物联网解决方案架构：组件概述设计技巧

企业继续加入物联网潮流并转向物联网咨询公司。 根据 Facts & Factors 最近的研究，到 2028 年，全球物联网市场预计将达到 18420 亿美元，复合年增长率为 24.5%。 不过，推出物联网并不容易。 Beecham Research 报告称，75% 的物联网项目要么没有达到既定的预期，要么失败。

一个常见的原因是缺乏规划和由此产生的技术挑战。 有助于避免失败风险的是提前为物联网架构制定蓝图。 在这篇博文中，我们阐明了 IoT 架构的基本组件，并使用 ITRex 产品组合中的一个项目示例展示了设计 IoT 架构在实践中的样子。

让我们从最基本的开始。

什么是物联网架构？

物联网架构是硬件和软件组件的组合，它们相互作用以构成智能网络数字系统。 这些组件相互操作，构成了构建物联网解决方案的基础。 在我们深入细节之前，让我们把事情弄清楚：设计物联网架构没有万能的方法。 尽管如此，无论解决方案如何，基本布局都基本保持不变。

标准物联网架构：底层是什么？

常见的数据驱动物联网应用程序依赖于跨越四层的标准物联网架构：

• 设备层
• 网络层
• 服务和应用支持层
• 应用层

然而，最近，越来越多的连接系统开始将重点转移到边缘处理上，这导致在传统的四层架构中增加了一层。 在边缘执行的活动份额取决于特定的实现，但它通常跨越启用连接，以及过滤、聚合、保护和处理传入数据。

设备层

设备层包括各种智能的、连接的设备或非电子对象，这些设备通过相机和/或传感器以及可选的执行器进行了增强。 传感器从外部世界获取数据并将其转换为电信号，以便计算机对其进行处理。 物联网传感器的大小和用途各不相同。 它们能够记录所有类型的信息——从温度到运动到湿度等等。 反过来，执行器使连接的设备根据从处理中心发送的命令进行操作。 一旦执行器收到命令，它就会使设备以某种设定的方式运行。 例如，智能照明系统可以在附近检测到运动时打开灯。

网络层

网络层包含连接设备层和物联网架构后续层的不同通信技术。 根据所讨论的物联网解决方案，可以直接或通过网关启用设备连接。 后者通常适用于无法直接连接或协议不匹配的旧设备。 现代物联网解决方案依赖于以下通信技术：

LPWAN或低功耗广域网是专门为支持大规模物联网解决方案而构建的。 LPWAN 为深远的通信提供了机会，同时具有节能、持久和廉价的特点。 缺点是 LPWAN 仅以相当低的速率传输少量数据，因此它们更适合对时间不敏感且不需要高带宽的用例，例如智能建筑或工业物联网。

Zigbee是一种短距离无线通信标准，最适合节点均匀分布在附近的中距离物联网应用，例如智能家居。 与 LPWAN 相比，Zigbee 提供更高的数据速率，但能源效率较低。

蜂窝网络(3G/4G/5G) 提供可靠的宽带通信，因此非常适合支持联网汽车、交通路由、车队管理或高级驾驶员辅助等用例。 尽管如此，蜂窝网络不能与电池供电的传感器网络很好地配对，并且会产生高昂的运营成本，从而限制了它们的使用。

蓝牙提供短距离通信，用于小型消费物联网设备，如运动或医疗保健可穿戴设备、身体互联网设备和智能家电。

Wi-Fi支持高吞吐量数据传输。 尽管如此，由于覆盖范围、可扩展性和能耗问题，Wi-Fi 通常不是扩展物联网网络或电池供电物联网设备的可行选择。 相反，它更适合连接到电源插座的智能设备，例如智能家居小工具、安全摄像头或数字标牌。

RFID使用无线电波将少量数据从 RFID 标签传输到附近的阅读器。 这种通信技术广泛应用于物流和零售业。

边缘计算层

边缘处理层由网关、本地服务器或分散在网络中的其他边缘节点组成。 引入边缘设备背后的想法是在其源头附近存储和处理数据，仅将生成的部分记录发送到云端或以预设的时间间隔将数据批量上传到云端，而不是实时传输。 除了处理数据，边缘层还可以过滤、聚合和加密传入的信息。

在本地处理数据有助于节省将所有生成的记录传输到云所需的时间和资源。 因此，这样做会导致更好的延迟和更高的性能。 对于需要实时分析数据并需要内置可扩展性和增强安全性的物联网用例，例如医疗物联网系统、闭路电视系统或智能汽车，添加边缘层是一个可行的选择。

服务和应用支持层

这就是物联网设备收集的大部分数据的最终目的地。 因此，服务和应用支持层用于积累、处理和存储数据。 在这里，发生了两个基本过程：

• 数据积累：物联网系统产生海量数据，并非所有这些数据都需要立即付诸行动。 因此，物联网架构可能具有数据湖来存储所有生成的信息，并且仅将经过清理和过滤的记录发送到数据管理管道中。 因此，此阶段的主要目标是将所有数据汇总在一起，确定某条特定信息是否与业务需求相关，并决定应如何存储它——在临时数据库或数据仓库中。
• 数据抽象：在这个阶段，来自物联网设备的信息被来自相关外部来源的数据放大。 这些可能包括 ERP、EMR 和其他企业系统。 经过转换以匹配统一格式，数据进入集中存储，例如数据仓库，可以方便地访问数据以获得洞察力。

