Aprenda la arquitectura de Internet de las cosas (IoT) en 5 minutos o menos [+ Casos de uso]

Explore la arquitectura de Internet de las cosas (IoT) para personalizar un marco de IoT para uso empresarial.

Los futuros almacenes, cadenas de suministro, plantas de fabricación y centros logísticos apoyarán el Internet de las cosas. Debido a que la tecnología es compleja, pocos gigantes de TI saben lo que hay debajo de ella. Sin embargo, también puedes descifrarlo aprendiendo la tecnología desde adentro.

Sigue leyendo si también quieres hacer tu negocio más inteligente u ofrecer soluciones IoT como servicio. El artículo explica la arquitectura de IoT, el núcleo que proporciona automatización y comodidad, y algunos casos de uso populares.

Introducción

El Internet de las cosas incluye sensores, dispositivos e interfaces electrónicas que recopilan, procesan y envían datos en forma de comandos a las máquinas finales.

Todas estas son variables o partes móviles en un sistema IoT. El marco que define cómo organizar estas partes móviles y crear la estructura final de IoT es la arquitectura de IoT.

La arquitectura de IoT le indica cómo conectar y utilizar dispositivos del sistema IoT, software en la nube y redes de sensores. Sin mencionar que la resolución de problemas del sistema también ocurre en la arquitectura de IoT.

La estructura básica para esto serían las tres capas de componentes en un sistema IoT. Estos son los que se muestran a continuación:

• Sensores, actuadores, dispositivos, etc. bajo la capa de percepción
• LAN, Wi-Fi, 5G, 4G, etc. crean la capa de red
• La interfaz gráfica de usuario es la capa de aplicación.

La arquitectura IoT garantiza que conozca todos los componentes, flujos de datos y comandos de dispositivos finales en el sistema. De esta manera, puede proteger, mantener y controlar de manera efectiva sus sistemas IoT.

Niveles de arquitectura de Internet de las Cosas

La arquitectura del sistema IoT tiene varias capas que funcionan como medios digitales a través de los cuales los datos del sensor ingresan a la aplicación en la nube. Luego, la aplicación en la nube toma decisiones en función de un flujo de trabajo predefinido para dispositivos finales, como brazos robóticos en la planta de fabricación.

Finalmente, estas decisiones fluyen hacia los dispositivos finales a través de la misma capa. Comprender estas capas le permitirá crear una arquitectura IoT exitosa. Estas son las capas de una arquitectura IoT que necesita saber:

Capa sensorial-perceptiva

La capa de percepción consiste en dispositivos de punto final que recopilan datos del universo físico. Las aplicaciones digitales pueden analizar los datos recopilados.

Dado que esta capa permanece en contacto con los objetos del mundo real, los expertos en IoT también se refieren a ella como la capa física. A continuación se presentan algunos dispositivos bien conocidos que se conectan a la capa de percepción:

• Sensores como girómetros, sensores de velocidad, sensores de identificación de radiofrecuencia (RFID), sensores químicos, etc.
• Actuadores y manipuladores de robots
• Cámaras de CCTV, sistemas de acceso a la puerta, etc.
• Termostatos, HVAC, rociadores de agua, elementos de calefacción, etc.

La mayoría de los dispositivos IoT industriales recopilan datos para la capa de procesamiento. Para los dispositivos IoT de inicio, la capa de percepción también puede ser la capa de procesamiento. Por ejemplo, el termostato de aprendizaje de nidos.

Capa de datos de red/transporte

La capa de red maneja el transporte de datos entre todas las capas de la arquitectura IoT. Esta capa también define la topología de la red para toda la red de dispositivos, aplicaciones en la nube y bases de datos.

Las partes vitales de esta capa son puertas de enlace de Internet, puertos de intranet, puertas de enlace de red y sistemas de adquisición de datos (DAS). Para los protocolos de conectividad de red anteriores, puede confiar en los siguientes dispositivos físicos:

• Wifi
• Redes de área amplia (WAN)
• 4G LTE/ 5G
• Bluetooth baja potencia
• Comunicación de campo cercana (NFC)

A través de esta capa, varios dispositivos finales y aplicaciones en la nube se comunican entre sí. Los datos del sensor como la temperatura, la velocidad, la humedad, etc. pasan a través de la capa de red para llegar a otras capas.

Capa de procesamiento de datos

La capa de procesamiento procesa, analiza y almacena datos antes de que se envíe al centro de datos. Incluye Analytics de borde en la computación de borde, inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML). Las tareas críticas como la toma de decisiones también se realizan en esta capa.

La capa de procesamiento realiza todas las tareas de toma de decisiones. Sin embargo, también puede anular su decisión o mejorar el sistema tomando decisiones ad-hoc en la capa de aplicación, una característica que es esencial para el control humano de las máquinas inteligentes.

Aplicación de aplicación o GUI

La mayoría de los sistemas IoT, como Google Home, Amazon Alexa, etc., funcionan sin intervención humana. Sin embargo, necesita una interfaz gráfica de usuario para agregar flujos de trabajo IoT, cambiar la configuración, agregar dispositivos, etc. Esta es la capa de aplicación.

