Lernen Sie die Architektur des Internets der Dinge (IoT) kennen, um eine IoT-Struktur für die geschäftliche Nutzung einzurichten.
Die zukünftigen Lager, Lieferketten, Produktionsstätten und Logistikzentren werden IoT-fähig sein. Da die Technik komplex ist, wissen nur wenige IT-Giganten, was unter der Haube steckt. Sie können es jedoch auch entschlüsseln, indem Sie die Technologie in- und auswendig lernen.
Lesen Sie weiter, wenn auch Sie Ihr Unternehmen smarter machen oder IoT-Lösungen als Service anbieten möchten. Der Artikel erläutert die IoT-Architektur, den Kern, der Automatisierung und Komfort bietet, sowie einige beliebte Anwendungsfälle.
Inhaltsverzeichnis
Einführung
IoT umfasst Sensoren, Geräte und elektronische Schnittstellen, die Daten sammeln, verarbeiten und als Befehle an die Endpunktmaschinen senden.
Dies sind alles Variablen oder bewegliche Teile in einem IoT-System. Ein Framework, das definiert, wie diese beweglichen Teile angeordnet und die endgültige IoT-Struktur erstellt werden, ist die IoT-Architektur.
Die IoT-Architektur erklärt Ihnen, wie Sie die Geräte, die Cloud-Software und das Sensornetzwerk des IoT-Systems verbinden und betreiben. Ganz zu schweigen von der Systemfehlerbehebung findet auch innerhalb der IoT-Architektur statt.
Ein Grundgerüst dafür wären drei Schichten von Komponenten in einem IoT-System. Diese sind wie folgt:
- Sensoren, Aktoren, Geräte usw. unter der Wahrnehmungsschicht
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G usw. bilden die Netzwerkschicht
- Eine grafische Benutzeroberfläche ist die Anwendungsschicht
Die Architektur des IoT stellt sicher, dass Sie alle Komponenten, Datenflüsse und Endgerätebefehle innerhalb des Systems kennen. So können Sie Ihre IoT-Systeme effektiv sichern, unterstützen und steuern.
Schichten der IoT-Architektur
Eine IoT-Systemarchitektur hat verschiedene Schichten, die als digitale Medien fungieren, durch die Sensordaten die Cloud-Anwendung erreichen. Dann trifft die Cloud-App Entscheidungen basierend auf einem voreingestellten Workflow für die Endpunktgeräte wie Roboterarme in einer Fertigungsanlage.
Schließlich fließen diese Entscheidungen über dieselbe Schicht zu den Endpunktgeräten. Das Verständnis dieser Schichten ermöglicht es Ihnen, eine erfolgreiche IoT-Architektur zu erstellen. Hier sind die IoT-Architekturschichten, die Sie kennen müssen:
Die Sensorik-/Wahrnehmungsebene
Die Wahrnehmungsschicht besteht aus den Endpunktgeräten, die Daten aus dem physischen Universum sammeln. Anschließend können digitale Anwendungen die gesammelten Daten analysieren.
Da diese Schicht mit realen Objekten in Kontakt bleibt, nennen IoT-Experten sie auch die physikalische Schicht. Nachfolgend sind einige bemerkenswerte Geräte aufgeführt, die mit der Wahrnehmungsebene verbunden sind:
- Sensoren wie Gyrometer, Geschwindigkeitssensoren, Radiofrequenz-Identifikationssensoren (RFID), chemische Sensoren usw.
- Aktuatoren und Roboterarme
- Überwachungskameras, Türzugangssysteme usw.
- Thermostate, Klimaanlagen, Wassersprinkler, Heizelemente usw.
Die meisten industriellen IoT-Geräte sammeln Daten für die Verarbeitungsschicht. Bei Heim-basierten IoT-Geräten könnte die Wahrnehmungsschicht auch die Verarbeitungsschicht sein. Zum Beispiel das Nest Learning Thermostat.
Die Netzwerk-/Datentransportschicht
Die Netzwerkschicht übernimmt den Datentransport zwischen allen Schichten einer IoT-Architektur. Diese Schicht definiert auch die Netzwerktopologie für das gesamte Web von Geräten, Cloud-Apps und Datenbanken.
