Entdecken Sie die Grundlagen der Internet der Dinge (IoT)-Architektur und lernen Sie, wie Sie eine solide IoT-Infrastruktur für Ihr Unternehmen aufbauen können.
In Zukunft werden Lager, Lieferketten, Produktionsstätten und Logistikzentren zunehmend auf IoT-Technologien setzen. Obwohl die zugrunde liegende Technik komplex ist, können Sie diese verstehen, indem Sie sich eingehend mit den Details auseinandersetzen.
Dieser Artikel ist für Sie, wenn Sie Ihr Unternehmen intelligenter machen oder IoT-Lösungen als Dienstleistung anbieten möchten. Wir beleuchten die IoT-Architektur, die das Fundament für Automatisierung und Komfort bildet, und stellen Ihnen einige gängige Anwendungsbeispiele vor.
Einleitung
IoT umfasst Sensoren, Geräte und elektronische Schnittstellen, die Daten erfassen, verarbeiten und als Steuerbefehle an Endgeräte senden. Dies sind die variablen Elemente eines IoT-Systems. Die IoT-Architektur definiert die Anordnung dieser Elemente und bildet die Grundlage für die gesamte IoT-Struktur.
Die IoT-Architektur erklärt, wie Geräte, Cloud-Software und Sensornetzwerke eines IoT-Systems miteinander verbunden sind und funktionieren. Sie ist auch für die Fehlerbehebung im System zuständig.
Ein grundlegendes Modell besteht aus drei Schichten von Komponenten in einem IoT-System:
- Die Wahrnehmungsschicht umfasst Sensoren, Aktoren, Geräte usw.
- Die Netzwerkschicht umfasst LAN, WLAN, 5G, 4G usw.
- Die Anwendungsschicht ist eine grafische Benutzeroberfläche.
Die Architektur des IoT stellt sicher, dass Sie alle Komponenten, Datenflüsse und Befehle innerhalb des Systems verstehen, um Ihre IoT-Systeme effektiv zu sichern, zu unterstützen und zu steuern.
Schichten der IoT-Architektur
Eine IoT-Systemarchitektur besteht aus verschiedenen Schichten, die als digitale Kanäle für den Transport von Sensordaten zur Cloud-Anwendung dienen. Die Cloud-Anwendung trifft Entscheidungen auf der Grundlage eines vordefinierten Workflows, der an Endgeräte wie Roboterarme in einer Produktionsanlage übermittelt wird.
Diese Entscheidungen fließen dann über dieselben Schichten zurück zu den Endgeräten. Das Verständnis dieser Schichten ist entscheidend für die Erstellung einer erfolgreichen IoT-Architektur. Hier sind die IoT-Architekturschichten, die Sie kennen sollten:
Die Sensorik-/Wahrnehmungsebene
Die Wahrnehmungsschicht umfasst die Endgeräte, die Daten aus der physischen Welt erfassen und für die Analyse durch digitale Anwendungen bereitstellen.
Da diese Schicht direkt mit physischen Objekten interagiert, wird sie von IoT-Experten auch als die physische Schicht bezeichnet. Hier sind einige typische Geräte, die dieser Ebene zugeordnet sind:
- Sensoren wie Gyrometer, Geschwindigkeitssensoren, RFID-Sensoren, chemische Sensoren usw.
- Aktoren und Roboterarme
- Überwachungskameras, Türzugangssysteme usw.
- Thermostate, Klimaanlagen, Wassersprinkler, Heizelemente usw.
In den meisten industriellen IoT-Anwendungen werden Daten von Geräten der Wahrnehmungsschicht für die Verarbeitungsschicht erfasst. Bei IoT-Geräten für den Heimgebrauch kann die Wahrnehmungsschicht auch die Verarbeitungsschicht umfassen, wie beispielsweise beim Nest Learning Thermostat.
Die Netzwerk-/Datentransportschicht
Die Netzwerkschicht ist für den Datentransport zwischen den verschiedenen Schichten der IoT-Architektur verantwortlich. Sie definiert auch die Netzwerktopologie für alle Geräte, Cloud-Anwendungen und Datenbanken.
