Arhitectura soluției IoT: o privire de ansamblu asupra componentelor și amp; Sfaturi de design

Afacerile continuă să sară pe Internet of Things și să apeleze la firme de consultanță IoT. Conform cercetărilor recente realizate de Facts & Factors, piața globală IoT este de așteptat să atingă 1.842 de miliarde de dolari până în 2028, în creștere cu un CAGR de 24,5%. Cu toate acestea, lansarea IoT nu este ușoară. Beecham Research raportează că 75% din toate proiectele IoT fie nu îndeplinesc așteptările stabilite, fie eșuează.

Un motiv comun pentru aceasta este lipsa de planificare și provocările tehnice care decurg din aceasta. Ceea ce ajută la evitarea riscului de eșec este stabilirea în avans a unui plan pentru o arhitectură IoT. În această postare pe blog, aruncăm lumină asupra componentelor esențiale ale unei arhitecturi IoT și arătăm cum poate arăta conceperea unei arhitecturi IoT în practică, folosind un exemplu de proiect din portofoliul ITRex.

Să intrăm direct, începând cu elementele de bază.

Ce este o arhitectură IoT?

O arhitectură IoT este un amestec de componente hardware și software care interacționează împreună pentru a alcătui un sistem ciber-digital inteligent. Interoperand unele cu altele, aceste componente constituie o bază pentru o soluție IoT pe care să fie construită. Înainte de a ne afunda în detalii, să clarificăm lucrurile: nu există o abordare universală pentru proiectarea unei arhitecturi IoT. Cu toate acestea, aspectul de bază rămâne în mare parte același, indiferent de soluție.

Arhitectură standard IoT: ce se află sub capotă?

Aplicațiile obișnuite IoT bazate pe date se bazează pe o arhitectură IoT standard care se întinde pe patru straturi:

• Stratul dispozitivului
• Stratul de rețea
• Nivelul de suport pentru servicii și aplicații
• Strat de aplicație

Cu toate acestea, recent, tot mai multe sisteme conectate au început să-și schimbe atenția către procesarea marginilor, ceea ce a condus la adăugarea unui strat suplimentar la o arhitectură tradițională cu patru niveluri. Ponderea activităților desfășurate la margine depinde de o anumită implementare, dar se întinde de obicei la activarea conectivității, precum și la filtrarea, agregarea, securizarea și procesarea datelor primite.

Stratul dispozitivului

Stratul de dispozitiv cuprinde tot felul de dispozitive inteligente, conectate sau obiecte neelectronice care sunt îmbunătățite cu camere și/sau senzori și, opțional, actuatoare. Senzorii preiau date din lumea exterioară și le convertesc în semnale electrice, astfel încât să poată fi procesate de un computer. Senzorii IoT variază ca dimensiune și scop. Sunt capabili să înregistreze toate tipurile de informații - de la temperatură la mișcare la umiditate și multe altele. Actuatoarele, la rândul lor, fac ca dispozitivele conectate să acționeze la comenzile trimise de la centrul de procesare. Odată ce un actuator primește o comandă, face ca un dispozitiv să se comporte într-un anumit mod stabilit. Un sistem de iluminat inteligent, de exemplu, ar putea aprinde luminile odată ce este detectată o mișcare în apropiere.

Stratul de rețea

Stratul de rețea cuprinde diferite tehnologii de comunicare care conectează stratul dispozitivului și straturile ulterioare ale arhitecturii IoT. În funcție de soluția IoT în cauză, conectivitatea dispozitivului poate fi activată direct sau prin gateway-uri. Acesta din urmă se aplică adesea dispozitivelor vechi care nu reușesc să fie conectate direct sau când există o nepotrivire a protocolului. Soluțiile moderne IoT se bazează pe următoarele tehnologii de comunicare:

LPWAN -urile sau rețelele cu arie extinsă de putere redusă au fost construite special pentru a susține soluții IoT la scară largă. LPWAN oferă oportunități de comunicare de anvergură, fiind în același timp eficient din punct de vedere energetic, de lungă durată și ieftin. Dezavantajul este că LPWAN-urile transmit doar volume mici de date la o rată destul de scăzută, deci sunt mai potrivite pentru cazurile de utilizare care nu sunt sensibile la timp și nu necesită lățime de bandă mare, cum ar fi clădirile inteligente sau IoT industrial.

Zigbee este un standard de comunicație fără fir pe rază scurtă de acțiune, care este cel mai potrivit pentru aplicațiile IoT de rază medie, cu noduri distribuite uniform în apropiere, de exemplu, casele inteligente. În comparație cu LPWAN, Zigbee oferă rate de date mai mari, dar este mai puțin eficient din punct de vedere energetic.

Rețelele celulare (3G/4G/5G) oferă comunicații de bandă largă fiabile, astfel încât sunt potrivite pentru a suporta astfel de cazuri de utilizare, cum ar fi mașini conectate, direcționarea traficului, gestionarea flotei sau asistența avansată a șoferului. Cu toate acestea, rețelele celulare nu se potrivesc bine cu rețelele de senzori care funcționează cu baterie și implică costuri operaționale ridicate, ceea ce limitează utilizarea acestora.

