.

Behandlingslaget utfører alle beslutningsoppgavene. Likevel kan du også overstyre beslutningen eller forbedre systemet ved å ta ad hoc-avgjørelser i applikasjonslaget – en funksjon som er svært nødvendig for menneskelig kontroll over intelligente maskiner.

Applikasjonen eller GUI-laget

De fleste IoT-systemer, som Google Home, Amazon Alexa, etc., fungerer uten menneskelig innblanding. Likevel trenger du et grafisk brukergrensesnitt for å legge til IoT-arbeidsflyter, endre parametere, legge til enheter osv. Dette er applikasjonslaget.

Noen viktige krav til applikasjonslaget i en IoT-arkitektur er som følger:

  • Omgå talekommando-baserte problemer
  • Kommuniser med tusenvis av sensorer og endepunktenheter fra en liten skjerm
  • Legg til nye enheter til et eksisterende IoT-system uten å stenge hele virksomheten
  • Observer helsetilstanden til systemet og vedlikehold enhetene når dashbordet indikerer
  • Lag nye regler eller arbeidsflyter for IoT-systemene
  • Opprett og følg en servicenivåavtale (SLA)

I industrielle oppsett vil du stort sett trenge et sentralisert dashbord på en dataskjerm for å observere alle IoT-systemene. På dashbordet kan du samhandle med alle eller alle IoT-systemer ved å sette på pause, stoppe eller starte enhetene på nytt.

Forretningslag

Forretningslaget konverterer lagrede data til handlingsvennlig innsikt. Bedriftsledere, CTOer og flere kan bruke slike rapporter. Det hjelper dem med beslutningstaking for produktivitetsforbedring.

Dette laget inkluderer hovedsakelig integrasjoner av bedriftsapper. For eksempel bedriftsressursplanleggere (ERP), business intelligence (BI)-apper, datavisualiseringsapper, etc.

Her kan dataanalytikere behandle data og sette dem inn i et BI-verktøy som Tableau, Power BI, etc., for å vite den generelle ytelsen til IoT-systemet. Du kan også lage prognoser basert på dagens produksjonskapasitet og fremtidige behov i markedet.

Stadier av IoT-arkitektur

For implementering av IoT-systemarkitektur på høyt nivå, må man forstå stadiene i dette systemet:

Objekter

Objektstadiet starter med implementeringen av det fysiske laget. Her må du koble smarte enheter, sensorer og aktuatorer til IoT-nettverket og endepunktmaskinene.

Sensorer kan være kablet eller trådløse. Hovedmålet er å samle inn virkelige data og konvertere dem til digitale data for behandlingslaget.

Inngangsport

Du må sette opp et intranett eller internettgateway. I dette stadiet samler modemer og rutere inn data fra sensorene og endepunktsenhetene.

Deretter vil disse gateway-enhetene transportere digitale data til behandlingslaget og applikasjonslaget. De fleste IoT-arkitekturer bruker et datainnsamlingssystem for dette stadiet.

IT-systemer

IoT-systemer samler inn analoge data, og datainnsamlingssystemer konverterer dette til digitale data. Derfor er den etterbehandlede størrelsen på digitale data enorm. Her kommer et kant IT-system.

I dette stadiet kanaliserer du de innsamlede dataene til et avansert IT-system der AI- og ML-algoritmer behandler dem og bare beholder handlingsbare data.

  Slik gjentar du sanger i Spotify

Skylagring/datasentre

Når edge-IT-systemet har behandlet og filtrert viktige data, må du legge dem i tilgjengelig lagring. Applikasjonslaget til IoT-arkitekturen vil koble til lagringsstadiet.

Et lagringsstadium er hovedsakelig privat skylagring, hvor du kan lagre IoT-data i strukturerte databaser. Hvis du er ute etter rimelige løsninger, kan du også prøve offentlige skyer.

Ikke-funksjonelle krav

#1. Sikkerhet

For å sikre den interne sikkerheten til arkitekturen, bør det ikke være noen uautoriserte enheter knyttet til den. Enhetene skal være registrert og i stand til å kommunisere sikkert.

Dessuten skal alle brukere og data ha sikker tilgang til arkitekturen. Autoriserte systembrukere må utveksle data med sikkerhetskontroller.

#2. Opptreden

IoT-systemet må være kompatibelt med ustrukturerte og strukturerte data. Utrullingen av plattformen bør være kompatibel med skyen, på stedet og hybridskyen.

Akseptable responstider til brukere og toveis kommunikasjon i nær sanntid og granulære tidsstempler er andre viktige ikke-funksjonelle krav til denne arkitekturen.

#3. Håndterbarhet

IoT-arkitekturen må inkludere varsler og varsler for eventuelle problemer. Den må støtte løsningsadministrasjon for raskt å finne årsakene til problemene fra en sentral node.

#4. Vedlikeholdbarhet

Enhetene og IoT-systemet bør kunne tilpasses. Arkitekturen må være fleksibel nok til å tilpasse seg raskt til bruker-, prosess- og dataendringer. Du må også utføre vedlikehold uten å forsinke servicenivåavtalene (SLA).

#5. Tilgjengelighet

Enkelte domener og løsninger krever 24×7 tilgjengelighet av IoT-systemer. For eksempel trenger en IoT-arkitektur til et sykehus eller laboratorium at systemet alltid er oppe.

