Scopri l’architettura dell’Internet of Things (IoT) per configurare una struttura IoT per uso aziendale.
I futuri magazzini, catene di approvvigionamento, impianti di produzione e hub logistici saranno abilitati all’IoT. Poiché la tecnologia è complessa, solo pochi giganti dell’IT sanno cosa c’è sotto il cofano. Tuttavia, puoi anche decodificarlo imparando a conoscere la tecnologia al rovescio.
Continua a leggere se anche tu vuoi rendere il tuo business più smart o offrire soluzioni IoT come servizio. L’articolo spiega l’architettura IoT, il nucleo che offre automazione e convenienza, e alcuni casi d’uso popolari.
Sommario:
introduzione
IoT include sensori, dispositivi e interfacce elettroniche che raccolgono, elaborano e inviano dati come comandi alle macchine end-point.
Queste sono tutte variabili o parti mobili in un sistema IoT. Un framework che definisce come ordinare queste parti mobili e creare la struttura IoT finale è l’architettura IoT.
L’architettura IoT ti dice come connettere e gestire i dispositivi del sistema IoT, il software cloud e la rete di sensori. Per non parlare della risoluzione dei problemi di sistema che avviene anche all’interno dell’architettura IoT.
Un framework di base per questo sarebbe costituito da tre livelli di componenti in un sistema IoT. Questi sono i seguenti:
- Sensori, attuatori, dispositivi, ecc., sotto lo strato di percezione
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G, ecc., creano il livello di rete
- Un’interfaccia utente grafica è il livello dell’applicazione
L’architettura dell’IoT garantisce la conoscenza di tutti i componenti, i flussi di dati e i comandi del dispositivo finale all’interno del sistema. Pertanto, puoi proteggere, supportare e controllare i tuoi sistemi IoT in modo efficace.
Strati dell’architettura IoT
Un’architettura di sistema IoT ha vari livelli che fungono da supporto digitale attraverso il quale i dati dei sensori raggiungono l’applicazione cloud. Quindi, l’app cloud prende le decisioni in base a un flusso di lavoro preimpostato per i dispositivi end-point come i bracci robotici in un impianto di produzione.
Infine, queste decisioni arrivano ai dispositivi end-point attraverso lo stesso livello. La comprensione di questi livelli consente di creare un’architettura IoT di successo. Ecco i livelli dell’architettura IoT che devi conoscere:
Lo strato sensoriale/percettivo
Il livello di percezione è costituito dai dispositivi end-point che raccolgono i dati dall’universo fisico. Quindi, le applicazioni digitali possono analizzare i dati raccolti.
Poiché questo livello rimane in contatto con gli oggetti del mondo reale, gli esperti di IoT lo chiamano anche livello fisico. Di seguito sono riportati alcuni dispositivi degni di nota che si connettono al livello di percezione:
- Sensori come giroscopi, sensori di velocità, sensori di identificazione a radiofrequenza (RFID), sensori chimici, ecc.
- Attuatori e bracci robotici
- Telecamere di sicurezza, sistemi di accesso alle porte, ecc.
- Termostati, HVAC, irrigatori d’acqua, elementi riscaldanti, ecc.
La maggior parte dei dispositivi IoT industriali raccoglie dati per il livello di elaborazione. Per i dispositivi IoT domestici, il livello di percezione potrebbe anche essere il livello di elaborazione. Ad esempio, il Nest Learning Thermostat.
Il livello di rete/trasporto dati
Il livello di rete gestisce il trasporto dei dati tra tutti i livelli di un’architettura IoT. Questo livello definisce anche la topologia di rete per l’intero Web di dispositivi, app cloud e database.