Bluetooth oferă comunicații pe rază scurtă de acțiune și este utilizat pentru dispozitive IoT pentru consumatori la scară mică, cum ar fi articolele portabile pentru sport sau de îngrijire medicală, dispozitivele Internet of Body și electrocasnicele inteligente.

Wi-Fi permite transferul de date de mare capacitate. Totuși, din cauza problemelor de acoperire, scalabilitate și consum de energie, Wi-Fi nu este adesea o alegere fezabilă pentru rețelele IoT expansive sau dispozitivele IoT care funcționează cu baterie. În schimb, este mai potrivit pentru dispozitivele inteligente care se conectează la o priză, cum ar fi gadgeturi inteligente pentru casă, camere de securitate sau semnalizare digitală.

RFID folosește unde radio pentru a transmite volume mici de date de la o etichetă RFID la un cititor situat în apropiere. Această tehnologie de comunicare este utilizată pe scară largă în logistică și retail.

Stratul Edge Computing

Un strat de procesare edge constă din gateway-uri, servere locale sau alte noduri marginale împrăștiate în rețea. Ideea din spatele introducerii dispozitivelor edge este de a stoca și procesa datele aproape de sursa lor, trimițând doar o parte din înregistrările generate în cloud sau încărcând în bloc datele în cloud la intervale prestabilite, în loc să le transfere în timp real. Pe lângă procesarea datelor, stratul de margine ar putea filtra, agrega și cripta informațiile primite.

Procesarea datelor la nivel local ajută la economisirea de timp și resurse care altfel ar fi necesare pentru a transmite toate înregistrările generate în cloud. Procedând astfel, rezultă o latență mai bună și o performanță mai mare. Adăugarea unui strat de margine este o opțiune viabilă pentru cazurile de utilizare IoT care necesită ca datele să fie analizate în timp real și necesită scalabilitate încorporată și securitate îmbunătățită, de exemplu, sisteme medicale IoT, sisteme CCTV sau mașini inteligente.

Nivelul de suport pentru servicii și aplicații

Aici ajung majoritatea datelor culese de dispozitivele IoT. Deci, stratul de suport pentru servicii și aplicații este utilizat pentru a acumula, procesa și stoca date. Aici au loc două procese esențiale:

• Acumularea de date: sistemele IoT generează volume uriașe de date și nu toate aceste date trebuie puse în aplicare imediat. Prin urmare, o arhitectură IoT poate prezenta un lac de date pentru a stoca toate informațiile generate și pentru a trimite doar înregistrări curățate și filtrate în conducta de gestionare a datelor. Prin urmare, scopul principal al acestei etape este de a reuni toate datele, de a afla dacă o anumită informație este relevantă pentru cerințele de afaceri și de a decide cum ar trebui să fie stocată - într-o bază de date temporară sau într-un depozit de date.
• Abstracția datelor: În această etapă, informațiile de la dispozitivele IoT sunt amplificate de datele din surse externe relevante. Acestea ar putea include ERP-uri, EMR-uri și alte sisteme de întreprindere. Transformate pentru a se potrivi cu formatarea unificată, datele trec la stocarea centralizată, de exemplu, un depozit de date, unde pot fi accesate convenabil pentru informații.

Strat de aplicație

La nivelul aplicației, datele acumulate, procesate și integrate de la dispozitivele IoT și sursele externe sunt rulate prin algoritmi de analiză, iar rezultatele analizei sunt prezentate utilizatorilor. Tipurile de aplicații variază în funcție de cerințele de afaceri ale unui sistem IoT. Acestea pot include aplicații web sau mobile care prezintă informații vizualizate utilizatorilor finali sau controlează dispozitivele IoT prin intermediul dispozitivelor de acționare, instrumente de business intelligence sau soluții avansate de analiză care se bazează pe învățarea automată și inteligența artificială.

Proiectarea unei arhitecturi IoT în practică: ce așteaptă înainte?

Acum, că am aruncat lumină asupra conceptului teoretic al unei arhitecturi IoT, să vedem cum ar putea arăta conceperea uneia în practică. Pentru a ilustra particularitățile construirii de soluții IoT, vom apela la un proiect din portofoliul ITRex.

Unul dintre clienții noștri a apelat la noi cu ideea de a construi o oglindă de fitness inteligentă pentru a ajuta oamenii să se antreneze acasă la fel de eficient ca la o sală de sport. Oglinda ar înlocui un antrenor de fitness, „vizând” o persoană care se antrenează pentru a oferi feedback cu privire la sesiunile de antrenament și a pregăti planuri de antrenament personalizate pentru antrenamentele viitoare. Inginerii ITRex au acceptat provocarea și au conceput o arhitectură pentru soluție, cuprinzând totul, de la hardware la firmware până la aplicațiile mobile ale utilizatorilor finali.

