Architettura della soluzione IoT: una panoramica dei componenti & Suggerimenti per la progettazione

Le aziende continuano a saltare sul carro dell'Internet delle cose e si rivolgono a società di consulenza IoT. Secondo una recente ricerca di Facts & Factors, il mercato globale dell'IoT dovrebbe raggiungere i 1.842 miliardi di dollari entro il 2028, crescendo a un CAGR del 24,5%. Tuttavia, implementare l'IoT non è facile. Beecham Research riporta che il 75% di tutti i progetti IoT non soddisfa le aspettative stabilite o fallisce.

Una ragione comune è la mancanza di pianificazione e di sfide tecniche che ne derivano. Ciò che aiuta a scongiurare il rischio di fallimento è definire in anticipo un progetto per un'architettura IoT. In questo post del blog, facciamo luce sui componenti essenziali di un'architettura IoT e mostriamo come può apparire in pratica l'ideazione di un'architettura IoT utilizzando un esempio di un progetto dal portafoglio di ITRex.

Entriamo subito, partendo dalle basi.

Che cos'è un'architettura IoT?

Un'architettura IoT è un mix di componenti hardware e software che interagiscono tra loro per creare un sistema cyber-digitale intelligente. Interoperando tra loro, questi componenti costituiscono la base su cui costruire una soluzione IoT. Prima di entrare nei dettagli, chiariamo le cose: non esiste un approccio valido per tutti alla progettazione di un'architettura IoT. Tuttavia, il layout di base rimane sostanzialmente lo stesso, indipendentemente dalla soluzione.

Architettura IoT standard: cosa c'è sotto il cofano?

Le comuni applicazioni IoT basate sui dati si basano su un'architettura IoT standard che si estende su quattro livelli:

• Livello del dispositivo
• Livello di rete
• Livello di supporto del servizio e dell'applicazione
• Livello di applicazione

Di recente, tuttavia, sempre più sistemi connessi hanno iniziato a spostare l'attenzione sull'elaborazione edge, il che ha portato all'aggiunta di un livello aggiuntivo a un'architettura tradizionale a quattro livelli. La quota di attività eseguite a livello perimetrale dipende da una particolare implementazione, ma in genere copre l'abilitazione della connettività, nonché il filtraggio, l'aggregazione, la protezione e l'elaborazione dei dati in entrata.

Livello del dispositivo

Il livello del dispositivo comprende tutti i tipi di dispositivi intelligenti, connessi o oggetti non elettronici che sono migliorati con fotocamere e/o sensori e, opzionalmente, attuatori. I sensori raccolgono dati dal mondo esterno e li convertono in segnali elettrici in modo che possano essere elaborati da un computer. I sensori IoT variano per dimensioni e scopo. Sono in grado di registrare tutti i tipi di informazioni, dalla temperatura al movimento, all'umidità e altro ancora. Gli attuatori, a loro volta, fanno agire i dispositivi collegati su comandi inviati dal centro di elaborazione. Una volta che un attuatore riceve un comando, fa sì che un dispositivo si comporti in un determinato modo impostato. Un sistema di illuminazione intelligente, ad esempio, potrebbe accendere le luci quando viene rilevato un movimento nelle vicinanze.

Livello di rete

Il livello di rete comprende diverse tecnologie di comunicazione che collegano il livello del dispositivo e i livelli successivi dell'architettura IoT. A seconda della soluzione IoT in questione, la connettività dei dispositivi può essere abilitata direttamente o tramite gateway. Quest'ultimo si applica spesso ai dispositivi legacy che non riescono a essere collegati direttamente o quando c'è una mancata corrispondenza del protocollo. Le moderne soluzioni IoT si basano sulle seguenti tecnologie di comunicazione:

Le LPWAN , o Low Power Wide Area Network, sono state create appositamente per supportare soluzioni IoT su larga scala. LPWAN offre opportunità per comunicazioni di vasta portata pur essendo efficiente dal punto di vista energetico, di lunga durata ed economico. Lo svantaggio è che le LPWAN trasmettono solo piccoli volumi di dati a una velocità piuttosto bassa, quindi sono più adatte per casi d'uso che non sono sensibili al tempo e non richiedono un'elevata larghezza di banda, come edifici intelligenti o IoT industriale.

Zigbee è uno standard di comunicazione wireless a corto raggio più adatto per applicazioni IoT a medio raggio con nodi distribuiti uniformemente nelle vicinanze, ad esempio case intelligenti. Rispetto a LPWAN, Zigbee offre velocità di trasmissione dati più elevate ma è meno efficiente dal punto di vista energetico.

Le reti cellulari (3G/4G/5G) offrono comunicazioni a banda larga affidabili, quindi sono adatte a supportare casi d'uso come auto connesse, instradamento del traffico, gestione della flotta o assistenza avanzata alla guida. Tuttavia, le reti cellulari non si accoppiano bene con le reti di sensori alimentate a batteria e comportano costi operativi elevati, il che ne limita l'uso.

