IoTソリューションアーキテクチャ：コンポーネントとアンプの概要デザインのヒント
公開: 2022-05-16企業は、モノのインターネットの流行に飛びつき、IoTコンサルティング会社に目を向け続けています。 Facts＆Factorsによる最近の調査によると、世界のIoT市場は2028年までに1兆8,420億ドルに達し、24.5％のCAGRで成長すると予想されています。 ただし、IoTの展開は簡単ではありません。 Beecham Researchは、すべてのIoTプロジェクトの75％が設定された期待を満たしていないか、失敗していると報告しています。
その一般的な理由は、それに起因する計画と技術的な課題の欠如です。 障害のリスクを回避するのに役立つのは、IoTアーキテクチャの青写真を事前にレイアウトすることです。 このブログ投稿では、IoTアーキテクチャの重要なコンポーネントに光を当て、ITRexのポートフォリオのプロジェクトの例を使用して、IoTアーキテクチャの考案が実際にどのように見えるかを示します。
非常に基本的なことから始めて、すぐに突入しましょう。
IoTアーキテクチャとは何ですか？
IoTアーキテクチャは、ハードウェアとソフトウェアのコンポーネントを組み合わせたものであり、相互作用してスマートなサイバーデジタルシステムを構成します。 これらのコンポーネントは相互に連携して、構築されるIoTソリューションの基盤を構成します。 詳細に入る前に、物事をまっすぐにしましょう。IoTアーキテクチャを設計するための万能のアプローチはありません。 それでも、基本的なレイアウトは、ソリューションに関係なくほぼ同じです。
標準のIoTアーキテクチャ：内部には何がありますか？
一般的なデータ駆動型IoTアプリケーションは、次の4つのレイヤーにまたがる標準のIoTアーキテクチャに依存しています。
- デバイスレイヤー
- ネットワーク層
- サービスおよびアプリケーションサポートレイヤー
- アプリケーション層
ただし、最近、ますます多くの接続システムがエッジ処理に焦点を移し始めており、これにより、従来の4層アーキテクチャに追加のレイヤーが追加されています。 エッジで実行されるアクティビティのシェアは特定の実装によって異なりますが、通常、接続の有効化、および受信データのフィルタリング、集約、保護、処理にまたがります。
デバイスレイヤー
デバイス層は、カメラやセンサー、およびオプションでアクチュエーターで強化された、あらゆる種類のスマートな接続デバイスまたは非電子オブジェクトで構成されます。 センサーは外界からデータを取り込み、それを電気信号に変換して、コンピューターで処理できるようにします。 IoTセンサーのサイズと目的はさまざまです。 温度から動き、湿度など、あらゆる種類の情報を記録できます。 次に、アクチュエータは、接続されたデバイスを処理センターから送信されたコマンドに基づいて動作させます。 アクチュエータがコマンドを取得すると、デバイスは特定の設定された方法で動作します。 たとえば、スマート照明システムは、近くで動きが検出されるとライトをオンにすることができます。
ネットワーク層
ネットワーク層には、デバイス層とIoTアーキテクチャの後続の層を接続するさまざまな通信テクノロジーが含まれます。 問題のIoTソリューションによっては、デバイス接続が直接またはゲートウェイ経由で有効になる場合があります。 後者は、直接接続できないレガシーデバイス、またはプロトコルの不一致がある場合によく適用されます。 最新のIoTソリューションは、次の通信テクノロジーに依存しています。
LPWAN 、つまり低電力ワイドエリアネットワークは、大規模なIoTソリューションをサポートするために特別に構築されました。 LPWANは、エネルギー効率が高く、長持ちし、安価でありながら、広範囲にわたる通信の機会を提供します。 欠点は、LPWANが送信するデータの量が非常に少ないことです。そのため、スマートビルディングや産業用IoTのように、時間に敏感ではなく、高帯域幅を必要としないユースケースに適しています。
Zigbeeは、スマートホームなどの近くにノードが均等に分散された中距離のIoTアプリケーションに最適な短距離無線通信規格です。 LPWANと比較すると、Zigbeeはより高いデータレートを提供しますが、エネルギー効率は低くなります。
セルラーネットワーク（3G / 4G / 5G）は、信頼性の高いブロードバンド通信を提供するため、コネクテッドカー、交通ルーティング、フリート管理、高度なドライバー支援などのユースケースをサポートするのに最適です。 それでも、セルラーネットワークは、バッテリー駆動のセンサーネットワークとうまくペアリングできず、高い運用コストが発生するため、その使用が制限されます。
