هندسة حلول إنترنت الأشياء: نظرة عامة على المكونات & Amp؛ نصائح التصميم

تواصل الشركات القفز على عربة إنترنت الأشياء والتوجه إلى الشركات الاستشارية لإنترنت الأشياء. وفقًا لبحث حديث أجرته شركة Fact & Factors ، من المتوقع أن يصل سوق إنترنت الأشياء العالمي إلى 1،842 مليار دولار بحلول عام 2028 ، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 24،5٪. ومع ذلك ، فإن طرح إنترنت الأشياء ليس بالأمر السهل. تشير تقارير Beecham Research إلى أن 75٪ من جميع مشاريع إنترنت الأشياء إما لا تلبي التوقعات المحددة أو تفشل.

والسبب الشائع لذلك هو الافتقار إلى التخطيط والتحديات الفنية الناجمة عنه. ما يساعد في تجنب مخاطر الفشل هو وضع مخطط لهندسة إنترنت الأشياء مسبقًا. في منشور المدونة هذا ، قمنا بإلقاء الضوء على المكونات الأساسية لهندسة إنترنت الأشياء وإظهار كيف قد يبدو تصميم بنية إنترنت الأشياء في الممارسة العملية باستخدام مثال لمشروع من محفظة ITRex.

دعنا ننغمس في الأمر ، بدءًا من الأساسيات.

ما هي بنية إنترنت الأشياء؟

بنية إنترنت الأشياء هي مزيج من مكونات الأجهزة والبرامج التي تتفاعل معًا لتكوين نظام رقمي إلكتروني ذكي. من خلال العمل المتبادل مع بعضها البعض ، تشكل هذه المكونات أساسًا لحلول إنترنت الأشياء التي يمكن البناء عليها. قبل أن نتعمق في التفاصيل ، دعنا نضع الأمور في نصابها الصحيح: لا يوجد نهج واحد يناسب الجميع لتصميم بنية إنترنت الأشياء. مع ذلك ، يظل التخطيط الأساسي كما هو إلى حد كبير بغض النظر عن الحل.

هندسة إنترنت الأشياء القياسية: ماذا يوجد تحت الغطاء؟

تعتمد تطبيقات إنترنت الأشياء الشائعة المستندة إلى البيانات على بنية إنترنت الأشياء القياسية التي تغطي أربع طبقات:

• طبقة الجهاز
• طبقة الشبكة
• طبقة دعم الخدمة والتطبيق
• طبقة التطبيقات

ومع ذلك ، في الآونة الأخيرة ، بدأت المزيد والمزيد من الأنظمة المتصلة في تحويل التركيز نحو معالجة الحواف ، مما أدى إلى إضافة طبقة إضافية إلى بنية تقليدية من أربع طبقات. تعتمد حصة الأنشطة التي يتم إجراؤها على الحافة على تنفيذ معين ولكنها تمتد عادةً إلى تمكين الاتصال ، فضلاً عن تصفية البيانات الواردة وتجميعها وتأمينها ومعالجتها.

طبقة الجهاز

تتكون طبقة الجهاز من جميع أنواع الأجهزة الذكية أو المتصلة أو الكائنات غير الإلكترونية التي تم تحسينها بالكاميرات و / أو المستشعرات ، واختيارياً ، المشغلات. تأخذ المستشعرات البيانات من العالم الخارجي وتحولها إلى إشارات كهربائية بحيث يمكن معالجتها بواسطة الكمبيوتر. تختلف مستشعرات إنترنت الأشياء من حيث الحجم والغرض. فهي قادرة على تسجيل جميع أنواع المعلومات - من درجة الحرارة إلى الحركة إلى الرطوبة ، وأكثر من ذلك. المشغلات ، بدورها ، تجعل الأجهزة المتصلة تعمل بناءً على الأوامر المرسلة من مركز المعالجة. بمجرد حصول المشغل على أمر ، فإنه يجعل الجهاز يتصرف بطريقة معينة. يمكن لنظام الإضاءة الذكي ، على سبيل المثال ، تشغيل الأضواء بمجرد اكتشاف حركة في مكان قريب.

