Descubra a estrutura da internet das coisas (IoT) para estabelecer um sistema de IoT eficaz para aplicações comerciais.
Em breve, armazéns, cadeias de distribuição, fábricas e centros de logística serão movidos pela IoT. Dada a complexidade da tecnologia, apenas algumas grandes empresas de tecnologia compreendem plenamente seus detalhes. No entanto, ao explorar a fundo a tecnologia, você também pode desvendá-la.
Continue a leitura se deseja aprimorar a inteligência de sua empresa ou oferecer soluções de IoT como um serviço. Este artigo explica a arquitetura da IoT, o núcleo da automação e conveniência, além de alguns casos de uso populares.
Introdução
A IoT abrange sensores, dispositivos e interfaces eletrónicas que coletam, processam e enviam dados como instruções para máquinas terminais.
Estes são todos os elementos variáveis num sistema de IoT. A arquitetura de IoT é uma estrutura que define como organizar essas peças e estabelecer a estrutura final de IoT.
A arquitetura de IoT mostra como conectar e gerir os dispositivos do sistema de IoT, software em nuvem e redes de sensores. A resolução de problemas do sistema também ocorre dentro da arquitetura de IoT.
Uma estrutura básica consistiria em três camadas de componentes num sistema de IoT:
- Sensores, atuadores, dispositivos, etc., na camada de perceção.
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G, etc., formam a camada de rede.
- Uma interface gráfica do utilizador é a camada de aplicação.
A arquitetura de IoT garante que você esteja ciente de todos os componentes, fluxos de dados e instruções do dispositivo final dentro do sistema. Portanto, pode proteger, dar suporte e controlar seus sistemas de IoT de forma eficiente.
Camadas da arquitetura de IoT
Uma arquitetura de sistema de IoT possui várias camadas que atuam como o meio digital através do qual os dados do sensor chegam à aplicação na nuvem. Então, a aplicação na nuvem toma decisões baseada num fluxo de trabalho predefinido para os dispositivos terminais, como braços robóticos em uma fábrica.
Finalmente, essas decisões são transmitidas para os dispositivos terminais através da mesma camada. Ao compreender essas camadas, pode criar uma arquitetura de IoT bem-sucedida. Aqui estão as camadas da arquitetura de IoT que deve conhecer:
A Camada Sensorial/Perceção
A camada de perceção consiste nos dispositivos finais que coletam dados do mundo físico. Aplicações digitais podem analisar os dados recolhidos.
Como esta camada mantém contato com objetos do mundo real, os especialistas em IoT também a chamam de camada física. Abaixo estão alguns dispositivos notáveis que se ligam à camada de perceção:
- Sensores como giroscópios, sensores de velocidade, sensores de identificação por radiofrequência (RFID), sensores químicos, etc.
- Atuadores e braços robóticos.
- Câmaras de segurança, sistemas de acesso a portas, etc.
- Termostatos, HVACs, aspersores de água, elementos de aquecimento, etc.
A maioria dos dispositivos de IoT industrial recolhe dados para a camada de processamento. Para dispositivos de IoT domésticos, a camada de perceção também pode ser a camada de processamento. Por exemplo, o Nest Learning Thermostat.
A Camada de Transporte de Rede/Dados
A camada de rede lida com o transporte de dados entre todas as camadas de uma arquitetura de IoT. Esta camada também define a topologia da rede para toda a rede de dispositivos, aplicações em nuvem e bases de dados.
As partes cruciais desta camada são gateways de internet, portas de intranet, gateways de rede e sistemas de aquisição de dados (DAS). Para os protocolos de conectividade de rede, pode contar com os seguintes dispositivos físicos:
- Wi-Fi
- Redes de longa distância (WAN)
- 4G LTE/5G
- Bluetooth de baixa energia
- Comunicação de campo próximo (NFC)
Através desta camada, vários dispositivos terminais e aplicações na nuvem comunicam-se entre si. Os dados do sensor, como temperatura, velocidade, humidade, etc., viajam pela camada de rede para alcançar outras camadas.
A Camada de Processamento de Dados
A camada de processamento trata, analisa e armazena os dados antes de transferi-los para um centro de dados. Inclui análise de borda na computação de borda, inteligência artificial (IA) e aprendizagem automática (ML). Tarefas cruciais, como tomar decisões, também ocorrem nesta camada.
A camada de processamento executa todas as tarefas de tomada de decisão. No entanto, também pode anular a sua decisão ou melhorar o sistema tomando decisões ad hoc na camada de aplicação – um recurso altamente necessário para o controlo humano sobre máquinas inteligentes.
A Camada de Aplicação ou GUI
A maioria dos sistemas de IoT, como Google Home, Amazon Alexa, etc., funciona sem intervenção humana. No entanto, precisa de uma interface gráfica do utilizador para adicionar fluxos de trabalho de IoT, alterar parâmetros, adicionar dispositivos etc. Esta é a camada de aplicação.
