Utforska arkitekturen bakom Internet of Things (IoT) och lär dig hur du skapar en robust IoT-struktur för företagsändamål.
Framtidens lager, leveranskedjor, produktionsanläggningar och logistikcentra kommer i allt större utsträckning att integrera IoT. Tekniken är komplex, och det är få teknikjättar som har full insikt i detaljerna. Men genom att fördjupa dig i tekniken kan du också förstå hur den fungerar.
Läs vidare om du vill göra ditt företag smartare eller erbjuda IoT-lösningar som en tjänst. Den här artikeln förklarar grunderna i IoT-arkitektur, som möjliggör automatisering och användarvänlighet, samt ger några exempel på vanliga tillämpningsområden.
Inledning
IoT omfattar sensorer, enheter och elektroniska gränssnitt som samlar in, bearbetar och överför data som kommandon till slutmaskiner.
Dessa element är alla rörliga delar i ett IoT-system. Ett ramverk som definierar hur man strukturerar dessa delar för att skapa en fungerande IoT-struktur är IoT-arkitekturen.
IoT-arkitektur beskriver hur du kopplar samman och använder IoT-systemets enheter, molnbaserad programvara och nätverk av sensorer. Dessutom är det inom IoT-arkitekturen som felsökning av systemet sker.
En grundläggande struktur för detta kan vara uppdelad i tre lager av komponenter i ett IoT-system:
- Sensorer, ställdon, enheter etc. som utgör perceptionslagret.
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G etc. som bildar nätverkslagret.
- Ett grafiskt användargränssnitt som utgör applikationslagret.
IoT-arkitekturen säkerställer att du har koll på alla komponenter, dataflöden och kommandon i systemet. På så sätt kan du säkra, underhålla och styra dina IoT-system på ett effektivt sätt.
Lager i IoT-arkitektur
En IoT-systemarkitektur består av olika lager som fungerar som det digitala mediet genom vilket sensordata når molnapplikationen. Molnappen fattar sedan beslut baserat på ett fördefinierat arbetsflöde för slutpunktsenheter, som till exempel robotarmar i en fabrik.
Slutligen flödar dessa beslut tillbaka till slutpunktsenheterna genom samma lager. Genom att förstå dessa lager kan du skapa en framgångsrik IoT-arkitektur. Här är de IoT-arkitekturlager du behöver känna till:
Det sensoriska perceptionslagret
Perceptionslagret består av slutpunktsenheter som samlar in data från den fysiska världen. Dessa data kan sedan analyseras av digitala applikationer.
Eftersom detta lager har kontakt med fysiska objekt, kallar IoT-experter det ibland även för det fysiska lagret. Här är några vanliga enheter som ansluter till perceptionslagret:
- Sensorer som gyroskop, hastighetssensorer, radiofrekvensidentifieringssensorer (RFID), kemiska sensorer, etc.
- Ställdon och robotarmar
- Säkerhetskameror, dörrsystem etc.
- Termostater, VVS-system, vattenspridare, värmeelement och mer.
De flesta industriella IoT-enheter samlar in data för bearbetningsskiktet. För hembaserade IoT-enheter kan perceptionslagret även fungera som bearbetningslager, som till exempel Nest Learning Thermostat.
Nätverks-/datatransportlagret
Nätverkslagret hanterar datatransporten mellan alla lager i en IoT-arkitektur. Detta lager definierar också nätverkstopologin för hela nätet av enheter, molnapplikationer och databaser.
De viktiga delarna i detta lager är internetgateways, intranätportar, nätverksgateways och datainsamlingssystem (DAS). För ovanstående nätverksanslutningsprotokoll kan du använda följande fysiska enheter:
- Wi-Fi
- Wide Area Networks (WAN)
- 4G LTE/5G
- Bluetooth Low Energy
- Närfältskommunikation (NFC)
Genom detta lager kommunicerar olika slutpunktsenheter och molnapplikationer med varandra. Sensordata som temperatur, hastighet, luftfuktighet etc. färdas genom nätverkslagret för att nå andra lager.
Databearbetningslagret
Bearbetningslagret bearbetar, analyserar och lagrar data innan den överförs till ett datacenter. Det inkluderar Edge-analys inom Edge-beräkning, artificiell intelligens (AI) och maskininlärning (ML). Viktiga uppgifter som att fatta beslut utförs också i detta lager.
Bearbetningslagret utför alla beslutsfattande uppgifter. Du kan dock även åsidosätta dess beslut eller förbättra systemet genom att fatta egna beslut i applikationslagret, vilket är viktigt för mänsklig kontroll över intelligenta maskiner.
Applikations- eller GUI-lagret
De flesta IoT-system, som Google Home, Amazon Alexa etc., fungerar utan mänsklig inblandning. Men du behöver ett grafiskt användargränssnitt för att lägga till IoT-arbetsflöden, ändra parametrar, lägga till enheter etc. Detta är applikationslagret.
