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

Aprenda la arquitectura de Internet de las cosas (IoT) para configurar una estructura de IoT para uso comercial.

Los futuros almacenes, cadenas de suministro, plantas de fabricación y centros logísticos estarán habilitados para IoT. Dado que la tecnología es compleja, solo unos pocos gigantes de TI saben lo que hay debajo del capó. Sin embargo, también puede decodificarlo aprendiendo sobre la tecnología de adentro hacia afuera.

Continúe leyendo si también quiere hacer su negocio más inteligente u ofrecer soluciones IoT como servicio. El artículo explica la arquitectura de IoT, el núcleo que ofrece automatización y comodidad, y algunos casos de uso populares.

Introduction

IoT incluye sensores, dispositivos e interfaces electrónicas que recopilan, procesan y envían datos como comandos a las máquinas de punto final. 

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

La arquitectura IoT le indica cómo conectar y operar los dispositivos del sistema IoT, el software en la nube y la red de sensores. Sin mencionar que la solución de problemas del sistema también se lleva a cabo dentro de la arquitectura de IoT. 

Un marco básico para esto sería tres capas de componentes en un sistema IoT. Estos son los siguientes: 

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

La arquitectura de IoT garantiza que conozca todos los componentes, flujos de datos y comandos de dispositivos finales dentro del sistema. Por lo tanto, puede asegurar, respaldar y controlar sus sistemas IoT de manera efectiva. 

Layers of IoT Architecture

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

Finalmente, estas decisiones fluyen hacia los dispositivos de punto final a través de la misma capa. Comprender estas capas le permite crear una arquitectura IoT exitosa. Estas son las capas de arquitectura de IoT que debe conocer:

La capa sensorial/de percepción

La capa de percepción consta de los dispositivos de punto final que recopilan datos del universo físico. Luego, las aplicaciones digitales pueden analizar los datos recopilados.

Dado que esta capa se mantiene en contacto con los objetos del mundo real, los expertos en IoT también la llaman capa física. A continuación se muestran algunos dispositivos notables que se conectan a la capa de percepción: 

• Sensores como giroscopios, sensores de velocidad, sensores de identificación por radiofrecuencia (RFID), sensores químicos, etc.
• Actuadores y brazos robóticos
• Cámaras de seguridad, sistemas de acceso a puertas, 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 basados ​​en el hogar, la capa de percepción también podría ser la capa de procesamiento. Por ejemplo, el Nest Learning Thermostat.

La capa de transporte de red/datos

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

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

• Wi-Fi
• Redes de área amplia (WAN)
• 4G LTE/ 5G
• Bluetooth de bajo consumo
• Comunicación de campo cercano (NFC) 

A través de esta capa, varios dispositivos de punto final y aplicaciones en la nube se comunican entre sí. Los datos de los sensores, como la temperatura, la velocidad, la humedad, etc., viajan a través de la capa de red para llegar a otras capas. 

La capa de procesamiento de datos

La capa de procesamiento procesa los análisis y almacena los datos antes de transferirlos a un centro de datos. Incluye Análisis de borde en informática perimetral, inteligencia artificial (IA) y máquina de aprendizaje (ML). Tareas cruciales como la toma de decisiones también tienen lugar en esta capa. 

La capa de procesamiento lleva a cabo 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 muy necesaria para el control humano sobre las máquinas inteligentes.     

La capa 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 IoT workflows, cambiar parámetros, agregar dispositivos, etc. Esta es la capa de aplicación.

Algunos requisitos vitales para la capa de aplicación en una arquitectura IoT son los siguientes: 

• Omitir problemas basados ​​en comandos de voz
• Comuníquese con miles de sensores y dispositivos de punto final desde una pantalla pequeña
• Agregue nuevos dispositivos a un sistema IoT existente sin cerrar toda la operación comercial
• Observe el estado del sistema y dé servicio a los dispositivos cuando el tablero lo indique.
• Crear nuevas reglas o workflows para los sistemas IoT
• Crear y seguir un acuerdo de nivel de servicio (SLA)  

En configuraciones industriales, necesitará principalmente un tablero centralizado en un monitor de computadora para observar todos los sistemas de IoT. En el tablero, puede interactuar con cualquiera o todos los sistemas IoT pausando, deteniendo o reiniciando los dispositivos.  