Die wesentlichen Teile dieser Schicht sind Internet-Gateways, Intranet-Ports, Netzwerk-Gateways und Datenerfassungssysteme (DAS). Für die oben genannten Netzwerkverbindungsprotokolle können Sie sich auf die folgenden physischen Geräte verlassen:
- W-lan
- Weitverkehrsnetze (WAN)
- 4G-LTE/ 5G
- Low-Energy-Bluetooth
- Nahfeldkommunikation (NFC)
Über diese Schicht kommunizieren verschiedene Endgeräte und Cloud-Apps miteinander. Sensordaten wie Temperatur, Geschwindigkeit, Feuchtigkeit usw. wandern durch die Netzwerkschicht, um andere Schichten zu erreichen.
Die Datenverarbeitungsschicht
Die Verarbeitungsschicht verarbeitet Analysen und speichert Daten, bevor sie an ein Rechenzentrum übertragen werden. Es umfasst Edge Analytics in Edge Computing, künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML). Auch wichtige Aufgaben wie das Treffen von Entscheidungen finden in dieser Schicht statt.
Die Verarbeitungsschicht erfüllt alle Entscheidungsaufgaben. Sie können seine Entscheidung jedoch auch außer Kraft setzen oder das System verbessern, indem Sie Ad-hoc-Entscheidungen in der Anwendungsschicht treffen – eine Funktion, die für die menschliche Kontrolle über intelligente Maschinen dringend erforderlich ist.
Die Anwendungs- oder GUI-Schicht
Die meisten IoT-Systeme wie Google Home, Amazon Alexa usw. funktionieren ohne menschliches Eingreifen. Sie benötigen jedoch eine grafische Benutzeroberfläche, um IoT-Workflows hinzuzufügen, Parameter zu ändern, Geräte hinzuzufügen usw. Dies ist die Anwendungsschicht.
Einige wichtige Anforderungen für die Anwendungsschicht in einer IoT-Architektur sind wie folgt:
- Umgehen Sie sprachbefehlsbasierte Probleme
- Kommunizieren Sie mit Tausenden von Sensoren und Endpunktgeräten von einem kleinen Bildschirm aus
- Fügen Sie einem bestehenden IoT-System neue Geräte hinzu, ohne den gesamten Geschäftsbetrieb herunterzufahren
- Beobachten Sie den Zustand des Systems und warten Sie die Geräte, wenn das Dashboard dies anzeigt
- Erstellen Sie neue Regeln oder Workflows für die IoT-Systeme
- Erstellen und befolgen Sie eine Service-Level-Vereinbarung (SLA)
In industriellen Umgebungen benötigen Sie meistens ein zentralisiertes Dashboard auf einem Computermonitor, um alle IoT-Systeme zu beobachten. Auf dem Dashboard können Sie mit beliebigen oder allen IoT-Systemen interagieren, indem Sie die Geräte anhalten, stoppen oder neu starten.
Business-Schicht
Die Business-Schicht wandelt gespeicherte Daten in umsetzbare Erkenntnisse um. Unternehmensmanager, CTOs und mehr können solche Berichte verwenden. Es hilft ihnen bei der Entscheidungsfindung zur Produktivitätssteigerung.
Diese Schicht umfasst hauptsächlich Integrationen von Business-Apps. Beispielsweise Enterprise Resource Planner (ERPs), Business Intelligence (BI)-Apps, Datenvisualisierungs-Apps usw.
Hier können Datenanalysten Daten verarbeiten und in ein BI-Tool wie Tableau, Power BI usw. einfügen, um die Gesamtleistung des IoT-Systems zu ermitteln. Sie können auch Prognosen basierend auf der aktuellen Produktionskapazität und dem zukünftigen Marktbedarf erstellen.
Phasen der IoT-Architektur
Für die Implementierung einer High-Level-IoT-Systemarchitektur muss man die Phasen dieses Systems verstehen:
Objekte
Die Objektphase beginnt mit der Implementierung der physikalischen Schicht. Hier müssen Sie intelligente Geräte, Sensoren und Aktoren mit dem IoT-Netzwerk und den Endpunktmaschinen verbinden.
Sensoren können verdrahtet oder drahtlos sein. Das Hauptziel besteht darin, reale Daten zu sammeln und sie in digitale Daten für die Verarbeitungsschicht umzuwandeln.
Tor
Sie müssen ein Intranet- oder Internet-Gateway einrichten. In dieser Phase sammeln Modems und Router Daten von den Sensoren und Endpunktgeräten.
Dann transportieren diese Gateway-Geräte digitale Daten zur Verarbeitungsschicht und zur Anwendungsschicht. Die meisten IoT-Architekturen verwenden für diese Phase ein Datenerfassungssystem.
