IoT 솔루션 아키텍처: 구성 요소 개요 &Amp; 디자인 팁

기업들은 계속해서 사물 인터넷 시대에 뛰어들어 IoT 컨설팅 회사로 눈을 돌리고 있습니다. Facts & Factors의 최근 연구에 따르면 글로벌 IoT 시장은 2028년까지 1조 8,420억 달러에 이를 것으로 예상되며, CAGR 24.5%로 성장할 것으로 예상됩니다. 그러나 IoT를 출시하는 것은 쉽지 않습니다. Beecham Research는 모든 IoT 프로젝트의 75%가 설정된 기대치를 충족하지 못하거나 실패하고 있다고 보고합니다.

그 일반적인 이유는 계획의 부족과 그로 인한 기술적 문제입니다. 실패 위험을 피하는 데 도움이 되는 것은 IoT 아키텍처에 대한 청사진을 미리 설정하는 것입니다. 이 블로그 게시물에서 우리는 IoT 아키텍처의 필수 구성 요소에 대해 설명하고 ITRex 포트폴리오의 프로젝트 예를 사용하여 IoT 아키텍처를 고안하는 것이 실제로 어떻게 보일지 보여줍니다.

아주 기본적인 것부터 시작하여 바로 들어가 보겠습니다.

IoT 아키텍처란?

IoT 아키텍처는 스마트 사이버 디지털 시스템을 구성하기 위해 함께 상호 작용하는 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소의 혼합입니다. 서로 상호 운용되는 이러한 구성 요소는 구축할 IoT 솔루션의 기반을 구성합니다. 세부 사항을 살펴보기 전에 사물을 똑바로 짚고 넘어가겠습니다. IoT 아키텍처를 설계하는 데 모든 것을 적용할 수 있는 접근 방식은 없습니다. 그러나 기본 레이아웃은 솔루션에 관계없이 거의 동일하게 유지됩니다.

표준 IoT 아키텍처: 내부에 무엇이 있습니까?

일반적인 데이터 기반 IoT 애플리케이션은 4개 계층에 걸쳐 있는 표준 IoT 아키텍처에 의존합니다.

• 장치 계층
• 네트워크 계층
• 서비스 및 애플리케이션 지원 계층
• 애플리케이션 레이어

그러나 최근에는 점점 더 많은 연결된 시스템이 에지 처리로 초점을 이동하기 시작했으며, 이로 인해 기존의 4계층 아키텍처에 추가 계층이 추가되었습니다. 에지에서 수행되는 활동의 몫은 특정 구현에 따라 다르지만 일반적으로 연결 활성화와 수신 데이터 필터링, 집계, 보안 및 처리에 걸쳐 있습니다.

장치 계층

장치 계층은 카메라 및/또는 센서 및 선택적으로 액추에이터로 향상되는 모든 종류의 스마트 연결된 장치 또는 비전자 물체로 구성됩니다. 센서는 외부 세계에서 데이터를 가져와 컴퓨터에서 처리할 수 있도록 전기 신호로 변환합니다. IoT 센서는 크기와 목적이 다양합니다. 온도에서 움직임, 습도 등 모든 유형의 정보를 기록할 수 있습니다. 액츄에이터는 차례로 연결된 장치가 처리 센터에서 보낸 명령에 따라 작동하도록 합니다. 액츄에이터가 명령을 받으면 장치가 특정 설정 방식으로 동작하도록 합니다. 예를 들어 스마트 조명 시스템은 근처에서 움직임이 감지되면 조명을 켤 수 있습니다.

네트워크 계층

네트워크 계층은 디바이스 계층과 IoT 아키텍처의 후속 계층을 연결하는 다양한 통신 기술을 포함합니다. 해당 IoT 솔루션에 따라 장치 연결이 직접 또는 게이트웨이를 통해 활성화될 수 있습니다. 후자는 종종 직접 연결에 실패하거나 프로토콜 불일치가 있는 레거시 장치에 적용됩니다. 최신 IoT 솔루션은 다음 통신 기술에 의존합니다.

