Arquitectura de solución de IoT: una descripción general de los componentes &Amp; Consejos de diseño

Las empresas continúan subiéndose al carro de Internet de las cosas y recurriendo a las empresas de consultoría de IoT. Según una investigación reciente de Facts & Factors, se espera que el mercado global de IoT alcance los $ 1,842 mil millones para 2028, creciendo a una CAGR del 24,5%. Sin embargo, implementar IoT no es fácil. Beecham Research informa que el 75% de todos los proyectos de IoT no cumplen con las expectativas establecidas o fallan.

Una razón común para ello es la falta de planificación y los desafíos técnicos que se derivan de ello. Lo que ayuda a evitar el riesgo de fallas es diseñar un plan para una arquitectura de IoT por adelantado. En esta publicación de blog, arrojamos luz sobre los componentes esenciales de una arquitectura de IoT y mostramos cómo se puede diseñar una arquitectura de IoT en la práctica utilizando un ejemplo de un proyecto de la cartera de ITRex.

Empecemos de lleno, empezando por lo básico.

¿Qué es una arquitectura IoT?

Una arquitectura IoT es una combinación de componentes de hardware y software que interactúan entre sí para formar un sistema cibernético inteligente. Al interoperar entre sí, estos componentes constituyen una base para construir una solución de IoT. Antes de sumergirnos en los detalles, aclaremos las cosas: no existe un enfoque único para diseñar una arquitectura de IoT. Aún así, el diseño básico permanece prácticamente igual sin importar la solución.

Arquitectura IoT estándar: ¿qué hay debajo del capó?

Las aplicaciones comunes de IoT basadas en datos se basan en una arquitectura de IoT estándar que abarca cuatro capas:

• Capa de dispositivo
• Capa de red
• Capa de soporte de servicios y aplicaciones
• Capa de aplicación

Sin embargo, recientemente, más y más sistemas conectados han comenzado a cambiar el enfoque hacia el procesamiento de borde, lo que ha llevado a agregar una capa adicional a una arquitectura tradicional de cuatro niveles. La proporción de actividades realizadas en el borde depende de una implementación en particular, pero generalmente abarca la habilitación de la conectividad, así como el filtrado, la agregación, la protección y el procesamiento de los datos entrantes.

Capa de dispositivo

La capa de dispositivos comprende todo tipo de dispositivos conectados inteligentes u objetos no electrónicos que se mejoran con cámaras y/o sensores y, opcionalmente, actuadores. Los sensores toman datos del mundo exterior y los convierten en señales eléctricas para que puedan ser procesados ​​por una computadora. Los sensores de IoT varían en tamaño y propósito. Son capaces de registrar todo tipo de información, desde temperatura hasta movimiento, humedad y más. Los actuadores, a su vez, hacen que los dispositivos conectados actúen según los comandos enviados desde el centro de procesamiento. Una vez que un actuador recibe un comando, hace que un dispositivo se comporte de cierta manera establecida. Un sistema de iluminación inteligente, por ejemplo, podría encender las luces una vez que se detecta un movimiento cerca.

Capa de red

La capa de red abarca diferentes tecnologías de comunicación que conectan la capa de dispositivo y las capas posteriores de la arquitectura IoT. Según la solución de IoT en cuestión, la conectividad del dispositivo puede habilitarse directamente o mediante puertas de enlace. Esto último a menudo se aplica a los dispositivos heredados que no se pueden conectar directamente o cuando hay una discrepancia de protocolo. Las soluciones modernas de IoT se basan en las siguientes tecnologías de comunicación:

Las LPWAN , o redes de área amplia de baja potencia, se crearon específicamente para admitir soluciones de IoT a gran escala. LPWAN brinda oportunidades para una comunicación de largo alcance a la vez que es eficiente en el consumo de energía, duradero y económico. La desventaja es que las LPWAN solo transmiten pequeños volúmenes de datos a una velocidad bastante baja, por lo que son más adecuadas para casos de uso que no son sensibles al tiempo y no requieren un gran ancho de banda, como edificios inteligentes o IoT industrial.

Zigbee es un estándar de comunicación inalámbrica de corto alcance que es más adecuado para aplicaciones de IoT de alcance medio con nodos distribuidos uniformemente cerca, por ejemplo, hogares inteligentes. En comparación con LPWAN, Zigbee proporciona velocidades de datos más altas pero es menos eficiente energéticamente.

Las redes celulares (3G/4G/5G) ofrecen una comunicación de banda ancha confiable, por lo que son adecuadas para admitir casos de uso como automóviles conectados, enrutamiento de tráfico, gestión de flotas o asistencia avanzada al conductor. Aún así, las redes celulares no combinan bien con las redes de sensores que funcionan con baterías e incurren en altos costos operativos, lo que limita su uso.