Le parti vitali di questo livello sono gateway Internet, porte intranet, gateway di rete e sistemi di acquisizione dati (DAS). Per i suddetti protocolli di connettività di rete, puoi fare affidamento sui seguenti dispositivi fisici:
- Wifi
- Reti geografiche (WAN)
- 4G LTE/5G
- Bluetooth a basso consumo energetico
- Comunicazione in campo vicino (NFC)
Attraverso questo livello, vari dispositivi endpoint e app cloud comunicano tra loro. I dati dei sensori come temperatura, velocità, umidità, ecc. viaggiano attraverso il livello di rete per raggiungere altri livelli.
Il livello di elaborazione dei dati
Il livello di elaborazione elabora, analizza e archivia i dati prima di trasferirli a un data center. Include l’analisi Edge in Edge computing, intelligenza artificiale (AI) e machine learning (ML). Compiti cruciali come prendere decisioni si svolgono anche in questo livello.
Il livello di elaborazione svolge tutte le attività decisionali. Tuttavia, puoi anche ignorare la sua decisione o migliorare il sistema prendendo decisioni ad hoc nel livello dell’applicazione, una funzionalità estremamente necessaria per il controllo umano sulle macchine intelligenti.
Il livello dell’applicazione o della GUI
La maggior parte dei sistemi IoT, come Google Home, Amazon Alexa, ecc., funziona senza intervento umano. Tuttavia, è necessaria un’interfaccia utente grafica per aggiungere flussi di lavoro IoT, modificare parametri, aggiungere dispositivi e così via. Questo è il livello dell’applicazione.
Alcuni requisiti fondamentali per il livello dell’applicazione in un’architettura IoT sono i seguenti:
- Bypassa i problemi basati sui comandi vocali
- Comunica con migliaia di sensori e dispositivi end-point da un piccolo schermo
- Aggiungi nuovi dispositivi a un sistema IoT esistente senza interrompere l’intera operazione aziendale
- Osservare lo stato di salute del sistema e riparare i dispositivi quando indicato dal dashboard
- Crea nuove regole o flussi di lavoro per i sistemi IoT
- Creare e seguire un accordo sul livello di servizio (SLA)
Nelle configurazioni industriali, avrai principalmente bisogno di un dashboard centralizzato sul monitor di un computer per osservare tutti i sistemi IoT. Nella dashboard puoi interagire con uno o tutti i sistemi IoT mettendo in pausa, arrestando o riavviando i dispositivi.
Livello aziendale
Il livello aziendale converte i dati archiviati in informazioni utili. Responsabili aziendali, CTO e altri possono utilizzare tali report. Li aiuta nel processo decisionale per il miglioramento della produttività.
Questo livello include principalmente integrazioni di app aziendali. Ad esempio, pianificatori di risorse aziendali (ERP), app di business intelligence (BI), app di visualizzazione dei dati, ecc.
Qui, gli analisti di dati possono elaborare i dati e inserirli in uno strumento BI come Tableau, Power BI, ecc., per conoscere le prestazioni complessive del sistema IoT. È inoltre possibile creare previsioni basate sulla capacità di produzione attuale e sulle esigenze future del mercato.
Fasi dell’architettura IoT
Per l’implementazione dell’architettura dei sistemi IoT di alto livello, è necessario comprendere le fasi di questo sistema:
Oggetti
La fase dell’oggetto inizia con l’implementazione del livello fisico. Qui è necessario connettere dispositivi intelligenti, sensori e attuatori con la rete IoT e le macchine end-point.
I sensori possono essere cablati o wireless. L’obiettivo principale è raccogliere dati del mondo reale e convertirli in dati digitali per il livello di elaborazione.
Portale
È necessario configurare un gateway Intranet o Internet. In questa fase, modem e router raccolgono dati dai sensori e dai dispositivi end-point.
Quindi, questi dispositivi gateway trasporteranno i dati digitali al livello di elaborazione e al livello dell’applicazione. La maggior parte delle architetture IoT utilizza un sistema di acquisizione dati per questa fase.