Bluetooth fornisce comunicazioni a corto raggio e viene utilizzato per dispositivi IoT di consumo su piccola scala, come dispositivi indossabili sportivi o sanitari, dispositivi Internet of Body ed elettrodomestici intelligenti.

Il Wi-Fi consente il trasferimento di dati ad alta velocità. Tuttavia, a causa di problemi di copertura, scalabilità e consumo energetico, il Wi-Fi spesso non è una scelta fattibile per reti IoT estese o dispositivi IoT alimentati a batteria. Invece, è più adatto per dispositivi intelligenti che si collegano a una presa di corrente, come gadget per la casa intelligente, telecamere di sicurezza o segnaletica digitale.

RFID utilizza le onde radio per trasmettere piccoli volumi di dati da un tag RFID a un lettore situato nelle vicinanze. Questa tecnologia di comunicazione è ampiamente utilizzata nella logistica e nella vendita al dettaglio.

Livello di edge computing

Un livello di elaborazione perimetrale è costituito da gateway, server locali o altri nodi perimetrali sparsi nella rete. L'idea alla base dell'introduzione dei dispositivi periferici è quella di archiviare ed elaborare i dati vicino alla loro origine, inviando solo una parte dei record generati al cloud o caricando in blocco i dati nel cloud a intervalli prestabiliti invece di trasferirli in tempo reale. Oltre all'elaborazione dei dati, il livello perimetrale potrebbe filtrare, aggregare e crittografare le informazioni in entrata.

L'elaborazione dei dati in locale consente di risparmiare tempo e risorse che altrimenti sarebbero necessarie per trasmettere tutti i record generati al cloud. In questo modo, quindi, si ottiene una migliore latenza e prestazioni più elevate. L'aggiunta di un edge layer è un'opzione praticabile per i casi d'uso IoT che richiedono l'analisi dei dati in tempo reale e richiedono scalabilità integrata e sicurezza avanzata, ad esempio sistemi IoT medici, sistemi TVCC o auto intelligenti.

Livello di supporto del servizio e dell'applicazione

È qui che finisce la maggior parte dei dati raccolti dai dispositivi IoT. Pertanto, il livello di supporto del servizio e dell'applicazione viene utilizzato per accumulare, elaborare e archiviare i dati. Qui avvengono due processi essenziali:

• Accumulo di dati: i sistemi IoT generano enormi volumi di dati e non tutti questi dati devono essere messi in atto immediatamente. Pertanto, un'architettura IoT può presentare un data lake per archiviare tutte le informazioni generate e inviare solo record puliti e filtrati lungo la pipeline di gestione dei dati. Quindi, l'obiettivo principale di questa fase è riunire tutti i dati, capire se una particolare informazione è rilevante per i requisiti aziendali e decidere come archiviarla, in un database temporaneo o in un data warehouse.
• Astrazione dei dati: in questa fase, le informazioni dai dispositivi IoT vengono amplificate dai dati provenienti da fonti esterne pertinenti. Questi potrebbero includere ERP, EMR e altri sistemi aziendali. Trasformati per adattarsi alla formattazione unificata, i dati passano allo storage centralizzato, ad esempio un data warehouse, dove è possibile accedervi comodamente per approfondimenti.

Livello di applicazione

A livello di applicazione, i dati accumulati, elaborati e integrati dai dispositivi IoT e da fonti esterne vengono gestiti tramite algoritmi di analisi e i risultati dell'analisi vengono presentati agli utenti. I tipi di applicazioni variano a seconda dei requisiti aziendali di un sistema IoT. Possono includere applicazioni Web o mobili che presentano informazioni dettagliate agli utenti finali o controllano i dispositivi IoT tramite attuatori, strumenti di business intelligence o soluzioni di analisi avanzate che si basano sull'apprendimento automatico e sull'intelligenza artificiale.

Progettare un'architettura IoT in pratica: cosa ci aspetta?

Ora che abbiamo fatto luce sul concetto teorico di architettura IoT, vediamo come potrebbe essere idearne una nella pratica. Per illustrare le peculiarità della realizzazione di soluzioni IoT, passeremo a un progetto del portfolio di ITRex.

Uno dei nostri clienti si è rivolto a noi con l'idea di costruire uno specchio fitness intelligente per aiutare le persone ad allenarsi a casa con la stessa efficacia che fanno in palestra. Lo specchio sostituirebbe un allenatore di fitness, "guardando" una persona che si allena per fornire feedback sulle sessioni di allenamento e preparare piani di allenamento su misura per gli allenamenti futuri. Gli ingegneri di ITRex hanno accettato la sfida e hanno ideato un'architettura per la soluzione, abbracciando qualsiasi cosa, dall'hardware al firmware, alle app mobili per l'utente finale.