LPWAN 또는 저전력 광역 네트워크는 대규모 IoT 솔루션을 지원하기 위해 특별히 제작되었습니다. LPWAN은 에너지 효율적이고 오래 지속되며 저렴하면서도 광범위한 통신 기회를 제공합니다. 단점은 LPWAN이 매우 낮은 속도로 소량의 데이터만 전송하므로 스마트 빌딩이나 산업용 IoT와 같이 시간에 민감하지 않고 고대역폭이 필요하지 않은 사용 사례에 더 적합하다는 것입니다.

Zigbee 는 스마트 홈과 같이 근처에 노드가 고르게 분포되어 있는 중거리 IoT 애플리케이션에 가장 적합한 근거리 무선 통신 표준입니다. LPWAN과 비교할 때 Zigbee는 더 높은 데이터 속도를 제공하지만 에너지 효율성은 떨어집니다.

셀룰러 네트워크 (3G/4G/5G)는 안정적인 광대역 통신을 제공하므로 커넥티드 카, 트래픽 라우팅, 차량 관리 또는 고급 운전자 지원과 같은 사용 사례를 지원하는 데 적합합니다. 그러나 셀룰러 네트워크는 배터리로 작동되는 센서 네트워크와 잘 짝을 이루지 못하고 높은 운영 비용을 초래하여 사용이 제한됩니다.

블루투스 는 근거리 통신을 제공하며 스포츠나 헬스케어 웨어러블과 같은 소규모 소비자 IoT 기기, 신체 인터넷 기기, 스마트 가전 기기에 사용됩니다.

Wi-Fi 는 높은 처리량의 데이터 전송을 가능하게 합니다. 그러나 커버리지, 확장성 및 에너지 소비 문제로 인해 Wi-Fi는 종종 광범위한 IoT 네트워크 또는 배터리로 작동되는 IoT 장치에 적합한 선택이 아닙니다. 대신 스마트 홈 기기, 보안 카메라 또는 디지털 사이니지와 같이 전원 콘센트에 연결되는 스마트 장치에 더 적합합니다.

RFID 는 무선 전파를 사용하여 RFID 태그에서 근처에 있는 판독기로 소량의 데이터를 전송합니다. 이 통신 기술은 물류 및 소매업에서 널리 사용됩니다.

엣지 컴퓨팅 레이어

에지 처리 계층은 게이트웨이, 로컬 서버 또는 네트워크에 흩어져 있는 기타 에지 노드로 구성됩니다. 에지 장치 도입의 배경은 데이터를 소스에 가깝게 저장 및 처리하고, 생성된 레코드의 일부만 클라우드로 전송하거나 데이터를 실시간으로 전송하는 대신 사전 설정된 간격으로 클라우드에 대량 업로드하는 것입니다. 데이터 처리와는 별도로 에지 계층은 들어오는 정보를 필터링, 집계 및 암호화할 수 있습니다.

로컬에서 데이터를 처리하면 생성된 모든 레코드를 클라우드로 전송하는 데 필요한 시간과 리소스를 절약할 수 있습니다. 따라서 지연 시간과 성능이 향상됩니다. 에지 레이어를 추가하는 것은 실시간으로 데이터를 분석해야 하고 내장된 확장성과 보안 강화가 필요한 IoT 사용 사례(예: 의료 IoT 시스템, CCTV 시스템 또는 스마트 자동차)에 실행 가능한 옵션입니다.

서비스 및 애플리케이션 지원 계층

IoT 장치가 수집한 대부분의 데이터는 여기에서 끝납니다. 따라서 서비스 및 응용 프로그램 지원 계층은 데이터를 축적, 처리 및 저장하는 데 사용됩니다. 여기에서 두 가지 필수 프로세스가 발생합니다.