Bluetoothは短距離通信を提供し、スポーツやヘルスケアのウェアラブル、Internet of Bodyデバイス、スマートホームアプライアンスなどの小規模な消費者向けIoTデバイスに使用されます。
Wi-Fiは高スループットのデータ転送を可能にします。 それでも、カバレッジ、スケーラビリティ、およびエネルギー消費の問題により、Wi-Fiは、大規模なIoTネットワークまたはバッテリー駆動のIoTデバイスにとって実行可能な選択肢ではないことがよくあります。 代わりに、スマートホームガジェット、防犯カメラ、デジタルサイネージなど、電源コンセントに接続するスマートデバイスに適しています。
RFIDは電波を使用して、RFIDタグから近くにあるリーダーに少量のデータを送信します。 この通信技術は、ロジスティクスや小売業で広く使用されています。
エッジコンピューティングレイヤー
エッジ処理レイヤーは、ネットワーク全体に分散したゲートウェイ、ローカルサーバー、またはその他のエッジノードで構成されます。 エッジデバイスの導入の背後にある考え方は、データをソースの近くに保存して処理し、生成されたレコードの一部のみをクラウドに送信するか、データをリアルタイムで転送するのではなく、事前設定された間隔でクラウドに一括アップロードすることです。 データの処理とは別に、エッジレイヤーは、受信情報をフィルタリング、集約、および暗号化できます。
データをローカルで処理することで、生成されたすべてのレコードをクラウドに送信するために必要となる時間とリソースを節約できます。 したがって、そうすることで、レイテンシーが向上し、パフォーマンスが向上します。 エッジレイヤーの追加は、データをリアルタイムで分析する必要があり、組み込みのスケーラビリティと強化されたセキュリティを必要とするIoTユースケース（医療用IoTシステム、CCTVシステム、スマートカーなど）にとって実行可能なオプションです。
サービスおよびアプリケーションサポートレイヤー
これは、IoTデバイスによって収集されたデータの大部分が最終的になる場所です。 そのため、サービスおよびアプリケーションサポートレイヤーは、データの蓄積、処理、および保存に使用されます。 ここでは、2つの重要なプロセスが実行されます。
- データの蓄積： IoTシステムは大量のデータを生成するため、このデータのすべてをすぐに実行する必要はありません。 したがって、IoTアーキテクチャは、生成されたすべての情報を格納し、クレンジングおよびフィルタリングされたレコードのみをデータ管理パイプラインに送信するデータレイクを備えている場合があります。 したがって、この段階の主な目標は、すべてのデータをまとめ、特定の情報がビジネス要件に関連しているかどうかを判断し、一時データベースまたはデータウェアハウスに保存する方法を決定することです。
- データの抽象化：この段階では、IoTデバイスからの情報は、関連する外部ソースからのデータによって増幅されます。 これらには、ERP、EMR、およびその他のエンタープライズシステムが含まれる可能性があります。 統一されたフォーマットに一致するように変換されたデータは、データウェアハウスなどの集中ストレージに渡され、そこで洞察を得るために便利にアクセスできます。
アプリケーション層
アプリケーション層では、IoTデバイスおよび外部ソースからの蓄積、処理、および統合されたデータが分析アルゴリズムを介して実行され、分析の結果がユーザーに提示されます。 アプリケーションの種類は、IoTシステムのビジネス要件によって異なります。 それらには、視覚化された洞察をエンドユーザーに提示したり、アクチュエータ、ビジネスインテリジェンスツール、または機械学習と人工知能に依存する高度な分析ソリューションを介してIoTデバイスを制御したりするWebまたはモバイルアプリケーションが含まれる場合があります。
実際のIoTアーキテクチャの設計：何が待ち受けているのでしょうか？
IoTアーキテクチャの理論的概念に光を当てたので、実際にどのように工夫するかを見てみましょう。 IoTソリューションの構築の特徴を説明するために、ITRexのポートフォリオからのプロジェクトに目を向けます。
私たちのクライアントの1人は、人々がジムで行うのと同じくらい効果的に自宅でトレーニングできるように、スマートフィットネスミラーを構築するというアイデアを私たちに求めました。 ミラーはフィットネスコーチに取って代わり、トレーニングセッションに関するフィードバックを提供し、将来のトレーニングに合わせたトレーニング計画を準備するためにトレーニングをしている人を「監視」します。 ITRexのエンジニアはこの課題に取り組み、ハードウェアからファームウェア、エンドユーザーのモバイルアプリまですべてを網羅するソリューションのアーキテクチャを考案しました。