طبقة الشبكة

تشتمل طبقة الشبكة على تقنيات اتصال مختلفة تربط طبقة الجهاز والطبقات اللاحقة لهيكل إنترنت الأشياء. اعتمادًا على حل إنترنت الأشياء المعني ، قد يتم تمكين اتصال الجهاز مباشرة أو عبر بوابات. غالبًا ما ينطبق هذا الأخير على الأجهزة القديمة التي لا يتم توصيلها مباشرة أو عندما يكون هناك عدم تطابق في البروتوكول. تعتمد حلول إنترنت الأشياء الحديثة على تقنيات الاتصال التالية:

تم تصميم شبكات LPWAN ، أو شبكات المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة ، خصيصًا لدعم حلول إنترنت الأشياء على نطاق واسع. يوفر LPWAN فرصًا للاتصال بعيد المدى مع كونه موفرًا للطاقة وطويل الأمد ورخيصًا. الجانب السلبي هو أن شبكات LPWAN لا تنقل سوى كميات صغيرة من البيانات بمعدل منخفض جدًا ، لذا فهي مناسبة بشكل أفضل لحالات الاستخدام غير الحساسة للوقت ولا تتطلب نطاقًا تردديًا عاليًا ، مثل المباني الذكية أو إنترنت الأشياء الصناعي.

Zigbee هو معيار اتصال لاسلكي قصير المدى وهو الأنسب لتطبيقات إنترنت الأشياء متوسطة المدى مع عقد موزعة بالتساوي في مكان قريب ، على سبيل المثال ، المنازل الذكية. مقارنةً بـ LPWAN ، يوفر Zigbee معدلات بيانات أعلى ولكنه أقل كفاءة في استخدام الطاقة.

توفر الشبكات الخلوية (3G / 4G / 5G) اتصالاً واسع النطاق موثوقًا به ، لذا فهي مناسبة تمامًا لدعم حالات الاستخدام مثل السيارات المتصلة أو توجيه حركة المرور أو إدارة الأسطول أو مساعدة السائق المتقدمة. ومع ذلك ، لا تقترن الشبكات الخلوية جيدًا بشبكات الاستشعار التي تعمل بالبطاريات وتتحمل تكاليف تشغيلية عالية ، مما يحد من استخدامها.

توفر تقنية Bluetooth اتصالاً قصير المدى وتستخدم لأجهزة IoT للمستهلكين على نطاق صغير ، مثل الأجهزة الرياضية أو أجهزة الرعاية الصحية القابلة للارتداء ، وإنترنت أجهزة الجسم ، والأجهزة المنزلية الذكية.

تتيح شبكة Wi-Fi نقل البيانات عالي الإنتاجية. ومع ذلك ، نظرًا لقضايا التغطية وقابلية التوسع واستهلاك الطاقة ، غالبًا ما لا تكون شبكة Wi-Fi خيارًا ممكنًا لشبكات إنترنت الأشياء الموسعة أو أجهزة إنترنت الأشياء التي تعمل بالبطاريات. بدلاً من ذلك ، فهو أكثر ملاءمة للأجهزة الذكية التي تتصل بمنفذ طاقة ، مثل الأدوات المنزلية الذكية أو الكاميرات الأمنية أو اللافتات الرقمية.

يستخدم RFID موجات الراديو لنقل كميات صغيرة من البيانات من علامة RFID إلى قارئ يقع في مكان قريب. تستخدم تقنية الاتصالات هذه على نطاق واسع في الخدمات اللوجستية والتجزئة.

طبقة الحوسبة الطرفية

تتكون طبقة معالجة الحافة من بوابات أو خوادم محلية أو عقد طرفية أخرى منتشرة عبر الشبكة. تكمن الفكرة وراء تقديم الأجهزة المتطورة في تخزين البيانات ومعالجتها بالقرب من مصدرها ، وإرسال جزء فقط من السجلات التي تم إنشاؤها إلى السحابة أو تحميل البيانات بالجملة إلى السحابة على فترات زمنية محددة مسبقًا بدلاً من نقلها في الوقت الفعلي. بصرف النظر عن معالجة البيانات ، يمكن لطبقة الحافة تصفية المعلومات الواردة وتجميعها وتشفيرها.

تساعد معالجة البيانات محليًا في توفير الوقت والموارد التي قد تكون ضرورية بخلاف ذلك لنقل جميع السجلات التي تم إنشاؤها إلى السحابة. يؤدي القيام بذلك ، بالتالي ، إلى زمن انتقال أفضل وأداء أعلى. تعد إضافة طبقة حافة خيارًا قابلاً للتطبيق لحالات استخدام إنترنت الأشياء التي تحتاج إلى تحليل البيانات في الوقت الفعلي وتتطلب قابلية توسعة مضمنة وأمانًا محسّنًا ، على سبيل المثال ، أنظمة إنترنت الأشياء الطبية أو أنظمة الدوائر التلفزيونية المغلقة أو السيارات الذكية.

