Aprenda a arquitetura da internet das coisas (IoT) para configurar uma estrutura de IoT para uso comercial.
Os futuros armazéns, cadeias de suprimentos, fábricas e centros de logística serão habilitados para IoT. Como a tecnologia é complexa, apenas alguns gigantes de TI sabem o que está por trás disso. No entanto, você também pode decodificá-lo aprendendo sobre a tecnologia de dentro para fora.
Continue lendo se você também deseja tornar seu negócio mais inteligente ou oferecer soluções de IoT como serviço. O artigo explica a arquitetura IoT, o núcleo que oferece automação e conveniência, e alguns casos de uso populares.
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Introdução
A IoT inclui sensores, dispositivos e interfaces eletrônicas que coletam, processam e enviam dados como comandos para as máquinas terminais.
Todas essas são variáveis ou partes móveis em um sistema IoT. Uma estrutura que define como ordenar essas partes móveis e criar a estrutura IoT final é a arquitetura IoT.
A arquitetura IoT informa como conectar e operar os dispositivos do sistema IoT, software em nuvem e rede de sensores. Sem mencionar que a solução de problemas do sistema também ocorre dentro da arquitetura IoT.
Uma estrutura básica para isso seria três camadas de componentes em um sistema IoT. Estes são os seguintes:
- Sensores, atuadores, dispositivos, etc., sob a camada de percepção
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G, etc., criam a camada de rede
- Uma interface gráfica do usuário é a camada de aplicação
A arquitetura da IoT garante que você conheça todos os componentes, fluxos de dados e comandos do dispositivo final dentro do sistema. Assim, você pode proteger, dar suporte e controlar seus sistemas de IoT com eficácia.
Camadas da arquitetura IoT
Uma arquitetura de sistema IoT tem várias camadas que funcionam como a mídia digital através da qual os dados do sensor chegam ao aplicativo em nuvem. Em seguida, o aplicativo em nuvem toma decisões com base em um fluxo de trabalho predefinido para os dispositivos terminais, como braços robóticos em uma fábrica.
Por fim, essas decisões fluem para os dispositivos terminais por meio da mesma camada. Compreender essas camadas permite que você crie uma arquitetura de IoT bem-sucedida. Aqui estão as camadas de arquitetura de IoT que você deve conhecer:
A Camada Sensorial/Percepção
A camada de percepção consiste nos dispositivos terminais que coletam dados do universo físico. Em seguida, aplicativos digitais podem analisar os dados coletados.
Como essa 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 conectam à camada de percepção:
- Sensores como giroscópios, sensores de velocidade, sensores de identificação por radiofrequência (RFID), sensores químicos, etc.
- Atuadores e braços robóticos
- Câmeras de segurança, sistemas de acesso a portas, etc.
- Termostatos, HVACs, aspersores de água, elementos de aquecimento, etc.
A maioria dos dispositivos IoT industriais coleta dados para a camada de processamento. Para dispositivos IoT domésticos, a camada de percepção 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 IoT. Essa camada também define a topologia de rede para toda a rede de dispositivos, aplicativos em nuvem e bancos de dados.
As partes vitais dessa 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 acima, você 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)
Por meio dessa camada, vários dispositivos terminais e aplicativos em nuvem se comunicam entre si. Os dados do sensor, como temperatura, velocidade, umidade, etc., viajam pela camada de rede para alcançar outras camadas.
A camada de processamento de dados
A camada de processamento processa, analisa e armazena os dados antes de transferi-los para um centro de dados. Inclui análise de borda em computação de borda, inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML). Tarefas cruciais, como tomar decisões, também ocorrem nessa camada.
A camada de processamento realiza todas as tarefas de tomada de decisão. No entanto, você também pode anular sua decisão ou melhorar o sistema tomando decisões ad hoc na camada de aplicativo – um recurso altamente necessário para o controle humano sobre máquinas inteligentes.
A camada de aplicativo ou GUI
A maioria dos sistemas IoT, como Google Home, Amazon Alexa, etc., funciona sem intervenção humana. No entanto, você precisa de uma interface gráfica do usuário para adicionar fluxos de trabalho de IoT, alterar parâmetros, adicionar dispositivos etc. Essa é a camada de aplicativo.
Alguns requisitos vitais para a camada de aplicativo em uma arquitetura IoT são os seguintes:
- Ignorar problemas baseados em comandos de voz
- Comunique-se com milhares de sensores e dispositivos terminais a partir de uma tela pequena
- Adicione novos dispositivos a um sistema IoT existente sem desligar toda a operação comercial
- Observe a integridade do sistema e faça a manutenção dos dispositivos quando o painel indicar
- Crie novas regras ou fluxos de trabalho para os sistemas IoT
- Crie e siga um contrato de nível de serviço (SLA)
Em configurações industriais, você precisará principalmente de um painel centralizado em um monitor de computador para observar todos os sistemas IoT. No painel, você pode interagir com qualquer um ou todos os sistemas IoT pausando, parando ou reiniciando os dispositivos.
Camada de Negócios
A camada de negócios converte os dados armazenados em insights acionáveis. Gerentes de negócios, CTOs e outros podem usar esses relatórios. Isso os ajuda na tomada de decisões para melhorar a produtividade.
Essa camada inclui principalmente integrações de aplicativos de negócios. Por exemplo, planejadores de recursos empresariais (ERPs), aplicativos de inteligência de negócios (BI), aplicativos de visualização de dados, etc.