Sistemi informatici
I sistemi IoT raccolgono dati analogici e i sistemi di acquisizione dati li convertono in dati digitali. Quindi, la dimensione post-elaborata dei dati digitali è enorme. Ecco che arriva un sistema IT all’avanguardia.
In questa fase, canalizzi i dati raccolti verso un sistema IT perimetrale in cui gli algoritmi AI e ML li elaborano e conservano solo i dati utilizzabili.
Archiviazione cloud/Centri dati
Una volta che il sistema IT perimetrale ha elaborato e filtrato i dati vitali, è necessario inserirli in un archivio accessibile. Il livello dell’applicazione dell’architettura IoT si collegherà alla fase di archiviazione.
Una fase di archiviazione è principalmente l’archiviazione cloud privata, in cui è possibile archiviare i dati IoT in database strutturati. Se stai cercando soluzioni convenienti, puoi anche provare i cloud pubblici.
Requisiti non funzionali
#1. Sicurezza
Per garantire la sicurezza interna dell’architettura, non dovrebbero esserci dispositivi non autorizzati ad essa collegati. I dispositivi devono essere registrati e in grado di comunicare in modo sicuro.
Inoltre, tutti gli utenti ei dati dovrebbero avere un accesso sicuro all’architettura. Gli utenti del sistema autorizzati devono scambiare i dati con i controlli di sicurezza.
#2. Prestazione
Il sistema IoT deve essere compatibile con dati non strutturati e strutturati. L’implementazione della piattaforma deve essere compatibile con cloud, on-premise e hybrid cloud.
Tempi di risposta accettabili agli utenti e comunicazioni bidirezionali, quasi in tempo reale e timestamp granulari sono altri requisiti non funzionali essenziali di questa architettura.
#3. Gestibilità
L’architettura IoT deve includere notifiche e avvisi per eventuali problemi. Deve supportare la gestione della soluzione per determinare rapidamente le cause dei problemi da un nodo centrale.
#4. Manutenibilità
I dispositivi e il sistema IoT dovrebbero essere adattabili. L’architettura deve essere sufficientemente flessibile per adattarsi rapidamente alle modifiche dell’utente, del processo e dei dati. È inoltre necessario eseguire la manutenzione senza ritardare gli accordi sul livello di servizio (SLA).
#5. Disponibilità
Alcuni domini e soluzioni richiedono la disponibilità 24 ore su 24, 7 giorni su 7 dei sistemi IoT. Ad esempio, un’architettura IoT di un ospedale o di un laboratorio richiede che il sistema sia sempre attivo.
Architettura IoT in MongoDB Atlas
Architettura IoT su MongoDB Atlas Immagine da MongoDB.com
Vari livelli in un’architettura IoT producono terabyte di dati. L’utilizzo di un database cloud abilitato per l’IoT è l’ideale per archiviare i dati in modo organizzato.
Uno dei grandi database cloud che potresti utilizzare è MongoDB Atlas. Ecco alcuni esempi del suo utilizzo nell’architettura IoT:
- MongoDB RealmSDK e MongoDB Server per la creazione di un database e un’interfaccia. Le app e i dispositivi mobili possono utilizzare questi database e interfacce.
- A livello di rete, puoi utilizzare MongoDB Atlas per configurare e distribuire i server IoT.
- Utilizza MongoDB 5.0 Time-Series come storage per dati di misurazione IoT continui.
- Se il sistema IoT presenta una connettività di rete instabile, puoi utilizzare la sincronizzazione offline da Atlas App Services.
- Puoi utilizzare MongoDB Connector for BI e MongoDB Charts a livello aziendale per estrarre informazioni strategiche dai dati IoT.
Casi d’uso
L’architettura IoT sta diventando sempre più popolare ogni giorno e il suo utilizzo in diversi settori è in aumento. I seguenti sono i suoi casi d’uso più comuni:
#1. Assistenza sanitaria
Cliniche e ospedali generano terabyte di dati non sfruttati. È possibile utilizzarlo per una maggiore efficienza operativa e cura del paziente.