IoT-arkitektur i MongoDB Atlas

IoT-arkitektur på MongoDB Atlas-bilde fra MongoDB.com

Ulike lag i en IoT-arkitektur produserer terabyte med data. Å bruke en IoT-aktivert skydatabase er ideell for å lagre dataene på en organisert måte.

En av de flotte skydatabasene du kan bruke er MongoDB Atlas. Her er noen eksempler på bruken i IoT-arkitektur:

  • MongoDB RealmSDK og MongoDB Server for å bygge en database og et grensesnitt. Mobilapper og enheter kan bruke disse databasene og grensesnittene.
  • På nettverkslaget kan du bruke MongoDB Atlas til å konfigurere og distribuere IoT-servere.
  • Bruk MongoDB 5.0 Time-Series som lagring for kontinuerlige IoT-måledata.
  • Hvis IoT-systemet opplever hakkete nettverkstilkobling, kan du bruke offline-første synkronisering fra Atlas App Services.
  • Du kan bruke MongoDB Connector for BI- og MongoDB-diagrammer på forretningslaget for å trekke ut handlingsvennlig innsikt fra IoT-data.

Brukssaker

IoT-arkitektur blir stadig mer populær daglig, og bruken av den i forskjellige sektorer øker. Følgende er de vanligste brukstilfellene:

#1. Helsevesen

Klinikker og sykehus genererer terabyte med uutnyttede data. Du kan bruke dette for større driftseffektivitet og pasientbehandling.

Med IoT-arkitektur kan institusjoner ta isolerte pasientdata i bruk. Leger kan raskt få og bruke innsikten til å reagere raskt på varsler. IoT-infrastrukturtilknyttede dingser og helsestatusmonitorer kan tilby pasientstatus i sanntid.

#2. Jordbruk

Bønder kan bruke IoT-arkitektur for å øke og administrere produksjonen autonomt.

Du kan også se bruken av den i følgende:

  • Overvåking av jordtemperatur
  • Finne årsaker til maskinsvikt
  • Justering av fuktighet og temperaturnivåer for innendørs plantasjer
  Wi-Fi-kameraer gjør mer enn bare å ta opp video

#3. Produksjon

Produksjonsindustrien bruker IoT-sensorer for å få innsikt i prosesser. De er vanligvis ikke koblet til internett. Disse sensorene i varianter med kort rekkevidde er også i stand til å beregne endringer over tid.

Andre bruksområder for IoT-arkitektur i denne sektoren er som følger:

  • Etterspørselsprognose gjennom sanntids produksjonsovervåking
  • Kjenne til grunnleggende effektivitet gjennom syklustidssporing

#4. Kommersielle HVAC-løsninger

HVAC er et komplekst system som ikke har råd til svikt i noe element eller funksjon. Dersom det skjer vil høyt energiforbruk og ekstra vedlikeholdskostnader bli konsekvensene. Ved å bruke IoT-arkitektur er det mulig å få HVAC-er til å gi tilfredsstillende ytelse samtidig som de lar dem kjøre på et lavere effektnivå.

Å sikre konsistens og kvalitet på kommersielle løsninger er en annen bruk av IoT. Systemet samler og analyserer automatisk data med behov for minimum brukerinteraksjon for å varsle deg om eventuelle uregelmessigheter.

#5. Forebygging av vannskade i kommersielle leiligheter

Vannrørlekkasje og sprengning forårsaker millioner av dollar til huseiere og forsikringsselskaper. Usynligheten til vannforbindelser gjør det vanskelig å oppdage årsaken.

En riktig innstilt IoT-arkitektur kan varsle brukerne om enhver lekkasje i sanntid med effektive innebygde sensorer. Det gir også kontekstuelle plasseringsdata til interessentene for bedre vedlikehold av eiendeler. Forsikringsselskaper drar også nytte av denne tidlige oppdagelsen av problemer.

Dessuten kan sensorene også oppdage mindre lekkasjer som kan bli en potensiell trussel i fremtiden. Dermed kan brukere planlegge avtaler med rørleggere.

Fremtiden for IoT-arkitektur

Snart er IoT i ferd med å se et evolusjonært fremskritt med veksten av 5G-nettverket. Det vil være mulig å behandle data raskere enn noen gang. For ikke å nevne den raske utrullingen av IoT-systemer også.

Ved å bruke privat 5G kan administratorer starte et personlig 5G-mobilnettverk og ha full kontroll over det.

Virksomheten på bedriftsnivå vil ikke møte følgende problemer:

  • Hastighetsregulering
  • Mangel på interoperabilitet
  • Ekstra kostnader for overskridelse av databruk
  • Utilgjengelighet av båndbredde i rushtiden

Siste ord

En IoT-arkitektur forteller deg hvordan du kobler alle komponentene i et IoT-system i et sammenhengende nettverk. Derfor dekket vi alle de avgjørende tekniske aspektene ved arkitekturen til dette systemet.

En detaljert kunnskap om IoT-arkitekturer hjelper deg med å skape løsninger av bedriftskvalitet innen helsevesen, produksjon og landbruk. Brukere kan til og med gå utover brukstilfellene nevnt i denne artikkelen og implementere IoT i forskjellige sektorer som ennå ikke skal utforskes.

Du vil kanskje også se på artiklene våre om IoT-læringsressurser og IoT-startsett.

x