Alguns requisitos essenciais para a camada de aplicação numa arquitetura de IoT são:
- Ignorar problemas com base em comandos de voz.
- Comunicar-se com milhares de sensores e dispositivos terminais a partir de um ecrã pequeno.
- Adicionar novos dispositivos a um sistema de IoT existente sem desligar toda a operação comercial.
- Observar a integridade do sistema e realizar a manutenção dos dispositivos quando o painel indicar.
- Criar novas regras ou fluxos de trabalho para os sistemas de IoT.
- Criar e seguir um contrato de nível de serviço (SLA).
Em configurações industriais, precisará principalmente de um painel centralizado num monitor de computador para observar todos os sistemas de IoT. No painel, pode interagir com qualquer um ou todos os sistemas de IoT pausando, parando ou reiniciando os dispositivos.
Camada de Negócios
A camada de negócios converte os dados armazenados em insights acionáveis. Gestores, CTOs e outros podem usar esses relatórios. Isso auxilia na tomada de decisões para melhorar a produtividade.
Essa camada inclui principalmente integrações de aplicações de negócios. Por exemplo, planeadores de recursos empresariais (ERPs), aplicações de inteligência de negócios (BI), aplicações de visualização de dados, etc.
Aqui, os analistas de dados podem processar dados e colocá-los numa ferramenta de BI como Tableau, Power BI, etc., para conhecer o desempenho geral do sistema de IoT. Também pode criar previsões com base na capacidade de produção atual e nas necessidades futuras do mercado.
Etapas da arquitetura de IoT
Para implementação da arquitetura de sistemas de IoT de alto nível, é preciso entender as etapas desse sistema:
Objetos
A etapa de objeto começa com a implementação da camada física. Aqui precisa de conectar dispositivos inteligentes, sensores e atuadores com a rede de IoT e as máquinas de ponto final.
Os sensores podem ser com fio ou sem fio. O objetivo principal é recolher dados do mundo real e convertê-los em dados digitais para a camada de processamento.
Porta de Entrada
Deve configurar uma intranet ou gateway de internet. Nesta fase, modems e routers recolhem dados dos sensores e dispositivos de ponto final.
Em seguida, esses dispositivos de gateway transportarão dados digitais para a camada de processamento e a camada de aplicação. A maioria das arquiteturas de IoT usa um sistema de aquisição de dados para esta etapa.
Sistemas de TI
Os sistemas de IoT recolhem dados analógicos e os sistemas de aquisição de dados convertem-nos em dados digitais. Portanto, o tamanho pós-processado dos dados digitais é enorme. Aí entra um sistema de TI de ponta.
Nesta fase, canaliza os dados recolhidos para um sistema de TI de ponta, onde os algoritmos de IA e ML os processam e mantêm apenas os dados acionáveis.
Armazenamento em Nuvem/Centros de Dados
Depois que o sistema de TI de borda processa e filtra dados vitais, deve colocá-los num armazenamento acessível. A camada de aplicação da arquitetura de IoT se conectará ao estágio de armazenamento.
Um estágio de armazenamento é principalmente armazenamento em nuvem privada, onde pode armazenar dados de IoT em bases de dados estruturadas. Se procura soluções acessíveis, também pode experimentar nuvens públicas.
Requisitos não Funcionais
#1. Segurança
Para garantir a segurança interna da arquitetura, não deve haver nenhum dispositivo não autorizado vinculado a ela. Os dispositivos devem ser registrados e capazes de se comunicar com segurança.
Além disso, todos os usuários e dados devem ter acesso seguro à arquitetura. Os usuários autorizados do sistema devem trocar dados com controlos de segurança.
#2. Atuação
O sistema de IoT deve ser compatível com dados não estruturados e estruturados. A implantação da plataforma deve ser compatível com nuvem, no local e nuvem híbrida.
Tempos de resposta aceitáveis para os usuários e comunicações bidirecionais quase em tempo real e carimbos de data/hora granulares são outros requisitos não funcionais essenciais desta arquitetura.
#3. Gerenciabilidade
A arquitetura de IoT deve incluir notificações e alertas para quaisquer problemas. Deve oferecer suporte à gestão de soluções para determinar rapidamente as causas dos problemas a partir de um nó central.
#4. Manutenibilidade
Os dispositivos e o sistema de IoT devem ser adaptáveis. A arquitetura deve ser flexível o suficiente para se adaptar rapidamente às mudanças de utilizador, processo e dados. Também deve realizar a manutenção sem atrasar os acordos de nível de serviço (SLAs).
#5. Disponibilidade
Certos domínios e soluções exigem a disponibilidade 24×7 dos sistemas de IoT. Por exemplo, uma arquitetura de IoT de um hospital ou laboratório precisa que o sistema esteja sempre ativo.
Arquitetura de IoT no MongoDB Atlas
Arquitetura de IoT no MongoDB Atlas Image de MongoDB.com
Várias camadas numa arquitetura de IoT produzem terabytes de dados. O uso de uma base de dados na nuvem habilitada para IoT é ideal para armazenar os dados de forma organizada.