Con l’architettura IoT, le istituzioni possono utilizzare i dati dei pazienti isolati. I medici possono ottenere e utilizzare rapidamente gli approfondimenti per rispondere rapidamente agli avvisi. I gadget collegati all’infrastruttura IoT e i monitor dello stato di salute possono offrire lo stato del paziente in tempo reale.
#2. agricoltura
Gli agricoltori possono utilizzare l’architettura IoT per aumentare e gestire la produzione in modo autonomo.
Puoi anche vedere il suo utilizzo nei seguenti:
- Monitoraggio della temperatura del suolo
- Trovare le ragioni del guasto del macchinario
- Regolazione dei livelli di umidità e temperatura per le piantagioni indoor
#3. Produzione
L’industria manifatturiera utilizza i sensori IoT per ottenere informazioni dettagliate sui processi. Di solito non sono connessi a Internet. Questi sensori di varianti a corto raggio sono anche in grado di calcolare i cambiamenti nel tempo.
Altri usi dell’architettura IoT in questo settore sono i seguenti:
- Previsione della domanda attraverso il monitoraggio della produzione in tempo reale
- Conoscere l’efficienza della linea di base attraverso il monitoraggio del tempo di ciclo
#4. Soluzioni HVAC commerciali
L’HVAC è un sistema complesso che non può permettersi il fallimento di alcun elemento o funzione. In tal caso, le conseguenze saranno un elevato consumo di energia e costi di manutenzione aggiuntivi. Utilizzando l’architettura IoT, è possibile fare in modo che gli HVAC forniscano un output soddisfacente consentendo loro di funzionare a un livello di potenza inferiore.
Garantire la coerenza e la qualità delle soluzioni commerciali è un altro uso dell’IoT. Il sistema raccoglie e analizza automaticamente i dati con la necessità di una minima interazione da parte dell’utente per notificare eventuali anomalie.
#5. Prevenzione dei danni causati dall’acqua negli appartamenti commerciali
Le perdite e gli scoppi delle tubature dell’acqua causano milioni di dollari ai proprietari di case e alle compagnie assicurative. L’invisibilità delle connessioni idriche rende difficile rilevare la causa principale.
Un’architettura IoT correttamente impostata può avvisare gli utenti di eventuali perdite in tempo reale con efficienti sensori integrati. Fornisce inoltre dati contestuali sulla posizione alle parti interessate per una migliore manutenzione delle risorse. Anche le compagnie assicurative traggono vantaggio da questa individuazione precoce dei problemi.
Inoltre, i sensori possono anche rilevare piccole perdite che potrebbero diventare una potenziale minaccia in futuro. Pertanto, gli utenti possono programmare appuntamenti con idraulici.
Il futuro dell’architettura IoT
Presto, l’IoT sta per vedere un progresso evolutivo con la crescita della rete 5G. Sarà possibile elaborare i dati più velocemente che mai. Per non parlare anche della rapida implementazione dei sistemi IoT.
Utilizzando il 5G privato, gli amministratori possono avviare una rete mobile 5G personale e averne il pieno controllo.
Le operazioni a livello aziendale non dovranno affrontare i seguenti problemi:
- Limitazione della velocità
- Mancanza di interoperabilità
- Costi aggiuntivi per il superamento dell’utilizzo dei dati
- Indisponibilità della larghezza di banda durante le ore di punta
Parole finali
Un’architettura IoT ti dice come connettere tutti i componenti di un sistema IoT in una rete coesa. Quindi, abbiamo coperto tutti gli aspetti tecnici cruciali dell’architettura di questo sistema.
Una conoscenza dettagliata delle architetture IoT ti aiuta a creare soluzioni di livello aziendale nel settore sanitario, manifatturiero e agricolo. Gli utenti possono anche andare oltre i casi d’uso menzionati in questo articolo e implementare l’IoT in vari settori ancora da esplorare.
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