Några viktiga krav för applikationslagret i en IoT-arkitektur är:
- Hantera problem som kan uppstå med röststyrning.
- Kommunicera med tusentals sensorer och slutpunktsenheter från en liten skärm.
- Lägg till nya enheter till ett befintligt IoT-system utan att behöva stänga av hela verksamheten.
- Övervaka systemets status och utför service på enheter när det behövs, baserat på information från instrumentpanelen.
- Skapa nya regler eller arbetsflöden för IoT-systemen.
- Skapa och upprätthåll servicenivåavtal (SLA).
I industriella miljöer behöver du oftast en centraliserad instrumentpanel på en datorskärm för att övervaka alla IoT-system. På instrumentpanelen kan du interagera med alla eller valda IoT-system genom att pausa, stoppa eller starta om enheter.
Affärslagret
Affärslagret omvandlar lagrad data till praktiska insikter. Företagsledare, tekniska chefer och andra kan använda dessa rapporter för att fatta beslut som leder till förbättrad produktivitet.
Detta lager inkluderar huvudsakligen integrering av företagsapplikationer, som till exempel affärssystem (ERP), business intelligence (BI)-applikationer och appar för datavisualisering.
Här kan dataanalytiker bearbeta data och använda BI-verktyg som Tableau eller Power BI för att analysera IoT-systemets övergripande prestanda. Du kan även göra prognoser baserade på nuvarande produktionskapacitet och framtida marknadsbehov.
Steg i IoT-arkitekturen
För att implementera en IoT-systemarkitektur på hög nivå är det viktigt att förstå stegen i systemet:
Objekt
Objektsteget börjar med implementeringen av det fysiska lagret. Här behöver du ansluta smarta enheter, sensorer och ställdon till IoT-nätverket och slutmaskinerna.
Sensorer kan vara trådbundna eller trådlösa. Huvudsyftet är att samla in data från den fysiska världen och omvandla den till digital data för bearbetningslagret.
Gateway
Du behöver konfigurera en intranät- eller internetgateway. I detta skede samlar modem och routrar in data från sensorer och slutpunktsenheter.
Dessa gateway-enheter transporterar sedan den digitala datan till bearbetningslagret och applikationslagret. De flesta IoT-arkitekturer använder ett datainsamlingssystem i detta steg.
IT-system
IoT-system samlar in analog data, och datainsamlingssystem konverterar dessa till digital data. Det innebär att den bearbetade digitala datan kan vara mycket stor. Här kommer ett Edge IT-system in i bilden.
I det här skedet kanaliserar du den insamlade datan till ett Edge IT-system där AI- och ML-algoritmer bearbetar den och endast behåller relevant data.
Molnlagring/datacenter
När Edge IT-systemet har bearbetat och filtrerat viktig data behöver du lagra den på ett tillgängligt sätt. Applikationslagret för IoT-arkitekturen ansluter sedan till detta lagringssteg.
Lagringssteget består främst av privat molnlagring där du kan lagra IoT-data i strukturerade databaser. Om du letar efter prisvärda lösningar kan du även använda publika molntjänster.
Icke-funktionella krav
#1. Säkerhet
För att säkerställa arkitekturens inre säkerhet får inga obehöriga enheter anslutas till den. Enheterna ska vara registrerade och kommunicera på ett säkert sätt.
Dessutom bör alla användare och data ha säker åtkomst till arkitekturen. Auktoriserade systemanvändare ska utbyta data med säkerhetskontroller.
#2. Prestanda
IoT-systemet måste vara kompatibelt med både ostrukturerad och strukturerad data. Plattformen bör vara kompatibel med molnet, lokala miljöer och hybridmoln.
Acceptabla svarstider för användare, dubbelriktad kommunikation i nära realtid och granulära tidsstämplar är andra viktiga icke-funktionella krav för denna arkitektur.
#3. Hanterbarhet
IoT-arkitekturen måste ge notiser och varningar för eventuella problem. Den måste stödja felhantering för att snabbt kunna identifiera problemens orsaker från en central nod.
#4. Underhållbarhet
Enheterna och IoT-systemet bör vara anpassningsbara. Arkitekturen måste vara tillräckligt flexibel för att snabbt kunna anpassas till förändringar i användar-, process- och datahantering. Underhåll måste också kunna utföras utan att servicenivåavtalen (SLA) påverkas negativt.
#5. Tillgänglighet
Vissa tillämpningsområden och lösningar kräver att IoT-systemet är tillgängligt dygnet runt. Exempelvis måste en IoT-arkitektur på ett sjukhus eller laboratorium ha ett system som alltid är igång.
