Arquitetura da solução IoT: uma visão geral dos componentes &Amp; Dicas de design

As empresas continuam entrando no movimento da Internet das Coisas e recorrendo a empresas de consultoria de IoT. De acordo com uma pesquisa recente da Facts & Factors, o mercado global de IoT deve atingir US$ 1.842 bilhões até 2028, crescendo a um CAGR de 24,5%. A implantação da IoT não é fácil. A Beecham Research relata que 75% de todos os projetos de IoT não atendem às expectativas definidas ou falham.

Uma razão comum para isso é a falta de planejamento e os desafios técnicos decorrentes disso. O que ajuda a evitar o risco de falha é estabelecer um plano para uma arquitetura de IoT com antecedência. Nesta postagem do blog, esclarecemos os componentes essenciais de uma arquitetura IoT e mostramos como a criação de uma arquitetura IoT pode parecer na prática usando um exemplo de projeto do portfólio da ITRex.

Vamos mergulhar de cabeça, começando com o básico.

O que é uma arquitetura IoT?

Uma arquitetura IoT é uma mistura de componentes de hardware e software que interagem entre si para compor um sistema ciber-digital inteligente. Interoperando entre si, esses componentes formam a base para uma solução de IoT a ser construída. Antes de mergulharmos nos detalhes, vamos esclarecer as coisas: não há uma abordagem única para projetar uma arquitetura de IoT. Ainda assim, o layout básico permanece praticamente o mesmo, independentemente da solução.

Arquitetura padrão de IoT: o que está por baixo do capô?

Os aplicativos comuns de IoT orientados a dados contam com uma arquitetura de IoT padrão que abrange quatro camadas:

• Camada do dispositivo
• Camada de rede
• Camada de suporte a serviços e aplicativos
• Camada de aplicação

Recentemente, no entanto, mais e mais sistemas conectados começaram a mudar o foco para o processamento de borda, o que levou à adição de uma camada adicional a uma arquitetura tradicional de quatro camadas. O compartilhamento de atividades executadas na borda depende de uma implementação específica, mas geralmente abrange a habilitação da conectividade, bem como a filtragem, agregação, proteção e processamento dos dados recebidos.

Camada do dispositivo

A camada de dispositivos compreende todos os tipos de dispositivos inteligentes conectados ou objetos não eletrônicos que são aprimorados com câmeras e/ou sensores e, opcionalmente, atuadores. Os sensores recebem dados do mundo exterior e os convertem em sinais elétricos para que possam ser processados ​​por um computador. Os sensores de IoT variam em tamanho e finalidade. Eles são capazes de gravar todos os tipos de informações - de temperatura a movimento, umidade e muito mais. Os atuadores, por sua vez, fazem com que os dispositivos conectados atuem mediante comandos enviados do centro de processamento. Uma vez que um atuador recebe um comando, ele faz um dispositivo se comportar de uma determinada maneira. Um sistema de iluminação inteligente, por exemplo, pode acender as luzes assim que um movimento for detectado nas proximidades.

Camada de rede

A camada de rede engloba diferentes tecnologias de comunicação que conectam a camada do dispositivo e as camadas subsequentes da arquitetura IoT. Dependendo da solução de IoT em questão, a conectividade do dispositivo pode ser habilitada diretamente ou por meio de gateways. O último geralmente se aplica a dispositivos legados que não são conectados diretamente ou quando há uma incompatibilidade de protocolo. As soluções modernas de IoT contam com as seguintes tecnologias de comunicação:

As LPWANs , ou Low Power Wide Area Networks, foram criadas especificamente para oferecer suporte a soluções de IoT em larga escala. O LPWAN oferece oportunidades para comunicação de longo alcance, além de ser eficiente em termos de energia, duradouro e barato. A desvantagem é que as LPWANs transmitem apenas pequenos volumes de dados a uma taxa bastante baixa, portanto, são mais adequadas para casos de uso que não são sensíveis ao tempo e não exigem alta largura de banda, como edifícios inteligentes ou IoT industrial.

Zigbee é um padrão de comunicação sem fio de curto alcance que é mais adequado para aplicativos de IoT de médio alcance com nós distribuídos uniformemente nas proximidades, por exemplo, casas inteligentes. Comparado ao LPWAN, o Zigbee fornece taxas de dados mais altas, mas é menos eficiente em termos de energia.

As redes celulares (3G/4G/5G) oferecem comunicação de banda larga confiável, portanto, são adequadas para suportar casos de uso como carros conectados, roteamento de tráfego, gerenciamento de frota ou assistência avançada ao motorista. Ainda assim, as redes celulares não combinam bem com redes de sensores operadas por bateria e incorrem em altos custos operacionais, o que limita seu uso.