最終的に設計したアーキテクチャは、エッジコンピューティングに重点を置いていました。 ミラーのセンサーとカメラからのデータの大部分はデバイス自体で処理され、統計情報の一部のみがクラウドに渡されます。
ITRexのCTOであるKirillStashevski氏は、従来のクラウドベースのモデルよりもエッジコンピューティングを優先するという選択について次のように説明しています。 そのため、ミラーに付属し、重みを付けるミラーのカメラと粘着性モーションセンサーからのデータは、生成された場所の近くで分析されます。 これにより、多くの時間を節約し、運用コストを削減できます。 そして、それが成功するIoTアーキテクチャの設計に伴う問題です。選択を行い、仮定をテストして、自分に最適なものを選択する必要があります。」 したがって、ソリューションの高レベルのアーキテクチャは次のようになります。
ミラーには、ワークアウトしている人々の広範なビデオ映像で事前にトレーニングされたAIネットワークが装備されています。 人がワークアウトすると、ミラーの内蔵カメラによって記録され、ビデオ映像は、ワークアウトを参照モデルと比較するAIネットワークを介してすぐに実行されます。
したがって、AIエンジンは、人のトレーニングルーチンが健康であるかどうかに関するリアルタイムの推奨事項を生成し、体重、テクニック、強度など、必要な改善を提案します。 研修生がミラーを使用すると、ビデオ映像が描画されてローカルに展開されたAIネットワークがパーソナライズされるため、提案の品質は時間とともに向上します。
Kirillによると、パーソナライズは、エッジ指向のアーキテクチャを選択したもう1つの理由です。 ミラーが実際に使用されているコンテキストで記録されたビデオに基づいてネットワークをローカルでトレーニングすると、一般的なコンテンツに依存するクラウドでアルゴリズムをトレーニングするよりもはるかに優れた結果が得られます。 エッジ中心のアーキテクチャを選択するもう1つの理由は、データが生成される場所の近くでデータを処理することで、分析のためにネットワークを介してフッテージを転送する必要がなくなるため、プライバシーです。
エッジ指向であるにもかかわらず、ソリューションのアーキテクチャはクラウド部分も備えています。 ただし、その主な目的は、ミラーの使用状況とパフォーマンスに関する統計データを収集することです。 このソリューションのもう1つのコンポーネントは、エンドユーザーがパフォーマンスを記録し、友人と共有し、一緒にトレーニングするためのソーシャルモバイルアプリです。
要約、またはIoTアーキテクチャの青写真を事前に設計することが重要である理由
IoTの採用を考えている場合は、将来のソリューションのために考え抜かれたアーキテクチャを早い段階で考案することが重要です。 不十分に設計されたシステムはスケーラブルではなく、複雑さを処理できませんが、適切に設計されたIoTアーキテクチャでは、将来の計画を立てて次のことを保証できます。
- 保守性。 適切に設計されたIoTシステムは、保守が簡単で安価です。 すべてのコンポーネント、プロセス、および統合の全体像が明確であるため、小さなタスクにジャンプする方が簡単です。 プロジェクトの調達に関しても、適切に設計されたシステムは、新しい才能の持ち込みを容易にし、知識の伝達にかかる時間を短縮します。
- スケーラビリティ。 初期アーキテクチャが計画されているため、IoTシステムを垂直方向と水平方向の両方に拡張し、新しい機能を導入したり、エンドノードを追加したりすることが簡単になります。
- コスト効率。 IoTシステムを徹底的に設計するために時間を割くことで、テクノロジーの選択を改善し、IoTソリューションの開発コストと運用コストを削減できます。
- ハイパフォーマンス。 明確なアーキテクチャビジョンを持つことは、より良いデータフローを構築するのに役立つだけでなく、適切なツールを使用して受信データを処理するのに役立ち、より高いシステムパフォーマンスを達成するのに役立ちます。
- 相互運用性。 IoTアーキテクチャは、常に適切にペアリングされるとは限らない異なる通信プロトコルを使用して、複数のデバイスにまたがる可能性があります。 考え抜かれたIoTアーキテクチャは、さまざまなデバイスとコンポーネントがスムーズに連携することを保証するのに役立ちます。
- 安全。 システム設計に初期の努力を投資することで、セキュリティの抜け穴を回避し、必要なIoTセキュリティメカニズムを計画することができます。
未回答の質問がある場合、またはリスクをほとんどまたはまったく伴わずにIoTの時流に乗りたい場合は、ITRexIoT開発チームに連絡してください。 これらは、将来のソリューションを強化するための信頼性が高くスケーラブルなアーキテクチャを設計するのに役立ちます。
もともとは2022年5月10日にhttps://itrexgroup.comで公開されました。