L'architettura che abbiamo finito per progettare si è concentrata fortemente sull'edge computing. La maggior parte dei dati provenienti dai sensori e dalle fotocamere dello specchio viene elaborata sul dispositivo stesso e solo una parte delle informazioni statistiche viene trasferita al cloud.

Kirill Stashevski, CTO di ITRex, spiega la scelta di dare la priorità all'edge computing rispetto ai modelli tradizionali basati su cloud: “Abbiamo testato entrambi gli approcci e l'edge computing ha vinto in termini di prestazioni più elevate. Quindi, i dati delle telecamere dello specchio e dei sensori di movimento adesivi che accompagnano lo specchio e i pesi vengono analizzati vicino a dove vengono generati. Ciò consente di risparmiare un sacco di tempo e aiuta a ridurre le spese operative. E questo è il punto con la progettazione di architetture IoT di successo: devi fare scelte e testare ipotesi, scegliendo ciò che funziona meglio per te". L'architettura di alto livello per la soluzione, quindi, si presenta come segue:

Il mirror è dotato di reti di intelligenza artificiale pre-addestrate su ampie riprese video di persone che si allenano. Quando una persona si allena, viene registrata dalle telecamere integrate nello specchio e il filmato viene immediatamente eseguito attraverso le reti di intelligenza artificiale che confrontano l'allenamento con un modello di riferimento.

Il motore di intelligenza artificiale, quindi, genera raccomandazioni in tempo reale sul fatto che la routine di allenamento di una persona sia salutare e suggerisce i miglioramenti necessari, che si tratti di pesi, tecnica o intensità. Quando un tirocinante utilizza lo specchio, le riprese video vengono utilizzate per personalizzare le reti di intelligenza artificiale distribuite localmente, quindi la qualità dei suggerimenti migliora con il tempo.

Secondo Kirill, la personalizzazione è un altro motivo per cui abbiamo optato per un'architettura edge-oriented. L'addestramento delle reti in locale sulla base di video registrati nel contesto in cui viene effettivamente utilizzato il mirror produce risultati di gran lunga migliori rispetto all'addestramento degli algoritmi nel cloud basandosi su contenuti generici. Un altro motivo per scegliere un'architettura edge-centered è la privacy, poiché l'elaborazione dei dati vicino a dove vengono generati evita la necessità di trasferire filmati attraverso la rete per l'analisi.

Nonostante sia orientata all'edge, l'architettura della soluzione include anche la parte cloud. Tuttavia, il suo scopo principale è raccogliere dati statistici sull'utilizzo e sulle prestazioni dei mirror. Un altro componente della soluzione è un'app mobile social che consente agli utenti finali di registrare le proprie prestazioni, condividerle con gli amici e allenarsi insieme.

Un riepilogo o perché è fondamentale progettare in anticipo un progetto per un'architettura IoT

Se hai intenzione di adottare l'IoT, è fondamentale escogitare presto un'architettura ponderata per la soluzione futura. I sistemi mal progettati non sono scalabili e non possono gestire la complessità, mentre un'architettura IoT ben progettata consentirebbe di pianificare il futuro e garantire:

• Manutenibilità. I sistemi IoT ben progettati sono più facili ed economici da mantenere. Poiché il quadro più ampio con tutti i componenti, i processi e le integrazioni è chiaro, è più semplice passare a compiti più piccoli. Quando si tratta di approvvigionamento di progetti, anche sistemi ben architettati facilitano l'inserimento di nuovi talenti e riducono il tempo necessario per trasferire le conoscenze.
• Scalabilità. Con l'architettura iniziale pianificata, diventa più semplice ridimensionare il sistema IoT sia verticalmente che orizzontalmente, introducendo nuove funzionalità o aggiungendo più nodi finali.
• Efficienza dei costi. Dedicare tempo alla progettazione completa del tuo sistema IoT aiuta a fare scelte tecnologiche migliori, riducendo così i costi di sviluppo e operativi delle soluzioni IoT.
• Alte prestazioni. Avere una chiara visione dell'architettura aiuta a costruire flussi di dati migliori, oltre a elaborare i dati in entrata con strumenti appropriati, il che aiuta a ottenere prestazioni di sistema più elevate.
• Interoperabilità. Un'architettura IoT potrebbe estendersi su più dispositivi utilizzando protocolli di comunicazione diversi che non sempre si accoppiano bene tra loro. Un'architettura IoT ponderata aiuta a garantire che dispositivi e componenti diversi funzionino senza problemi insieme.
• Sicurezza. Investendo lo sforzo iniziale nella progettazione del sistema, è possibile evitare lacune nella sicurezza e pianificare i meccanismi di sicurezza IoT necessari.

Se hai domande senza risposta o vuoi saltare sul carro dell'IoT senza rischi, contatta il team di sviluppo di ITRex IoT. Ti aiuteranno a progettare un'architettura affidabile e scalabile per alimentare la tua soluzione futura.

Pubblicato originariamente su https://itrexgroup.com il 10 maggio 2022.