O Bluetooth fornece comunicação de curto alcance e é usado para dispositivos IoT de consumo de pequena escala, como wearables esportivos ou de saúde, dispositivos de Internet of Body e eletrodomésticos inteligentes.

O Wi-Fi permite a transferência de dados de alto rendimento. Ainda assim, devido a problemas de cobertura, escalabilidade e consumo de energia, o Wi-Fi geralmente não é uma opção viável para redes IoT expansivas ou dispositivos IoT operados por bateria. Em vez disso, é mais adequado para dispositivos inteligentes que se conectam a uma tomada, como dispositivos domésticos inteligentes, câmeras de segurança ou sinalização digital.

RFID usa ondas de rádio para transmitir pequenos volumes de dados de uma etiqueta RFID para um leitor localizado nas proximidades. Essa tecnologia de comunicação é amplamente utilizada em logística e varejo.

Camada de computação de borda

Uma camada de processamento de borda consiste em gateways, servidores locais ou outros nós de borda espalhados pela rede. A ideia por trás da introdução de dispositivos de borda é armazenar e processar dados perto de sua fonte, enviando apenas uma parte dos registros gerados para a nuvem ou fazendo upload de dados em massa para a nuvem em intervalos predefinidos, em vez de transferi-los em tempo real. Além de processar dados, a camada de borda pode filtrar, agregar e criptografar as informações recebidas.

O processamento de dados localmente ajuda a economizar tempo e recursos que, de outra forma, seriam necessários para transmitir todos os registros gerados para a nuvem. Fazer isso, portanto, resulta em melhor latência e maior desempenho. Adicionar uma camada de borda é uma opção viável para casos de uso de IoT que precisam que os dados sejam analisados ​​em tempo real e exigem escalabilidade integrada e segurança aprimorada, por exemplo, sistemas médicos de IoT, sistemas de CFTV ou carros inteligentes.

Camada de suporte a serviços e aplicativos

É aqui que a maioria dos dados coletados pelos dispositivos IoT termina. Assim, a camada de serviço e suporte a aplicativos é usada para acumular, processar e armazenar dados. Aqui, ocorrem dois processos essenciais:

• Acúmulo de dados: os sistemas IoT geram grandes volumes de dados e nem todos esses dados precisam ser colocados em ação imediatamente. Portanto, uma arquitetura IoT pode apresentar um data lake para armazenar todas as informações geradas e enviar apenas registros limpos e filtrados pelo pipeline de gerenciamento de dados. Assim, o principal objetivo desta etapa é reunir todos os dados, descobrir se uma determinada informação é relevante para os requisitos de negócios e decidir como ela deve ser armazenada – em um banco de dados temporário ou em um data warehouse.
• Abstração de dados: nesta fase, as informações dos dispositivos IoT são amplificadas pelos dados de fontes externas relevantes. Estes podem incluir ERPs, EMRs e outros sistemas empresariais. Transformados para corresponder à formatação unificada, os dados vão para o armazenamento centralizado, por exemplo, um data warehouse, onde podem ser acessados ​​convenientemente para obter insights.

Camada de aplicação

Na camada de aplicação, os dados acumulados, processados ​​e integrados de dispositivos IoT e fontes externas são executados por meio de algoritmos de análise e os resultados da análise são apresentados aos usuários. Os tipos de aplicativos variam dependendo dos requisitos de negócios de um sistema IoT. Eles podem incluir aplicativos da Web ou móveis que apresentam insights visualizados para usuários finais ou controlam dispositivos IoT por meio de atuadores, ferramentas de inteligência de negócios ou soluções de análise avançada que contam com aprendizado de máquina e inteligência artificial.

Projetando uma arquitetura IoT na prática: o que espera pela frente?

Agora que esclarecemos o conceito teórico de uma arquitetura IoT, vamos ver como pode ser a concepção de uma arquitetura na prática. Para ilustrar as peculiaridades da construção de soluções de IoT, vamos recorrer a um projeto do portfólio da ITRex.

Um de nossos clientes nos procurou com a ideia de construir um espelho de fitness inteligente para ajudar as pessoas a treinar em casa de forma tão eficaz quanto em uma academia. O espelho substituiria um preparador físico, “observando” uma pessoa se exercitando para fornecer feedback sobre as sessões de treinamento e preparar planos de treinamento personalizados para exercícios futuros. Os engenheiros da ITRex aceitaram o desafio e criaram uma arquitetura para a solução, abrangendo tudo, de hardware a firmware e aplicativos móveis de usuário final.