Uma das grandes bases de dados na nuvem que pode usar é o MongoDB Atlas. Aqui estão alguns exemplos do seu uso na arquitetura de IoT:
- MongoDB RealmSDK e MongoDB Server para construir uma base de dados e uma interface. Aplicações e dispositivos móveis podem usar essas bases de dados e interfaces.
- Na camada de rede, pode usar o MongoDB Atlas para configurar e implantar servidores de IoT.
- Use o MongoDB 5.0 Time-Series como armazenamento para dados contínuos de medição de IoT.
- Se o sistema de IoT estiver com conectividade de rede instável, pode usar a sincronização off-line primeiro do Atlas App Services.
- Pode usar o MongoDB Connector for BI e o MongoDB Charts na camada de negócios para extrair insights acionáveis de dados de IoT.
Casos de Uso
A arquitetura de IoT está a tornar-se cada vez mais popular diariamente, e o seu uso em diferentes setores está a aumentar. Os seguintes são os seus casos de uso mais comuns:
#1. Saúde
Clínicas e hospitais geram terabytes de dados inexplorados. Pode usar isso para maior eficiência operacional e atendimento ao paciente.
Com a arquitetura de IoT, as instituições podem colocar em uso dados isolados de pacientes. Os médicos podem obter e usar rapidamente os insights para responder rapidamente aos alertas. Dispositivos vinculados à infraestrutura de IoT e monitores de estado de saúde podem oferecer o estado do paciente em tempo real.
#2. Agricultura
Os agricultores podem usar a arquitetura de IoT para aumentar e gerenciar a produção de forma autónoma.
Também pode ver o seu uso nos seguintes:
- Monitorização da temperatura do solo.
- Encontrar razões para a falha das máquinas.
- Ajustar os níveis de humidade e temperatura para plantações internas.
#3. Manufatura
A indústria de manufatura utiliza sensores de IoT para obter informações sobre os processos. Geralmente não estão conectados à internet. Esses sensores de variantes de curto alcance também são capazes de calcular mudanças ao longo do tempo.
Outros usos da arquitetura de IoT neste setor são os seguintes:
- Previsão de demanda por meio da monitorização da produção em tempo real.
- Conhecer a eficiência da linha de base por meio do rastreamento do tempo de ciclo.
#4. Soluções HVAC Comerciais
O HVAC é um sistema complexo que não pode permitir a falha de nenhum elemento ou função. Se isso acontecer, o alto consumo de energia e os custos extras de manutenção serão as consequências. Usando a arquitetura de IoT, é possível fazer com que os HVACs forneçam uma saída satisfatória, permitindo que funcionem em um nível de energia mais baixo.
Garantir a consistência e a qualidade das soluções comerciais é outro uso da IoT. O sistema recolhe e analisa automaticamente os dados com a necessidade de interação mínima do utilizador para o notificar sobre qualquer anomalia.
#5. Prevenção de Danos Causados pela Água em Apartamentos Comerciais
Vazamentos e rompimento de canos de água causam milhões de dólares a proprietários de residências e seguradoras. A invisibilidade das conexões de água dificulta a deteção da causa raiz.
Uma arquitetura de IoT definida corretamente pode alertar os usuários sobre qualquer vazamento em tempo real com sensores integrados eficientes. Também fornece dados de localização contextual para as partes interessadas para uma melhor manutenção de ativos. As seguradoras também se beneficiam desta deteção precoce de problemas.
Além disso, os sensores também podem detetar pequenos vazamentos que podem se tornar uma ameaça potencial no futuro. Assim, os usuários podem agendar consultas com canalizadores.
Futuro da arquitetura de IoT
Em breve, a IoT está prestes a ver um avanço evolutivo com o crescimento da rede 5G. Será possível processar dados mais rapidamente do que nunca. Sem mencionar a rápida implementação de sistemas de IoT também.
Usando o 5G privado, os administradores podem lançar uma rede móvel 5G pessoal e ter controlo total sobre ela.
As operações de nível empresarial não enfrentarão os seguintes problemas:
- Limitação de velocidade.
- Falta de interoperabilidade.
- Cobranças adicionais por exceder o uso de dados.
- Indisponibilidade de banda nos horários de pico.
Palavras Finais
Uma arquitetura de IoT informa como conectar todos os componentes de um sistema de IoT numa rede coesa. Portanto, cobrimos todos os aspetos técnicos cruciais da arquitetura deste sistema.
Um conhecimento detalhado das arquiteturas de IoT ajuda a criar soluções de nível empresarial em saúde, manufatura e agricultura. Os usuários podem até ir além dos casos de uso mencionados neste artigo e implementar a IoT em vários setores ainda a serem explorados.
Pode também consultar os nossos artigos sobre recursos de aprendizagem de IoT e kits iniciais de IoT.