Capa empresarial

La capa empresarial convierte los datos almacenados en información procesable. Los gerentes comerciales, los CTO y más pueden usar dichos informes. Les ayuda en la toma de decisiones para mejorar la productividad.

Esta capa incluye principalmente integraciones de aplicaciones comerciales. Por ejemplo, los planificadores de recursos empresariales (ERP), inteligencia empresarial (BI), aplicaciones de visualización de datos, etc.

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

Stages of IoT Architecture

Para la implementación de la arquitectura de sistemas IoT de alto nivel, es necesario comprender las etapas de este sistema: 

Objecten

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

Los sensores pueden ser cableados o inalámbricos. El objetivo principal es recopilar datos del mundo real y convertirlos en datos digitales para la capa de procesamiento.  

Puerta de enlace

Debe configurar una intranet o una puerta de enlace a Internet. En esta etapa, los módems y enrutadores recopilan datos de los sensores y dispositivos de punto final. 

Luego, estos dispositivos de puerta de enlace transportarán datos digitales a la capa de procesamiento y la capa de aplicación. La mayoría de las arquitecturas de IoT utilizan un sistema de adquisición de datos para esta etapa.  

Sistemas de TI

Los sistemas IoT recopilan datos analógicos y los sistemas de adquisición de datos los convierten en datos digitales. Por lo tanto, el tamaño posprocesado de los datos digitales es enorme. Aquí viene un sistema de TI de borde.

En esta etapa, canaliza los datos recopilados a un sistema de TI de borde donde los algoritmos de IA y ML los procesan y solo conservan los datos procesables.   

Almacenamiento en la nube/Centros de datos

Una vez que el sistema de TI perimetral haya procesado y filtrado los datos vitales, debe colocarlos en un almacenamiento accesible. La capa de aplicación de la arquitectura IoT se conectará a la etapa de almacenamiento.

Una etapa de almacenamiento es principalmente almacenamiento en la nube privada, donde puede almacenar datos de IoT en bases de datos estructuradas. Si está buscando soluciones asequibles, también puede probar las nubes públicas.   

Nonfunctional Requirements

#1. Seguridad

Para garantizar la seguridad interna de la arquitectura, no debe haber ningún dispositivo no autorizado vinculado a ella. Los dispositivos deben estar registrados y ser capaces de comunicarse de forma segura. 

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

#2. Rendimiento

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

Los tiempos de respuesta aceptables para los usuarios y las comunicaciones bidireccionales, casi en tiempo real, y las marcas de tiempo granulares son otros requisitos esenciales no funcionales de esta arquitectura.

#3. Manejabilidad

La arquitectura de IoT debe incluir notificaciones y alertas para cualquier problema. Debe soportar la gestión de soluciones para determinar rápidamente las causas de los problemas desde un nodo central.

#4. Mantenibilidad

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

#5. Disponibilidad

Ciertos dominios y soluciones exigen la disponibilidad 24×7 de los sistemas IoT. Por ejemplo, una arquitectura IoT de un hospital o laboratorio necesita que el sistema esté siempre activo.

IoT architecture in MongoDB Atlas

Varias capas en una arquitectura IoT producen terabytes de datos. El uso de una base de datos en la nube habilitada para IoT es ideal para almacenar los datos de manera organizada. 