A arquitetura que acabamos projetando se concentrou fortemente na computação de borda. A maioria dos dados dos sensores e câmeras do espelho é processada no próprio dispositivo, e apenas uma parte das informações estatísticas é passada para a nuvem.

Kirill Stashevski, CTO da ITRex, explica a escolha de priorizar a computação de borda em relação aos modelos tradicionais baseados em nuvem: “Testamos ambas as abordagens – e a computação de ponta venceu em termos de maior desempenho. Assim, os dados das câmeras do espelho e dos sensores de movimento adesivos que acompanham o espelho e vão nos pesos são analisados ​​perto de onde são gerados. Isso economiza muito tempo e ajuda a reduzir as despesas operacionais. E é isso que acontece ao projetar arquiteturas de IoT bem-sucedidas – você precisa fazer escolhas e testar suposições, escolhendo o que funciona melhor para você.” A arquitetura de alto nível para a solução, portanto, tem a seguinte aparência:

O espelho está equipado com redes de IA que são pré-treinadas em extensas imagens de vídeo de pessoas se exercitando. À medida que uma pessoa se exercita, ela está sendo gravada pelas câmeras embutidas no espelho, e as imagens de vídeo são executadas imediatamente pelas redes de IA que comparam o treino a um modelo de referência.

O mecanismo de IA, portanto, gera recomendações em tempo real sobre se a rotina de exercícios de uma pessoa é saudável e sugere as melhorias necessárias – seja em pesos, técnica ou intensidade. À medida que um trainee usa o espelho, as imagens de vídeo são desenhadas para personalizar as redes de IA implantadas localmente, para que a qualidade das sugestões melhore com o tempo.

De acordo com Kirill, a personalização é outra razão pela qual optamos por uma arquitetura orientada para a borda. Treinar as redes localmente com base em vídeos gravados no contexto em que o espelho é realmente usado produz resultados muito melhores do que treinar os algoritmos na nuvem com base em conteúdo genérico. Outra razão para escolher uma arquitetura centrada na borda é a privacidade, pois o processamento dos dados perto de onde são gerados dispensa a necessidade de transferir imagens pela rede para análise.

Apesar de ser orientada para a borda, a arquitetura da solução também apresenta a parte de nuvem. No entanto, seu principal objetivo é coletar dados estatísticos sobre o uso e desempenho dos espelhos. Outro componente da solução é um aplicativo móvel social para que os usuários finais registrem seu desempenho, compartilhem com amigos e treinem juntos.

Uma recapitulação, ou por que é crucial projetar um plano para uma arquitetura de IoT com antecedência

Se você está pensando em adotar a IoT, é crucial que você crie uma arquitetura pensada para a solução futura desde o início. Sistemas mal arquitetados não são escaláveis ​​e não podem lidar com a complexidade, enquanto uma arquitetura de IoT bem projetada permitiria planejar o futuro e garantir:

• Manutenibilidade. Sistemas de IoT bem arquitetados são mais fáceis e baratos de manter. Como o panorama geral com todos os componentes, processos e integrações é claro, é mais simples pular para tarefas menores. Quando se trata de sourcing de projetos, sistemas bem arquitetados também facilitam a entrada de novos talentos e reduzem o tempo necessário para transferir conhecimento.
• Escalabilidade. Com a arquitetura inicial planejada, fica mais simples dimensionar o sistema IoT vertical e horizontalmente, trazendo novas funcionalidades ou adicionando mais nós finais.
• Eficiência de custos. Dedicar tempo para projetar completamente seu sistema de IoT ajuda a fazer melhores escolhas de tecnologia, reduzindo assim os custos operacionais e de desenvolvimento das soluções de IoT.
• Alta performance. Ter uma visão arquitetônica clara ajuda a construir melhores fluxos de dados, além de processar os dados recebidos com ferramentas apropriadas, o que ajuda a obter um desempenho mais alto do sistema.
• Interoperabilidade. Uma arquitetura de IoT pode abranger vários dispositivos usando diferentes protocolos de comunicação que nem sempre combinam bem. Uma arquitetura de IoT pensada ajuda a garantir que diferentes dispositivos e componentes funcionem perfeitamente juntos.
• Segurança. Ao investir o esforço inicial no design do sistema, você pode evitar brechas de segurança e planejar os mecanismos de segurança de IoT necessários.

Se você tiver alguma dúvida não respondida ou quiser entrar na onda da IoT com pouco ou nenhum risco, entre em contato com a equipe de desenvolvimento da ITRex IoT. Eles o ajudarão a projetar uma arquitetura confiável e escalável para potencializar sua solução futura.

Originalmente publicado em https://itrexgroup.com em 10 de maio de 2022.