IT-Systeme
IoT-Systeme sammeln analoge Daten und Datenerfassungssysteme wandeln diese in digitale Daten um. Daher ist die nachbearbeitete Größe digitaler Daten enorm. Hier kommt ein Edge-IT-System.
In dieser Phase leiten Sie die gesammelten Daten an ein Edge-IT-System weiter, wo KI- und ML-Algorithmen sie verarbeiten und nur verwertbare Daten speichern.
Cloud-Speicher/Rechenzentren
Sobald das Edge-IT-System wichtige Daten verarbeitet und gefiltert hat, müssen Sie sie in einen zugänglichen Speicher stellen. Die Anwendungsschicht der IoT-Architektur wird mit der Speicherstufe verbunden.
Eine Speicherstufe ist hauptsächlich privater Cloud-Speicher, in dem Sie IoT-Daten in strukturierten Datenbanken speichern können. Wenn Sie nach erschwinglichen Lösungen suchen, können Sie auch Public Clouds ausprobieren.
Nicht-funktionale Anforderungen
#1. Sicherheit
Um die interne Sicherheit der Architektur zu gewährleisten, sollten keine nicht autorisierten Geräte damit verbunden sein. Die Geräte sollten registriert und in der Lage sein, sicher zu kommunizieren.
Darüber hinaus sollten alle Benutzer und Daten sicheren Zugriff auf die Architektur haben. Autorisierte Systembenutzer müssen Daten mit Sicherheitskontrollen austauschen.
#2. Leistung
Das IoT-System muss mit unstrukturierten und strukturierten Daten kompatibel sein. Die Bereitstellung der Plattform sollte mit der Cloud, On-Premise und Hybrid Cloud kompatibel sein.
Akzeptable Reaktionszeiten für Benutzer und bidirektionale Kommunikation nahezu in Echtzeit sowie granulare Zeitstempel sind weitere wesentliche nicht-funktionale Voraussetzungen dieser Architektur.
#3. Handhabbarkeit
Die IoT-Architektur muss Benachrichtigungen und Warnungen für alle Probleme enthalten. Es muss das Lösungsmanagement unterstützen, um die Ursachen der Probleme von einem zentralen Knoten aus schnell zu ermitteln.
#4. Wartbarkeit
Die Geräte und das IoT-System sollten anpassungsfähig sein. Die Architektur muss flexibel genug sein, um sich schnell an Benutzer-, Prozess- und Datenänderungen anzupassen. Sie müssen auch Wartungsarbeiten durchführen, ohne die Vereinbarungen zum Servicelevel (SLAs) zu verzögern.
#5. Verfügbarkeit
Bestimmte Domänen und Lösungen erfordern die 24×7-Verfügbarkeit von IoT-Systemen. Beispielsweise erfordert eine IoT-Architektur eines Krankenhauses oder Labors, dass das System immer verfügbar ist.
IoT-Architektur in MongoDB Atlas
IoT-Architektur auf MongoDB Atlas Bild von MongoDB.com
Verschiedene Schichten in einer IoT-Architektur produzieren Terabytes an Daten. Die Verwendung einer IoT-fähigen Cloud-Datenbank ist ideal, um die Daten organisiert zu speichern.
Eine der großartigen Cloud-Datenbanken, die Sie verwenden könnten, ist MongoDB Atlas. Hier sind einige Beispiele für die Verwendung in der IoT-Architektur:
- MongoDB RealmSDK und MongoDB Server zum Erstellen einer Datenbank und einer Schnittstelle. Mobile Apps und Geräte können diese Datenbanken und Schnittstellen nutzen.
- Auf der Netzwerkebene können Sie MongoDB Atlas verwenden, um IoT-Server zu konfigurieren und bereitzustellen.
- Verwenden Sie MongoDB 5.0 Time-Series als Speicher für kontinuierliche IoT-Messdaten.
- Wenn das IoT-System eine abgehackte Netzwerkkonnektivität aufweist, können Sie die Offline-First-Synchronisierung von Atlas App Services verwenden.
- Sie können MongoDB Connector for BI und MongoDB Charts auf der Geschäftsebene verwenden, um umsetzbare Erkenntnisse aus IoT-Daten zu extrahieren.
Anwendungsfälle
Die IoT-Architektur wird täglich immer beliebter und ihre Verwendung in verschiedenen Sektoren nimmt zu. Die folgenden sind die häufigsten Anwendungsfälle:
#1. Gesundheitspflege
Kliniken und Krankenhäuser generieren Terabytes an ungenutzten Daten. Sie können dies für eine höhere Betriebseffizienz und Patientenversorgung nutzen.