Arhitectura pe care am ajuns să o proiectăm s-a concentrat în mare măsură pe edge computing. Majoritatea datelor de la senzorii și camerele oglinzii sunt procesate pe dispozitivul însuși și doar o parte din informațiile statistice sunt transmise în cloud.

Kirill Stashevski, CTO la ITRex, explică alegerea de a acorda prioritate edge computing față de modelele tradiționale bazate pe cloud: „Am testat ambele abordări – și edge computing a câștigat în ceea ce privește furnizarea de performanțe mai mari. Deci, datele de la camerele oglinzii și senzorii de mișcare adezivi care însoțesc oglinda și merg pe greutăți sunt analizate aproape de locul în care este generată. Acest lucru economisește mult timp și ajută la reducerea cheltuielilor operaționale. Și asta este chestia cu proiectarea arhitecturilor IoT de succes – trebuie să faci alegeri și să testezi ipoteze, alegând ceea ce funcționează cel mai bine pentru tine.” Arhitectura de nivel înalt pentru soluție arată astfel:

Oglinda este echipată cu rețele AI care sunt antrenate în prealabil pe imagini video extinse cu oameni care se antrenează. Pe măsură ce o persoană se antrenează, acestea sunt înregistrate de camerele încorporate ale oglinzii, iar filmările video sunt imediat rulate prin rețelele AI care compară antrenamentul cu un model de referință.

Prin urmare, motorul AI generează recomandări în timp real dacă rutina de antrenament a unei persoane este sănătoasă și sugerează îmbunătățirile necesare - fie că este vorba despre greutăți, tehnică sau intensitate. Pe măsură ce un cursant folosește oglinda, înregistrările video sunt folosite pentru a personaliza rețelele AI implementate local, astfel încât calitatea sugestiilor se îmbunătățește în timp.

Potrivit lui Kirill, personalizarea este un alt motiv pentru care am optat pentru o arhitectură orientată spre margini. Antrenarea rețelelor la nivel local pe baza videoclipurilor înregistrate în contextul în care oglinda este de fapt utilizată dă rezultate mult mai bune decât antrenarea algoritmilor în cloud bazându-se pe conținut generic. Un alt motiv pentru alegerea unei arhitecturi centrate pe margine este confidențialitatea, deoarece procesarea datelor aproape de locul în care sunt generate scutește de nevoia de a transfera imagini în rețea pentru analiză.

În ciuda faptului că este orientată spre margini, arhitectura soluției include și partea cloud. Cu toate acestea, scopul său principal este de a culege date statistice privind utilizarea și performanța oglinzilor. O altă componentă a soluției este o aplicație socială mobilă pentru ca utilizatorii finali să-și înregistreze performanța, să o partajeze prietenilor și să se antreneze împreună.

O recapitulare sau de ce este crucial să proiectați în avans un plan pentru o arhitectură IoT

Dacă vă gândiți să adoptați IoT, este esențial să concepeți din timp o arhitectură gândită pentru viitoarea soluție. Sistemele prost arhitecturate nu sunt scalabile și nu pot face față complexității, în timp ce o arhitectură IoT bine concepută vă va permite să planificați viitorul și să garantați:

• Mentenabilitatea. Sistemele IoT bine arhitecturate sunt mai ușor și mai ieftin de întreținut. Deoarece imaginea de ansamblu cu toate componentele, procesele și integrările este clară, este mai simplu să treceți la sarcini mai mici. Când vine vorba de aprovizionarea proiectelor, sistemele bine arhitecturate, de asemenea, facilitează atragerea de noi talente și reduc timpul necesar transferului de cunoștințe.
• Scalabilitate. Cu arhitectura inițială planificată, devine mai simplă să scalați sistemul IoT atât pe verticală, cât și pe orizontală, aducând noi funcționalități sau adăugând mai multe noduri finale.
• Eficiența costurilor. Dedicarea timpului pentru proiectarea amănunțită a sistemului dvs. IoT vă ajută să faceți alegeri mai bune în materie de tehnologie, reducând astfel costurile de dezvoltare și operaționale ale soluțiilor IoT.
• Performanta ridicata. A avea o viziune arhitecturală clară ajută la construirea unor fluxuri de date mai bune, precum și la procesarea datelor primite cu instrumente adecvate, ceea ce ajută la obținerea unor performanțe mai mari ale sistemului.
• Interoperabilitate. O arhitectură IoT ar putea acoperi mai multe dispozitive folosind protocoale de comunicație diferite care nu se împerechează întotdeauna bine. O arhitectură IoT bine gândită vă ajută să vă asigurați că diferitele dispozitive și componente funcționează fără probleme împreună.
• Securitate. Investind efortul inițial în proiectarea sistemului, puteți evita lacunele de securitate și puteți planifica mecanismele de securitate IoT necesare.

Dacă aveți întrebări fără răspuns sau doriți să vă urcați în trenul IoT cu riscuri mici sau deloc, contactați echipa de dezvoltare ITRex IoT. Ele vă vor ajuta să proiectați o arhitectură fiabilă și scalabilă pentru a vă alimenta viitoarea soluție.

Publicat inițial la https://itrexgroup.com pe 10 mai 2022.