应用层

在应用层，通过分析算法运行来自物联网设备和外部来源的累积、处理和集成数据，并将分析结果呈现给用户。 应用程序的类型因物联网系统的业务需求而异。 它们可能包括 Web 或移动应用程序，可通过执行器、商业智能工具或依赖机器学习和人工智能的高级分析解决方案向最终用户呈现可视化洞察或控制物联网设备。

在实践中设计物联网架构：未来会发生什么？

既然我们已经阐明了物联网架构的理论概念，那么让我们看看设计一个在实践中会是什么样子。 为了说明构建物联网解决方案的特殊性，我们将转向 ITRex 产品组合中的一个项目。

我们的一位客户向我们求助，并提出了构建智能健身镜的想法，以帮助人们在家中进行与在健身房一样有效的训练。 镜子将取代健身教练，“观察”一个人锻炼身体，为训练课程提供反馈，并为未来的锻炼准备量身定制的训练计划。 ITRex 的工程师接受了挑战，并为解决方案设计了一个架构，涵盖了从硬件到固件到最终用户移动应用程序的所有内容。

我们最终设计的架构主要集中在边缘计算上。 来自镜子传感器和摄像头的大部分数据都在设备本身上进行处理，只有一部分统计信息被传递到云端。

ITRex 的首席技术官 Kirill Stashevski 解释了将边缘计算优先于传统的基于云的模型的选择：“我们测试了这两种方法——边缘计算在提供更高性能方面获胜。 因此，来自镜子的摄像头和附着在镜子上的粘合剂运动传感器的数据会在靠近它产生的地方进行分析。 这可以节省大量时间并有助于减少运营费用。 这就是设计成功的物联网架构的问题——你必须做出选择并测试假设，选择最适合你的。” 因此，该解决方案的高级架构如下所示：

这面镜子配备了人工智能网络，这些网络对人们锻炼的大量视频片段进行了预训练。 当一个人锻炼时，镜子的内置摄像头会记录他们，视频片段会立即通过人工智能网络运行，将锻炼与参考模型进行比较。

因此，人工智能引擎会生成关于一个人的锻炼程序是否健康的实时建议，并提出所需的改进建议——无论是在重量、技术还是强度方面。 当学员使用镜子时，视频片段被用来个性化本地部署的 AI 网络，因此建议的质量会随着时间的推移而提高。

根据 Kirill 的说法，个性化是我们选择面向边缘的架构的另一个原因。 根据实际使用镜像的上下文中记录的视频在本地训练网络比在云中训练依赖通用内容的算法产生更好的结果。 选择以边缘为中心的架构的另一个原因是隐私，因为在靠近数据生成位置处理数据时，无需通过网络传输素材进行分析。

尽管是面向边缘的，但​​该解决方案的架构也具有云部分。 但是，其主要目的是收集有关镜像使用情况和性能的统计数据。 该解决方案的另一个组成部分是一个社交移动应用程序，供最终用户记录他们的表现、与朋友分享并一起训练。

回顾，或者为什么提前为物联网架构设计蓝图至关重要

如果您打算采用物联网，那么尽早为未来的解决方案设计一个经过深思熟虑的架构至关重要。 架构不佳的系统不可扩展且无法处理复杂性，而设计良好的物联网架构将使您能够规划未来并保证：

• 可维护性。 架构良好的物联网系统更易于维护且成本更低。 由于所有组件、流程和集成的大局都很清晰，因此更容易跳到较小的任务。 在项目采购方面，架构良好的系统也有助于引进新人才并减少知识转移所需的时间。
• 可扩展性。 随着初始架构的规划，物联网系统的纵向和横向扩展变得更加简单，引入新功能或添加更多终端节点。
• 成本效益。 花时间彻底设计您的物联网系统有助于做出更好的技术选择，从而降低物联网解决方案的开发和运营成本。
• 高性能。 拥有清晰的架构愿景有助于构建更好的数据流，以及使用适当的工具处理传入数据，从而有助于实现更高的系统性能。
• 互操作性。 物联网架构可以跨越使用不同通信协议的多个设备，这些协议并不总是很好地配对在一起。 深思熟虑的物联网架构有助于确保不同的设备和组件顺利协同工作。
• 安全。 通过将初始精力投入到系统设计中，您可以避免安全漏洞并规划必要的物联网安全机制。

如果您有任何悬而未决的问题或想在几乎没有风险的情况下加入物联网潮流，请联系 ITRex 物联网开发团队。 它们将帮助您设计可靠且可扩展的架构，为您未来的解决方案提供动力。

最初于2022 年 5 月 10 日在https://itrexgroup.com上发布。