Mit der IoT-Architektur können Institutionen isolierte Patientendaten verwenden. Ärzte können die Erkenntnisse schnell abrufen und nutzen, um schnell auf Warnungen zu reagieren. Mit der IoT-Infrastruktur verbundene Gadgets und Gesundheitszustandsmonitore können den Patientenstatus in Echtzeit anzeigen.
#2. Landwirtschaft
Landwirte können die IoT-Architektur nutzen, um die Produktion autonom zu steigern und zu verwalten.
Sie können seine Verwendung auch im Folgenden sehen:
- Überwachung der Bodentemperatur
- Gründe für Maschinenausfälle finden
- Anpassen von Feuchtigkeit und Temperatur für Indoor-Plantagen
#3. Herstellung
Die Fertigungsindustrie nutzt IoT-Sensoren, um Einblicke in Prozesse zu erhalten. Sie sind in der Regel nicht mit dem Internet verbunden. Diese Sensoren der Short-Range-Varianten sind auch in der Lage, zeitliche Veränderungen zu berechnen.
Andere Anwendungen der IoT-Architektur in diesem Sektor sind wie folgt:
- Bedarfsprognose durch Echtzeit-Produktionsüberwachung
- Kennen der Basiseffizienz durch Zykluszeitverfolgung
#4. Kommerzielle HLK-Lösungen
HVAC ist ein komplexes System, das sich den Ausfall eines Elements oder einer Funktion nicht leisten kann. Wenn es dazu kommt, sind ein hoher Energieverbrauch und zusätzliche Wartungskosten die Folgen. Mithilfe der IoT-Architektur ist es möglich, dass HLK-Anlagen eine zufriedenstellende Leistung erbringen und gleichzeitig mit einem niedrigeren Leistungsniveau betrieben werden können.
Die Sicherstellung der Konsistenz und Qualität kommerzieller Lösungen ist ein weiterer Einsatzbereich des IoT. Das System sammelt und analysiert automatisch Daten mit der Notwendigkeit einer minimalen Benutzerinteraktion, um Sie über Anomalien zu informieren.
#5. Wasserschadensverhütung in gewerblichen Wohnungen
Wasserleitungslecks und -brüche verursachen Hausbesitzern und Versicherungsunternehmen Millionen von Dollar. Die Unsichtbarkeit von Wasseranschlüssen macht es schwierig, die Ursache zu finden.
Eine richtig eingestellte IoT-Architektur kann die Benutzer mit effizienten integrierten Sensoren in Echtzeit auf Lecks aufmerksam machen. Es stellt den Stakeholdern auch kontextbezogene Standortdaten für eine bessere Asset-Wartung zur Verfügung. Auch Versicherungsunternehmen profitieren von dieser Früherkennung von Problemen.
Darüber hinaus können die Sensoren auch kleinere Leckagen erkennen, die in Zukunft zu einer potenziellen Bedrohung werden könnten. So können Benutzer Termine mit Klempnern vereinbaren.
Zukunft der IoT-Architektur
Bald wird IoT mit dem Wachstum des 5G-Netzwerks einen evolutionären Fortschritt erleben. Es wird möglich sein, Daten schneller denn je zu verarbeiten. Ganz zu schweigen von der schnellen Bereitstellung von IoT-Systemen.
Mit privatem 5G können Administratoren ein persönliches 5G-Mobilfunknetz starten und die volle Kontrolle darüber haben.
Die Operationen auf Unternehmensebene werden nicht mit den folgenden Problemen konfrontiert sein:
- Geschwindigkeitsdrosselung
- Fehlende Interoperabilität
- Zusätzliche Gebühren für übermäßige Datennutzung
- Nichtverfügbarkeit der Bandbreite während der Spitzenzeiten
Letzte Worte
Eine IoT-Architektur sagt Ihnen, wie Sie alle Komponenten eines IoT-Systems in einem zusammenhängenden Netzwerk verbinden. Daher haben wir alle entscheidenden technischen Aspekte der Architektur dieses Systems abgedeckt.
Ein detailliertes Wissen über IoT-Architekturen hilft Ihnen bei der Erstellung von Unternehmenslösungen in den Bereichen Gesundheitswesen, Fertigung und Landwirtschaft. Benutzer können sogar über die in diesem Artikel erwähnten Anwendungsfälle hinausgehen und IoT in verschiedenen noch zu erforschenden Sektoren implementieren.
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