• 데이터 축적: IoT 시스템은 엄청난 양의 데이터를 생성하며 이 모든 데이터를 즉시 실행해야 하는 것은 아닙니다. 따라서 IoT 아키텍처는 생성된 모든 정보를 저장하고 정제되고 필터링된 레코드만 데이터 관리 파이프라인으로 보내는 데이터 레이크를 특징으로 할 수 있습니다. 따라서 이 단계의 주요 목표는 모든 데이터를 통합하고, 특정 정보가 비즈니스 요구 사항과 관련이 있는지 파악하고, 임시 데이터베이스 또는 데이터 웨어하우스에 저장하는 방법을 결정하는 것입니다.
• 데이터 추상화: 이 단계에서 IoT 장치의 정보는 관련 외부 소스의 데이터로 증폭됩니다. 여기에는 ERP, EMR 및 기타 엔터프라이즈 시스템이 포함될 수 있습니다. 통합 형식에 맞게 변환된 데이터는 중앙 집중식 스토리지(예: 데이터 웨어하우스)로 이동하여 통찰력을 얻기 위해 편리하게 액세스할 수 있습니다.

애플리케이션 레이어

애플리케이션 계층에서는 IoT 디바이스 및 외부 소스로부터 축적, 처리, 통합된 데이터를 분석 알고리즘을 통해 실행하고 분석 결과를 사용자에게 제공합니다. 애플리케이션의 유형은 IoT 시스템의 비즈니스 요구 사항에 따라 다릅니다. 여기에는 최종 사용자에게 시각화된 통찰력을 제공하거나 기계 학습 및 인공 지능에 의존하는 액추에이터, 비즈니스 인텔리전스 도구 또는 고급 분석 솔루션을 통해 IoT 장치를 제어하는 ​​웹 또는 모바일 애플리케이션이 포함될 수 있습니다.

실제로 IoT 아키텍처 설계: 무엇이 기다리고 있을까요?

이제 우리는 IoT 아키텍처의 이론적인 개념에 대해 설명했으므로 실제로 고안한 것이 어떤 모습일지 봅시다. IoT 솔루션 구축의 특성을 설명하기 위해 ITRex 포트폴리오의 프로젝트를 살펴보겠습니다.

고객 중 한 명이 체육관에서 하는 것처럼 집에서도 효과적으로 훈련할 수 있도록 스마트 피트니스 거울을 구축하자는 아이디어로 우리를 찾았습니다. 거울은 훈련 세션에 대한 피드백을 제공하고 향후 운동을 위한 맞춤형 훈련 계획을 준비하기 위해 운동하는 사람을 "관찰"하는 피트니스 코치를 대체할 것입니다. ITRex의 엔지니어들은 하드웨어에서 펌웨어, 최종 사용자 모바일 앱에 이르기까지 모든 것을 포용하는 문제를 해결하고 솔루션을 위한 아키텍처를 고안했습니다.

우리가 설계한 아키텍처는 에지 컴퓨팅에 크게 중점을 두었습니다. 미러의 센서와 카메라 데이터의 대부분은 기기 자체에서 처리되고 통계 정보의 일부만 클라우드로 전달됩니다.

ITRex의 CTO인 Kirill Stashevski는 기존의 클라우드 기반 모델보다 에지 컴퓨팅을 우선시하는 선택에 대해 다음과 같이 설명합니다. 따라서 거울과 함께 무게를 싣고 움직이는 거울의 카메라와 접착식 모션 센서의 데이터는 생성된 위치에서 가까운 곳에서 분석됩니다. 이는 많은 시간을 절약하고 운영 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다. 그리고 그것이 성공적인 IoT 아키텍처를 설계하는 것입니다. 선택을 하고 가정을 테스트하여 가장 적합한 것을 선택해야 합니다.” 따라서 솔루션의 상위 수준 아키텍처는 다음과 같습니다.

거울에는 운동하는 사람들의 광범위한 비디오 영상에 대해 사전 훈련된 AI 네트워크가 장착되어 있습니다. 사람이 운동을 하면 거울에 내장된 카메라로 녹화되고, 그 영상은 즉시 AI 네트워크를 통해 실행되어 운동을 참조 모델과 비교합니다.