Bluetooth proporciona comunicación de corto alcance y se utiliza para dispositivos IoT de consumo a pequeña escala, como dispositivos portátiles deportivos o de atención médica, dispositivos de Internet del cuerpo y electrodomésticos inteligentes.

Wi-Fi permite la transferencia de datos de alto rendimiento. Aún así, debido a problemas de cobertura, escalabilidad y consumo de energía, Wi-Fi a menudo no es una opción factible para redes IoT expansivas o dispositivos IoT que funcionan con baterías. En cambio, es más adecuado para dispositivos inteligentes que se conectan a una toma de corriente, como dispositivos domésticos inteligentes, cámaras de seguridad o señalización digital.

RFID utiliza ondas de radio para transmitir pequeños volúmenes de datos desde una etiqueta RFID a un lector ubicado cerca. Esta tecnología de comunicación es ampliamente utilizada en logística y comercio minorista.

Capa informática perimetral

Una capa de procesamiento perimetral consta de puertas de enlace, servidores locales u otros nodos perimetrales dispersos por la red. La idea detrás de la introducción de dispositivos de borde es almacenar y procesar datos cerca de su fuente, enviando solo una parte de los registros generados a la nube o cargando datos de forma masiva a la nube a intervalos preestablecidos en lugar de transferirlos en tiempo real. Además de procesar datos, la capa de borde podría filtrar, agregar y cifrar la información entrante.

El procesamiento de datos localmente ayuda a ahorrar tiempo y recursos que, de otro modo, serían necesarios para transmitir todos los registros generados a la nube. Si lo hace, por lo tanto, da como resultado una mejor latencia y un mayor rendimiento. Agregar una capa de borde es una opción viable para los casos de uso de IoT que necesitan que los datos se analicen en tiempo real y requieren escalabilidad integrada y seguridad mejorada, por ejemplo, sistemas médicos de IoT, sistemas de CCTV o automóviles inteligentes.

Capa de soporte de servicios y aplicaciones

Aquí es donde termina la mayoría de los datos recopilados por los dispositivos IoT. Por lo tanto, la capa de soporte de aplicaciones y servicios se utiliza para acumular, procesar y almacenar datos. Aquí tienen lugar dos procesos esenciales:

• Acumulación de datos: los sistemas IoT generan grandes volúmenes de datos, y no todos estos datos deben ponerse en acción de inmediato. Por lo tanto, una arquitectura de IoT puede presentar un lago de datos para almacenar toda la información generada y solo enviar registros limpios y filtrados por la canalización de administración de datos. Por lo tanto, el objetivo principal de esta etapa es reunir todos los datos, determinar si una información en particular es relevante para los requisitos comerciales y decidir cómo se debe almacenar: en una base de datos temporal o en un almacén de datos.
• Abstracción de datos: en esta etapa, la información de los dispositivos IoT se amplifica con los datos de fuentes externas relevantes. Estos podrían incluir ERP, EMR y otros sistemas empresariales. Transformados para coincidir con el formato unificado, los datos se transfieren al almacenamiento centralizado, por ejemplo, un almacén de datos, donde se puede acceder convenientemente para obtener información.

Capa de aplicación

En la capa de aplicación, los datos acumulados, procesados ​​e integrados de dispositivos IoT y fuentes externas se ejecutan a través de algoritmos analíticos y los resultados del análisis se presentan a los usuarios. Los tipos de aplicaciones varían según los requisitos comerciales de un sistema IoT. Pueden incluir aplicaciones web o móviles que presentan información visualizada a los usuarios finales o controlan dispositivos IoT a través de actuadores, herramientas de inteligencia comercial o soluciones de análisis avanzado que se basan en el aprendizaje automático y la inteligencia artificial.

Diseño de una arquitectura IoT en la práctica: ¿qué nos depara el futuro?

Ahora que hemos arrojado luz sobre el concepto teórico de una arquitectura IoT, veamos cómo sería diseñar una en la práctica. Para ilustrar las peculiaridades de la construcción de soluciones de IoT, recurriremos a un proyecto de la cartera de ITRex.

Uno de nuestros clientes recurrió a nosotros con la idea de construir un espejo de fitness inteligente para ayudar a las personas a entrenar en casa con la misma eficacia que lo hacen en un gimnasio. El espejo reemplazaría a un preparador físico, "observando" a una persona que se ejercita para brindar retroalimentación sobre las sesiones de entrenamiento y preparar planes de entrenamiento personalizados para futuros entrenamientos. Los ingenieros de ITRex aceptaron el desafío e idearon una arquitectura para la solución, que abarcaba todo, desde hardware hasta firmware y aplicaciones móviles para usuarios finales.