A continuación se presentan algunos requisitos vitales para la capa de aplicación en la arquitectura IoT:

• Paseando problemas de comando de voz
• Comunicarse con miles de sensores y puntos finales desde una pantalla pequeña
• Agregue nuevos dispositivos a un sistema IoT existente sin detener toda la operación comercial.
• Monitorear la salud del sistema y mantener dispositivos cuando aparezca una indicación en el tablero
• Cree nuevas reglas o flujos de trabajo para sistemas IoT.
• Crear y adherirse a un acuerdo de nivel de servicio (SLA)

En las instalaciones industriales, necesitará principalmente un tablero centralizado en el monitor de su computadora para supervisar todos los sistemas IoT. Desde el panel de control, puede interactuar con cualquiera o todos los sistemas IoT deteniendo, deteniendo o reiniciando dispositivos.

Nivel empresarial

El nivel comercial convierte los datos almacenados en información útil. Dichos informes pueden ser utilizados por gerentes de negocios, directores técnicos y otros. Les ayuda a tomar decisiones para mejorar la productividad.

Esta capa implica principalmente la integración de aplicaciones comerciales. Por ejemplo, Enterprise Resource Planners (ERP), aplicaciones de inteligencia empresarial (BI), aplicaciones de visualización de datos, etc.

Aquí, los analistas de datos pueden procesar los datos y ponerlos en una herramienta BI como Tableau, Power BI, etc. para conocer el rendimiento general del sistema IoT. También puede crear pronósticos basados en la capacidad de producción actual y las necesidades futuras del mercado.

Etapas de arquitectura de IoT

Para realizar una arquitectura de sistemas IoT de alto nivel, debe comprender las etapas de este sistema:

Objetos

La etapa del objeto comienza con la implementación de la capa física. Aquí debe conectar dispositivos, sensores y actuadores inteligentes a la red IoT y las máquinas finales.

Los sensores pueden ser conectados o inalámbricos. El objetivo principal es recopilar datos reales y convertirlos en datos digitales para la capa de procesamiento.

Puerta

Se debe configurar una puerta de enlace Intranet o Internet. En este paso, los módems y los enrutadores recopilan datos de sensores y puntos finales.

Estos dispositivos de puerta de enlace transmitirán los datos digitales a la capa de procesamiento y la capa de aplicación. La mayoría de las arquitecturas IoT utilizan un sistema de adquisición de datos en esta etapa.

Sistemas de TI

Los sistemas IoT recopilan datos analógicos y sistemas de adquisición de datos lo convierten en datos digitales. Por lo tanto, la cantidad de postprocesamiento de datos digitales es enorme. Aquí viene el sistema periférico de TI.

En esta etapa, envía los datos recopilados al sistema de TI offshore donde los algoritmos de inteligencia artificial y aprendizaje automático procesan y almacenan solo los datos que se pueden usar.

Centros de almacenamiento en la nube/datos

Una vez que el sistema de TI en alta mar ha procesado y filtrado los datos importantes, debe colocarlos en una instalación de almacenamiento accesible. La capa de aplicación de la arquitectura IoT se conectará a la etapa de almacenamiento.

La etapa de almacenamiento es básicamente un almacenamiento en la nube privado donde puede almacenar datos de IoT en bases de datos estructuradas. Si está buscando soluciones asequibles, también puede probar nubes públicas.

requerimientos no funcionales

№1. Seguridad

Para garantizar la seguridad interna de la arquitectura, no deben estar vinculados a ella. Los dispositivos deben estar registrados y poder intercambiar datos de forma segura.

Además, todos los usuarios y datos deben tener acceso seguro a la arquitectura. Los usuarios autorizados del sistema deben comunicarse con controles de seguridad.

№ 2. rendimiento

El sistema IoT debe ser compatible con datos no estructurados y estructurados. La implementación de la plataforma debe ser compatible con la nube, las instalaciones y la nube híbrida.

El tiempo de respuesta aceptable para los usuarios y la comunicación bidireccional casi en tiempo real y las marcas de tiempo detalladas son otros requisitos no funcionales importantes de esta arquitectura.

№3. Capacidad de gestión

La arquitectura IoT debe incluir notificaciones y alertas por cualquier problema. Debe apoyar la gestión de decisiones para identificar rápidamente las causas de los problemas de un nodo centralizado.

№ 4. Mantenimiento

Los dispositivos y el sistema IoT deben ser adaptables. La arquitectura debe ser lo suficientemente flexible como para adaptarse rápidamente a los cambios en los usuarios, procesos y datos. También debe realizar el mantenimiento sin el retraso de los acuerdos de nivel de servicio (SLA)

№ 5. Disponibilidad

Algunas áreas y soluciones requieren disponibilidad las 24 horas, los 7 días de la semana, de sistemas IoT. Por ejemplo, la arquitectura IoT de un hospital o laboratorio requiere que el sistema siempre esté en funcionamiento.