طبقة دعم الخدمة والتطبيق

هذا هو المكان الذي تنتهي فيه غالبية البيانات التي تجمعها أجهزة إنترنت الأشياء. لذلك ، يتم استخدام طبقة دعم الخدمة والتطبيق لتجميع البيانات ومعالجتها وتخزينها. هنا ، هناك عمليتان أساسيتان:

• تراكم البيانات: تولد أنظمة إنترنت الأشياء أحجامًا ضخمة من البيانات ، ولا يلزم وضع كل هذه البيانات موضع التنفيذ على الفور. لذلك ، قد تحتوي بنية إنترنت الأشياء على بحيرة بيانات لتخزين جميع المعلومات التي تم إنشاؤها وإرسال السجلات التي تم تنقيتها وتصفيتها فقط أسفل خط أنابيب إدارة البيانات. لذلك ، فإن الهدف الرئيسي من هذه المرحلة هو تجميع جميع البيانات معًا ، ومعرفة ما إذا كانت قطعة معينة من المعلومات ذات صلة بمتطلبات العمل ، وتحديد كيفية تخزينها - في قاعدة بيانات مؤقتة أو مستودع بيانات.
• تجريد البيانات: في هذه المرحلة ، يتم تضخيم المعلومات الواردة من أجهزة إنترنت الأشياء من خلال البيانات الواردة من المصادر الخارجية ذات الصلة. يمكن أن تشمل هذه أنظمة تخطيط موارد المؤسسات (ERP) و EMRs وأنظمة المؤسسات الأخرى. تتحول البيانات لمطابقة التنسيق الموحد ، حيث تنتقل البيانات إلى التخزين المركزي ، على سبيل المثال ، مستودع البيانات ، حيث يمكن الوصول إليها بسهولة للحصول على الرؤى.

طبقة التطبيقات

في طبقة التطبيق ، يتم تشغيل البيانات المتراكمة والمعالجة والمتكاملة من أجهزة إنترنت الأشياء والمصادر الخارجية من خلال خوارزميات التحليلات ، ويتم تقديم نتائج التحليل للمستخدمين. تختلف أنواع التطبيقات حسب متطلبات العمل لنظام إنترنت الأشياء. قد تتضمن تطبيقات الويب أو الأجهزة المحمولة التي تقدم رؤى مرئية للمستخدمين النهائيين أو تتحكم في أجهزة إنترنت الأشياء عبر المشغلات أو أدوات ذكاء الأعمال أو حلول التحليلات المتقدمة التي تعتمد على التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.

تصميم بنية إنترنت الأشياء عمليًا: ما الذي ينتظر المستقبل؟

الآن بعد أن ألقينا الضوء على المفهوم النظري لهندسة إنترنت الأشياء ، دعنا نرى كيف يمكن أن يبدو الشخص المبتكر في الممارسة العملية. لتوضيح خصوصيات بناء حلول إنترنت الأشياء ، سوف ننتقل إلى مشروع من محفظة ITRex.

لجأ أحد عملائنا إلينا بفكرة بناء مرآة لياقة بدنية ذكية لمساعدة الأشخاص على التدريب في المنزل بشكل فعال كما يفعلون في صالة الألعاب الرياضية. ستحل المرآة محل مدرب اللياقة البدنية ، "يراقب" شخصًا يعمل على تقديم ملاحظات حول جلسات التدريب وإعداد خطط تدريب مخصصة للتدريبات المستقبلية. أخذ مهندسو ITRex على عاتقهم التحدي وابتكروا بنية للحل ، واحتضنوا كل شيء من الأجهزة إلى البرامج الثابتة إلى تطبيقات الهاتف المحمول للمستخدم النهائي.

ركزت الهندسة المعمارية التي انتهينا من تصميمها بشكل كبير على الحوسبة المتطورة. تتم معالجة غالبية البيانات من مستشعرات وكاميرات المرآة على الجهاز نفسه ، ويتم تمرير جزء فقط من المعلومات الإحصائية إلى السحابة.

يشرح كيريل ستاشفسكي ، كبير التكنولوجيا في ITRex ، خيار إعطاء الأولوية للحوسبة المتطورة على النماذج التقليدية القائمة على السحابة: "لقد اختبرنا كلا النهجين - وفازت الحوسبة المتطورة من حيث توفير أداء أعلى. لذلك ، يتم تحليل البيانات من كاميرات المرآة وأجهزة استشعار الحركة اللاصقة التي تصاحب المرآة وتذهب على الأوزان بالقرب من مكان إنشائها. هذا يوفر الكثير من الوقت ويساعد على خفض النفقات التشغيلية. وهذا هو الشيء الذي يتعلق بتصميم هياكل إنترنت الأشياء الناجحة - عليك أن تقوم بالاختيارات واختبار الافتراضات ، واختيار الأفضل بالنسبة لك ". وبالتالي ، تبدو البنية عالية المستوى للحل كما يلي:

المرآة مزودة بشبكات ذكاء اصطناعي مدربة مسبقًا على لقطات فيديو مكثفة لأشخاص يمارسون التمارين. أثناء تمرين الشخص ، يتم تسجيله بواسطة كاميرات المرآة المدمجة ، ويتم تشغيل لقطات الفيديو على الفور عبر شبكات الذكاء الاصطناعي التي تقارن التمرين بنموذج مرجعي.