IoT-arkitektur i MongoDB Atlas
IoT-arkitektur på MongoDB Atlas. Bild från MongoDB.com
Olika lager i en IoT-arkitektur genererar enorma mängder data. Att använda en IoT-aktiverad molndatabas är idealiskt för att lagra data på ett organiserat sätt.
En av de stora molndatabaserna du kan använda är MongoDB Atlas. Här är några exempel på hur den kan användas i IoT-arkitektur:
- MongoDB Realm SDK och MongoDB Server för att skapa en databas och ett gränssnitt. Mobilappar och enheter kan använda dessa databaser och gränssnitt.
- I nätverkslagret kan du använda MongoDB Atlas för att konfigurera och distribuera IoT-servrar.
- Använd MongoDB 5.0 Time-Series som lagring för kontinuerlig IoT-mätdata.
- Om IoT-systemet har dålig nätverksanslutning kan du använda offline-först-synkronisering från Atlas App Services.
- Du kan använda MongoDB Connector för BI och MongoDB-diagram i affärslagret för att extrahera praktiska insikter från IoT-data.
Användningsområden
IoT-arkitekturen blir allt mer populär och dess användning i olika sektorer ökar. Följande är de vanligaste användningsområdena:
#1. Sjukvård
Kliniker och sjukhus genererar enorma mängder oanvänd data. Denna data kan användas för att öka effektiviteten och förbättra patientvården.
Med IoT-arkitektur kan vårdinrättningar använda data från olika patienter, även isolerade data. Läkare kan snabbt få tillgång till informationen och reagera på varningar i realtid. IoT-anslutna enheter och hälsostatusövervakare kan ge patientstatus i realtid.
#2. Jordbruk
Jordbrukare kan använda IoT-arkitektur för att öka och hantera sin produktion självständigt.
Det kan också användas för följande:
- Övervakning av jordtemperaturer
- Identifiering av orsaker till maskinfel
- Justering av luftfuktighet och temperatur i växthus
#3. Tillverkning
Tillverkningsindustrin använder IoT-sensorer för att få insikt i sina processer. Dessa sensorer är vanligtvis inte uppkopplade till internet, men de kan ändå beräkna förändringar över tid.
Andra användningsområden för IoT-arkitektur inom denna sektor är:
- Efterfrågeprognoser genom realtidsövervakning av produktionen.
- Identifiering av grundläggande effektivitet genom spårning av cykeltider.
#4. Kommersiella VVS-lösningar
VVS-system är komplexa och får inte ha fel i någon del eller funktion. Fel i systemet kan leda till hög energiförbrukning och ökade underhållskostnader. Med hjälp av IoT-arkitektur kan VVS-systemen leverera tillfredsställande resultat med lägre energiförbrukning.
Att säkerställa konsistens och kvalitet i kommersiella lösningar är en annan användning av IoT. Systemet samlar in och analyserar data automatiskt, med minimal interaktion från användaren, för att meddela om eventuella avvikelser.
#5. Förebyggande av vattenskador i kommersiella fastigheter
Läckor och sprängningar i vattenledningar orsakar skador för miljoner dollar för fastighetsägare och försäkringsbolag. Eftersom vattenanslutningar är dolda är det svårt att upptäcka grundorsaken.
En korrekt konfigurerad IoT-arkitektur kan varna användare om eventuella läckor i realtid med hjälp av effektiva inbyggda sensorer. Den kan också ge relevant platsinformation till de berörda parterna för bättre underhåll av anläggningen. Försäkringsbolag kan också dra nytta av tidig upptäckt av problem.
Dessutom kan sensorerna upptäcka mindre läckor som kan bli ett hot i framtiden, så att användare kan boka tid med rörmokare i god tid.
Framtiden för IoT-arkitekturen
Inom kort förväntas IoT göra stora framsteg i takt med utbyggnaden av 5G-nätverket. Detta kommer att möjliggöra snabbare databearbetning och snabbare implementering av IoT-system.
Med privat 5G kan administratörer skapa ett eget 5G-mobilnätverk och ha full kontroll över det.
Företag behöver inte längre oroa sig för följande problem:
- Hastighetsbegränsningar
- Brist på kompatibilitet
- Extra kostnader för överskriden dataanvändning
- Otillgänglig bandbredd under rusningstid
Avslutande ord
En IoT-arkitektur beskriver hur du kopplar samman alla komponenter i ett IoT-system i ett enhetligt nätverk. Vi har gått igenom alla viktiga tekniska aspekter av arkitekturen för detta system.
Detaljerad kunskap om IoT-arkitektur kan hjälpa dig att skapa affärsmässiga lösningar inom hälso- och sjukvård, tillverkning och jordbruk. Användare kan till och med gå bortom de användningsområden som nämns i den här artikeln och implementera IoT i olika sektorer som ännu inte har utforskats.
Du kanske också vill ta en titt på våra artiklar om IoT-utbildningsresurser och IoT-startpaket.