Arquitectura de IoT en MongoDB Atlas

Arquitectura IoT en MongoDB Atlas Image de MongoDB. com

Las diversas capas en una arquitectura IoT producen terabytes de datos. El uso de una base de datos en la nube habilitada por Internet de las cosas es ideal para almacenar datos de manera organizada.

Una gran base de datos en la nube que puede usar es MongoDB Atlas. Aquí hay algunos ejemplos de su uso en la arquitectura IoT:

• MongoDB RealmsDK y MongoDB Server para crear una base de datos e interfaz. Las aplicaciones y dispositivos móviles pueden usar estas bases de datos e interfaces.
• En la capa de red, puede usar Atlas MongoDB para configurar e implementar servidores IoT.
• Use la serie de tiempo MongoDB 5. 0 como repositorio para datos continuos de medición de IoT.
• Si su sistema de Internet de las cosas experimenta interrupciones de conectividad de red, puede usar la sincronización fuera de línea de Atlas App Services.
• Puede usar el conector MongoDB para los gráficos de BI y MongoDB a nivel comercial para extraer información útil de los datos de IoT.

Casos de uso

La arquitectura de IoT se está volviendo más popular día a día y su uso en varios sectores está aumentando. Los siguientes son sus casos de uso más comunes:

№1. Cuidado de la salud

Las clínicas y los hospitales generan terabytes de datos no utilizados. Puede utilizar esto para mejorar la eficiencia operativa y la atención al paciente.

Con la arquitectura IoT, las instituciones pueden utilizar datos aislados de pacientes. Los médicos pueden recuperar rápidamente y utilizar la información para responder rápidamente a las alertas. Los dispositivos vinculados a la infraestructura de IoT y los monitores de salud pueden ofrecer el estado del paciente en tiempo real.

No. 2. Agricultura

Los agricultores pueden utilizar la arquitectura de IoT para aumentar de forma autónoma y administrarla.

También puede ver su uso en lo siguiente:

• Monitoreo de la temperatura del suelo
• Identificar las causas de las desgloses de maquinaria
• Ajustar los niveles de humedad y temperatura para las plantaciones interiores

№3. Fabricación

En la industria manufacturera, los sensores IoT se utilizan para obtener información sobre los procesos. Por lo general, no están conectados a Internet. Estos sensores de corto alcance también son capaces de calcular los cambios con el tiempo.

Los siguientes son otros usos de la arquitectura IoT en este sector:

• Pronóstico de demanda a través del monitoreo de producción en tiempo real
• Conocer la eficiencia basal a través del seguimiento del tiempo de ciclo

№ 4. Soluciones comerciales de HVAC

HVAC es un sistema complejo que no puede permitir que ningún elemento o función falle. Si esto sucede, las consecuencias serán un alto consumo de energía y costos de mantenimiento adicionales. Al utilizar la arquitectura IoT, se puede hacer HVAC para ofrecer un rendimiento satisfactorio al permitirles operar en niveles de potencia más bajos.

Asegurar la consistencia y la calidad de las soluciones comerciales es otra aplicación de IoT. El sistema recopila y analiza automáticamente datos con una intervención mínima del usuario para notificarle cualquier anomalía.

№ 5. Prevención de daños por agua en apartamentos comerciales

Las fugas y las tuberías de agua de estallido cuestan a los propietarios y compañías de seguros millones de dólares. La invisibilidad de las conexiones de plomería dificulta la detección de la causa raíz.

Una arquitectura IoT configurada adecuadamente puede alertar a los usuarios de cualquier filtración en tiempo real con sensores integrados efectivos. También proporciona a las partes interesadas datos de ubicación contextual para un mejor mantenimiento de activos. Las compañías de seguros también se benefician de esta detección temprana de problemas.

Además, los sensores también pueden detectar fugas menores que podrían ser una amenaza potencial en el futuro. De esta manera, los usuarios pueden programar citas con plomeros.

El futuro de la arquitectura de Internet de las cosas

El IoT pronto verá el progreso evolutivo con el aumento de las redes 5G. Será posible procesar datos más rápido que nunca. Sin mencionar la implementación rápida de los sistemas IoT.

Usando 5G privado, los administradores pueden ejecutar una red móvil privada 5G y tener un control completo sobre ella.

Las operaciones de nivel empresarial no enfrentarán los siguientes desafíos:

• Acelerador de velocidad
• Falta de interoperabilidad
• Cargos adicionales por exceder el uso de datos
• La falta de disponibilidad del ancho de banda durante las horas pico

Ultimas palabras

IoT Architecture le dice cómo conectar todos los componentes de un sistema IoT en una red cohesiva. Por lo tanto, hemos cubierto todos los aspectos técnicos críticos de la arquitectura de este sistema.

Un conocimiento detallado de la arquitectura IoT puede ayudarlo a crear soluciones de nivel comercial en atención médica, fabricación y agricultura. Los usuarios incluso pueden ir más allá de los casos de uso mencionados en este artículo e implementar IoT en varios sectores que aún no se han explorado.

También puede consultar nuestros artículos sobre recursos de capacitación de IoT y kits de inicio de IoT.