Una de las grandes bases de datos en la nube que podría usar es MongoDB Atlas. Estos son algunos ejemplos de su uso en la arquitectura IoT: 

• MongoDB Realm SDK y Servidor MongoDB para construir una base de datos y una interfaz. Las aplicaciones y dispositivos móviles pueden usar estas bases de datos e interfaces.
• En la capa de red, puede utilizar Atlas de MongoDB para configurar e implementar servidores IoT.
• Utilice la herramienta Serie temporal de MongoDB 5.0 como almacenamiento para datos de medición continuos de IoT.
• Si el sistema IoT está experimentando una conectividad de red entrecortada, puede usar la sincronización primero sin conexión desde Servicios de aplicaciones Atlas.
• Puede usar MongoDB Connector para BI y Gráficos MongoDB en la capa empresarial para extraer información procesable de los datos de IoT.  

Use Cases

La arquitectura IoT se está volviendo cada vez más popular y su uso en diferentes sectores está aumentando. Los siguientes son sus casos de uso más comunes:

#1. Sanidad

Las clínicas y los hospitales generan terabytes de datos sin explotar. Puede usar esto para una mayor eficiencia operativa y atención al paciente. 

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

#2. Agricultura

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

También puede ver su uso en los siguientes: 

• Monitoreo de la temperatura del suelo
• Encontrar las razones de la falla de la maquinaria
• Ajuste de los niveles de humedad y temperatura para las plantaciones de interior

#3. Fabricación Industrial

La industria manufacturera utiliza sensores IoT para obtener información sobre los procesos. Por lo general, no están conectados a Internet. Estos sensores de variantes de corto alcance también son capaces de calcular cambios a lo largo del tiempo.

Otros usos de la arquitectura IoT en este sector son los siguientes:  

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

#4. Soluciones comerciales de climatización

HVAC es un sistema complejo que no puede permitirse la falla de ningún elemento o función. Si sucede, las consecuencias serán un alto consumo de energía y costos adicionales de mantenimiento. Usando la arquitectura IoT, es posible hacer que los HVAC proporcionen un rendimiento satisfactorio mientras les permite funcionar a un nivel de potencia más bajo.

Garantizar la coherencia y la calidad de las soluciones comerciales es otro uso de IoT. El sistema recopila y analiza automáticamente los datos con la necesidad de una interacción mínima del usuario para notificarle cualquier anomalía.

#5. Prevención de Daños por Agua en Apartamentos Comerciales

Las fugas y roturas de las tuberías de agua causan millones de dólares a los propietarios de viviendas y las compañías de seguros. La invisibilidad de las conexiones de agua dificulta la detección de la causa raíz.

Una arquitectura de IoT configurada correctamente puede alertar a los usuarios de cualquier fuga en tiempo real con sensores incorporados eficientes. También proporciona datos de ubicación contextuales a las partes interesadas para un mejor mantenimiento de los activos. Las compañías de seguros también se benefician de esta detección temprana de problemas.

Además, los sensores también pueden detectar fugas menores que podrían convertirse en una amenaza potencial en el futuro. Así, los usuarios pueden programar citas con fontaneros.

Future of IoT Architecture

Pronto, IoT está a punto de ver un avance evolutivo con el crecimiento de la red 5G. Será posible procesar datos más rápido que nunca. Sin mencionar el rápido despliegue de los sistemas IoT también.

Al usar 5G privado, los administradores pueden lanzar una red móvil 5G personal y tener control total sobre ella. 

Las operaciones de nivel empresarial no enfrentarán los siguientes problemas:

• Estrangulamiento de velocidad
• Falta de interoperabilidad
• Cargos adicionales por exceder el uso de datos
• Falta de disponibilidad de ancho de banda durante las horas pico

Palabras finales 

Una arquitectura IoT le dice cómo conectar todos los componentes de un sistema IoT en una red cohesiva. Por lo tanto, cubrimos todos los aspectos técnicos cruciales de la arquitectura de este sistema.

Un conocimiento detallado de las arquitecturas de IoT lo ayuda a crear soluciones de nivel empresarial en atención médica, manufactura y agricultura. Los usuarios pueden incluso ir más allá de los casos de uso mencionados en este artículo e implementar IoT en varios sectores aún por explorar. 

También puede consultar nuestros artículos sobre Recursos de aprendizaje de IoT y Kits de inicio de IoT.