وبالتالي ، يولد محرك الذكاء الاصطناعي توصيات في الوقت الفعلي حول ما إذا كان روتين التمرين للشخص صحيًا ويقترح التحسينات المطلوبة - سواء كان ذلك في الأوزان أو التقنية أو الكثافة. عندما يستخدم المتدرب المرآة ، يتم رسم لقطات الفيديو لتخصيص شبكات الذكاء الاصطناعي المنتشرة محليًا ، وبالتالي تتحسن جودة الاقتراحات بمرور الوقت.

وفقًا لـ Kirill ، يعد التخصيص سببًا آخر لاختيارنا للهندسة المعمارية الموجهة نحو الحافة. إن تدريب الشبكات محليًا على أساس مقاطع الفيديو المسجلة في السياق المستخدم في المرآة يحقق نتائج أفضل بكثير من تدريب الخوارزميات في السحابة بالاعتماد على المحتوى العام. سبب آخر لاختيار بنية متمحورة حول الحافة هو الخصوصية حيث أن معالجة البيانات بالقرب من مكان إنشائها توفر الحاجة إلى نقل اللقطات عبر الشبكة للتحليل.

على الرغم من كونها موجهة نحو الحافة ، فإن بنية الحل تتميز أيضًا بالجزء السحابي. ومع ذلك ، فإن الغرض الرئيسي منه هو جمع البيانات الإحصائية حول استخدام المرايا وأدائها. مكون آخر من الحل هو تطبيق جوال اجتماعي للمستخدمين النهائيين لتسجيل أدائهم ومشاركته مع الأصدقاء والتدريب معًا.

خلاصة ، أو لماذا من الضروري تصميم مخطط لهندسة إنترنت الأشياء مسبقًا

إذا كنت تفكر في تبني إنترنت الأشياء ، فمن الأهمية بمكان أن تبتكر بنية مدروسة للحل المستقبلي في وقت مبكر. الأنظمة المهندسة بشكل سيئ ليست قابلة للتطوير ولا يمكنها التعامل مع التعقيد ، بينما تسمح لك بنية إنترنت الأشياء المصممة جيدًا بالتخطيط للمستقبل وتضمن:

• قابلية الصيانة. تعد أنظمة إنترنت الأشياء المصممة جيدًا أسهل وأرخص في الصيانة. نظرًا لأن الصورة الأكبر لجميع المكونات والعمليات والتكاملات واضحة ، فمن الأسهل الانتقال إلى مهام أصغر. عندما يتعلق الأمر بمصادر المشروع ، تسهل الأنظمة المصممة جيدًا أيضًا جلب المواهب الجديدة وتقليل الوقت المستغرق لنقل المعرفة.
• قابلية التوسع. مع التخطيط للهندسة الأولية ، يصبح من الأسهل توسيع نطاق نظام إنترنت الأشياء رأسياً وأفقياً ، مما يؤدي إلى توفير وظائف جديدة أو إضافة المزيد من العقد النهائية.
• فعالية التكلفة. يساعد تخصيص الوقت للتصميم الشامل لنظام إنترنت الأشياء الخاص بك على اتخاذ خيارات تقنية أفضل ، وبالتالي تقليل تكاليف التطوير والتشغيل لحلول إنترنت الأشياء.
• أداء عالي. يساعد وجود رؤية معمارية واضحة في بناء تدفقات بيانات أفضل ، فضلاً عن معالجة البيانات الواردة باستخدام الأدوات المناسبة ، مما يساعد على تحقيق أداء أعلى للنظام.
• التوافقية. يمكن أن تمتد بنية إنترنت الأشياء على أجهزة متعددة باستخدام بروتوكولات اتصال مختلفة لا تقترن دائمًا معًا بشكل جيد. تساعد بنية إنترنت الأشياء المدروسة في التأكد من أن الأجهزة والمكونات المختلفة تعمل معًا بسلاسة.
• حماية. من خلال استثمار الجهد الأولي في تصميم النظام ، يمكنك تجنب الثغرات الأمنية والتخطيط لآليات أمان إنترنت الأشياء الضرورية.

إذا كانت لديك أي أسئلة لم تتم الإجابة عليها أو تريد القفز على عربة إنترنت الأشياء مع القليل من المخاطر أو بدون مخاطر ، فاتصل بفريق تطوير ITRex IoT. سوف يساعدونك في تصميم بنية موثوقة وقابلة للتطوير لدعم الحل المستقبلي الخاص بك.

نُشر في الأصل على https://itrexgroup.com في 10 مايو 2022.