Aqui, os analistas de dados podem processar dados e colocá-los em uma ferramenta de BI como Tableau, Power BI, etc., para conhecer o desempenho geral do sistema IoT. Você também pode criar previsões com base na capacidade de produção atual e nas necessidades futuras do mercado.
Etapas da arquitetura de IoT
Para implementação de arquitetura de sistemas IoT de alto nível, é preciso entender as etapas desse sistema:
Objetos
A etapa de objeto começa com a implementação da camada física. Aqui você precisa conectar dispositivos inteligentes, sensores e atuadores com a rede IoT e as máquinas de ponto final.
Os sensores podem ser com fio ou sem fio. O objetivo principal é coletar dados do mundo real e convertê-los em dados digitais para a camada de processamento.
Porta de entrada
Você deve configurar uma intranet ou gateway de internet. Nesta fase, modems e roteadores coletam 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 IoT usa um sistema de aquisição de dados para esta etapa.
Sistemas de TI
Os sistemas IoT coletam dados analógicos e os sistemas de aquisição de dados os convertem em dados digitais. Portanto, o tamanho pós-processado dos dados digitais é enorme. Aí vem um sistema de TI de ponta.
Nesta fase, você canaliza os dados coletados 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, você deve colocá-los em um armazenamento acessível. A camada de aplicação da arquitetura IoT se conectará ao estágio de armazenamento.
Um estágio de armazenamento é principalmente armazenamento em nuvem privada, onde você pode armazenar dados IoT em bancos de dados estruturados. Se você está procurando 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 controles de segurança.
#2. atuação
O sistema 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 dessa arquitetura.
#3. Gerenciabilidade
A arquitetura IoT deve incluir notificações e alertas para quaisquer problemas. Ele deve oferecer suporte ao gerenciamento de soluções para determinar rapidamente as causas dos problemas a partir de um nó central.
#4. Manutenibilidade
Os dispositivos e o sistema IoT devem ser adaptáveis. A arquitetura deve ser flexível o suficiente para se adaptar rapidamente às mudanças de usuário, processo e dados. Você 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 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 em uma arquitetura de IoT produzem terabytes de dados. O uso de um banco de dados em nuvem habilitado para IoT é ideal para armazenar os dados de maneira organizada.
Um dos grandes bancos de dados em nuvem que você pode usar é o MongoDB Atlas. Aqui estão alguns exemplos de seu uso na arquitetura IoT:
- MongoDB RealmSDK e MongoDB Server para construir um banco de dados e uma interface. Aplicativos e dispositivos móveis podem usar esses bancos de dados e interfaces.
- Na camada de rede, você pode usar o MongoDB Atlas para configurar e implantar servidores IoT.
- Use o MongoDB 5.0 Time-Series como armazenamento para dados contínuos de medição de IoT.
- Se o sistema IoT estiver com conectividade de rede instável, você pode usar a sincronização off-line primeiro do Atlas App Services.
- Você pode usar MongoDB Connector for BI e MongoDB Charts na camada de negócios para extrair insights acionáveis de dados de IoT.
Casos de uso
A arquitetura IoT está se tornando cada vez mais popular diariamente, e seu uso em diferentes setores está aumentando. Os seguintes são seus casos de uso mais comuns:
#1. Assistência médica
Clínicas e hospitais geram terabytes de dados inexplorados. Você pode usar isso para maior eficiência operacional e atendimento ao paciente.
Com a arquitetura 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 status de saúde podem oferecer status de paciente em tempo real.
#2. Agricultura
Os agricultores podem usar a arquitetura IoT para aumentar e gerenciar a produção de forma autônoma.
Você também pode ver seu uso nos seguintes:
- Monitoramento da temperatura do solo
- Encontrar razões para falha de máquinas
- Ajustando os níveis de umidade e temperatura para plantações internas
#3. Manufatura
A indústria de manufatura utiliza sensores de IoT para obter informações sobre os processos. Eles 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 IoT neste setor são os seguintes:
- Previsão de demanda por meio do monitoramento da produção em tempo real
- Conhecendo 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 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 coleta e analisa automaticamente os dados com a necessidade de interação mínima do usuário para notificá-lo sobre qualquer anomalia.
#5. Prevenção de danos causados pela água em apartamentos comerciais
Vazamento e rompimento de canos de água causam milhões de dólares a proprietários de residências e seguradoras. A invisibilidade das conexões de água dificulta a detecção da causa raiz.
Uma arquitetura de IoT definida corretamente pode alertar os usuários sobre qualquer vazamento em tempo real com sensores integrados eficientes. Ele também fornece dados de localização contextual para as partes interessadas para uma melhor manutenção de ativos. As seguradoras também se beneficiam dessa detecção precoce de problemas.
Além disso, os sensores também podem detectar pequenos vazamentos que podem se tornar uma ameaça potencial no futuro. Assim, os usuários podem agendar consultas com encanadores.
Futuro da arquitetura IoT
Em breve, a IoT está prestes a ver um avanço evolutivo com o crescimento da rede 5G. Será possível processar dados mais rápido do que nunca. Sem mencionar a rápida implantação de sistemas IoT também.
Usando o 5G privado, os administradores podem lançar uma rede móvel 5G pessoal e ter controle 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 IoT informa como conectar todos os componentes de um sistema IoT em uma rede coesa. Portanto, cobrimos todos os aspectos técnicos cruciais da arquitetura desse sistema.
Um conhecimento detalhado das arquiteturas de IoT ajuda você 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.
Você também pode consultar nossos artigos sobre recursos de aprendizado de IoT e kits iniciais de IoT.