따라서 AI 엔진은 개인의 운동 루틴이 건강한지 여부에 대한 실시간 권장 사항을 생성하고 필요한 개선 사항(무게, 기술 또는 강도)을 제안합니다. 연습생이 거울을 사용하면 비디오 장면이 그려지고 로컬에 배포된 AI 네트워크가 개인화되므로 시간이 지남에 따라 제안의 품질이 향상됩니다.

Kirill에 따르면 개인화는 우리가 에지 지향 아키텍처를 선택한 또 다른 이유입니다. 미러가 실제로 사용되는 컨텍스트에서 녹화된 비디오를 기반으로 로컬에서 네트워크를 훈련하면 일반 콘텐츠에 의존하는 클라우드에서 알고리즘을 훈련하는 것보다 훨씬 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다. 에지 중심 아키텍처를 선택하는 또 다른 이유는 데이터가 생성된 위치와 가까운 곳에서 데이터를 처리하기 때문에 분석을 위해 네트워크를 통해 푸티지를 전송할 필요가 없기 때문입니다.

에지 지향적임에도 불구하고 솔루션의 아키텍처는 클라우드 부분도 특징으로 합니다. 그러나 주요 목적은 미러의 사용 및 성능에 대한 통계 데이터를 수집하는 것입니다. 솔루션의 또 다른 구성 요소는 최종 사용자가 자신의 성과를 기록하고 친구와 공유하며 함께 훈련할 수 있는 소셜 모바일 앱입니다.

요약 또는 IoT 아키텍처에 대한 청사진을 미리 설계하는 것이 중요한 이유

IoT 도입에 대한 생각이 있다면 초기에 미래 솔루션을 위한 신중한 아키텍처를 고안하는 것이 중요합니다. 잘못 설계된 시스템은 확장할 수 없고 복잡성을 처리할 수 없지만 잘 설계된 IoT 아키텍처를 사용하면 미래를 계획하고 다음을 보장할 수 있습니다.

• 유지보수성. 잘 설계된 IoT 시스템은 유지 관리가 더 쉽고 저렴합니다. 모든 구성 요소, 프로세스 및 통합에 대한 더 큰 그림이 명확하기 때문에 더 작은 작업으로 넘어가는 것이 더 간단합니다. 프로젝트 소싱과 관련하여 잘 설계된 시스템 역시 새로운 인재를 쉽게 영입하고 지식을 이전하는 데 걸리는 시간을 줄여줍니다.
• 확장성. 초기 아키텍처가 계획되면 IoT 시스템을 수직 및 수평으로 확장하는 것이 더 간단해져서 새로운 기능을 가져오거나 더 많은 엔드 노드를 추가할 수 있습니다.
• 비용 효율성. IoT 시스템을 철저히 설계하는 데 시간을 할애하면 더 나은 기술 선택을 할 수 있으므로 IoT 솔루션의 개발 및 운영 비용을 절감할 수 있습니다.
• 고성능. 명확한 아키텍처 비전을 갖는 것은 더 나은 데이터 흐름을 구축하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 들어오는 데이터를 적절한 도구로 처리하여 더 높은 시스템 성능을 달성하는 데 도움이 됩니다.
• 상호 운용성. IoT 아키텍처는 항상 잘 짝을 이루지는 않는 서로 다른 통신 프로토콜을 사용하는 여러 장치에 걸쳐 있을 수 있습니다. 사려깊은 IoT 아키텍처는 서로 다른 장치와 구성 요소가 원활하게 작동하도록 합니다.
• 보안. 시스템 설계에 초기 노력을 투자함으로써 보안 허점을 피하고 필요한 IoT 보안 메커니즘을 계획할 수 있습니다.

답이 없는 질문이 있거나 위험이 거의 또는 전혀 없이 IoT 시대에 뛰어들고 싶다면 ITRex IoT 개발 팀에 문의하십시오. 그들은 미래 솔루션을 강화하기 위해 안정적이고 확장 가능한 아키텍처를 설계하는 데 도움이 될 것입니다.

2022년 5월 10일 https://itrexgroup.com 에 원래 게시되었습니다 .