La arquitectura que terminamos diseñando se centró en gran medida en la informática perimetral. La mayoría de los datos de los sensores y cámaras del espejo se procesan en el propio dispositivo, y solo una parte de la información estadística se pasa a la nube.

Kirill Stashevski, CTO de ITRex, explica la elección de priorizar la computación perimetral sobre los modelos tradicionales basados ​​en la nube: “Probamos ambos enfoques, y la computación perimetral ganó en términos de brindar un mayor rendimiento. Entonces, los datos de las cámaras del espejo y los sensores de movimiento adhesivos que acompañan al espejo y van sobre las pesas se analizan cerca de donde se generan. Esto ahorra mucho tiempo y ayuda a reducir los gastos operativos. Y ese es el problema con el diseño de arquitecturas de IoT exitosas: debe tomar decisiones y probar suposiciones, eligiendo lo que funciona mejor para usted”. La arquitectura de alto nivel para la solución, por lo tanto, se ve de la siguiente manera:

El espejo está equipado con redes de IA que están previamente entrenadas en extensos videos de personas haciendo ejercicio. A medida que una persona se ejercita, las cámaras integradas en el espejo las graban y las imágenes de video se ejecutan inmediatamente a través de las redes de IA que comparan el ejercicio con un modelo de referencia.

El motor de IA, por lo tanto, genera recomendaciones en tiempo real sobre si la rutina de ejercicios de una persona es saludable y sugiere las mejoras necesarias, ya sea en peso, técnica o intensidad. A medida que un alumno usa el espejo, se recurre a secuencias de video para personalizar las redes de IA implementadas localmente, por lo que la calidad de las sugerencias mejora con el tiempo.

Según Kirill, la personalización es otra razón por la que optamos por una arquitectura orientada al borde. Entrenar las redes localmente en función de videos grabados en el contexto en el que se usa realmente el espejo produce resultados mucho mejores que entrenar los algoritmos en la nube basándose en contenido genérico. Otra razón para elegir una arquitectura centrada en el borde es la privacidad, ya que el procesamiento de los datos cerca de donde se generan evita la necesidad de transferir imágenes a través de la red para su análisis.

A pesar de estar orientada al borde, la arquitectura de la solución también presenta la parte de la nube. Sin embargo, su objetivo principal es recopilar datos estadísticos sobre el uso y el rendimiento de los espejos. Otro componente de la solución es una aplicación móvil social para que los usuarios finales registren su desempeño, lo compartan con amigos y entrenen juntos.

Un resumen, o por qué es crucial diseñar un modelo para una arquitectura IoT por adelantado

Si tiene en mente adoptar IoT, es crucial que diseñe una arquitectura pensada para la solución futura desde el principio. Los sistemas mal diseñados no son escalables y no pueden manejar la complejidad, mientras que una arquitectura IoT bien diseñada le permitiría planificar para el futuro y garantizar:

• Mantenibilidad. Los sistemas de IoT bien diseñados son más fáciles y económicos de mantener. Dado que el panorama general con todos los componentes, procesos e integraciones es claro, es más sencillo pasar a tareas más pequeñas. Cuando se trata de la contratación de proyectos, los sistemas bien diseñados también facilitan la incorporación de nuevos talentos y reducen el tiempo que lleva transferir conocimientos.
• Escalabilidad. Con la arquitectura inicial planeada, se vuelve más simple escalar el sistema IoT tanto vertical como horizontalmente, incorporando nuevas funciones o agregando más nodos finales.
• Eficiencia de costo. Dedicar tiempo a diseñar minuciosamente su sistema IoT ayuda a tomar mejores decisiones tecnológicas, lo que reduce los costos operativos y de desarrollo de las soluciones IoT.
• Alto rendimiento. Tener una visión arquitectónica clara ayuda a construir mejores flujos de datos, así como a procesar los datos entrantes con las herramientas adecuadas, lo que ayuda a lograr un mayor rendimiento del sistema.
• Interoperabilidad. Una arquitectura de IoT podría abarcar múltiples dispositivos utilizando diferentes protocolos de comunicación que no siempre se combinan bien. Una arquitectura de IoT pensada ayuda a garantizar que los diferentes dispositivos y componentes funcionen juntos sin problemas.
• Seguridad. Al invertir un esfuerzo inicial en el diseño del sistema, podría evitar lagunas de seguridad y planificar los mecanismos de seguridad de IoT necesarios.

Si tiene alguna pregunta sin respuesta o desea subirse al carro de IoT con poco o ningún riesgo, comuníquese con el equipo de desarrollo de ITRex IoT. Lo ayudarán a diseñar una arquitectura confiable y escalable para potenciar su solución futura.

Publicado originalmente en https://itrexgroup.com el 10 de mayo de 2022.