Zu den wichtigen Elementen dieser Schicht gehören Internet-Gateways, Intranet-Ports, Netzwerk-Gateways und Datenerfassungssysteme (DAS). Für die Netzwerkverbindungen können Sie auf folgende physische Geräte zurückgreifen:
- WLAN
- Weitverkehrsnetze (WAN)
- 4G-LTE/5G
- Low-Energy-Bluetooth
- Nahfeldkommunikation (NFC)
Über diese Schicht kommunizieren verschiedene Endgeräte und Cloud-Anwendungen miteinander. Sensordaten wie Temperatur, Geschwindigkeit und Feuchtigkeit werden über die Netzwerkschicht transportiert, um die anderen Schichten zu erreichen.
Die Datenverarbeitungsschicht
Die Verarbeitungsschicht verarbeitet Analysen und speichert Daten, bevor sie an ein Rechenzentrum übertragen werden. Sie umfasst Edge Analytics in der Edge-Verarbeitung sowie künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML). Auch wichtige Entscheidungen werden in dieser Schicht getroffen.
Die Verarbeitungsschicht ist für die Durchführung von Entscheidungsaufgaben zuständig. Sie können jedoch die Entscheidungen dieser Schicht überstimmen oder das System verbessern, indem Sie Ad-hoc-Entscheidungen in der Anwendungsschicht treffen – eine wichtige Funktion für die menschliche Kontrolle über intelligente Maschinen.
Die Anwendungs- oder GUI-Schicht
Viele IoT-Systeme, wie Google Home oder Amazon Alexa, funktionieren ohne direkten menschlichen Eingriff. Sie benötigen jedoch eine grafische Benutzeroberfläche (GUI), um IoT-Workflows hinzuzufügen, Parameter zu ändern, Geräte hinzuzufügen usw. Dies ist die Aufgabe der Anwendungsschicht.
Hier sind einige wichtige Anforderungen an die Anwendungsschicht in einer IoT-Architektur:
- Umgang mit sprachbefehlsbasierten Problemen
- Kommunikation mit Tausenden von Sensoren und Endgeräten über einen kleinen Bildschirm
- Hinzufügen neuer Geräte zu einem bestehenden IoT-System, ohne den gesamten Geschäftsbetrieb zu unterbrechen
- Überwachung des Systemzustands und Gerätewartung, wenn das Dashboard entsprechende Hinweise gibt
- Erstellung neuer Regeln oder Workflows für die IoT-Systeme
- Erstellung und Einhaltung einer Service-Level-Vereinbarung (SLA)
In industriellen Umgebungen ist in der Regel ein zentralisiertes Dashboard auf einem Computermonitor erforderlich, um alle IoT-Systeme zu überwachen. Über das Dashboard können Sie mit allen IoT-Systemen interagieren, indem Sie Geräte anhalten, stoppen oder neu starten.
Business-Schicht
Die Business-Schicht wandelt gespeicherte Daten in verwertbare Informationen um. Unternehmensleiter, CTOs und andere können diese Informationen für Entscheidungen zur Steigerung der Produktivität nutzen.
Diese Schicht umfasst hauptsächlich Integrationen von Unternehmensanwendungen, z.B. Enterprise Resource Planner (ERP), Business Intelligence (BI) Anwendungen, Datenvisualisierungsanwendungen usw.
Hier können Datenanalysten Daten verarbeiten und in ein BI-Tool wie Tableau oder Power BI einfügen, um die Gesamtleistung des IoT-Systems zu analysieren. Sie können auch Prognosen auf der Grundlage der aktuellen Produktionskapazität und des zukünftigen Marktbedarfs erstellen.
Phasen der IoT-Architektur
Für die Implementierung einer umfassenden IoT-Systemarchitektur ist es wichtig, die einzelnen Phasen dieses Systems zu verstehen:
Objekte
Die Objektphase beginnt mit der Implementierung der physischen Schicht. Hier müssen intelligente Geräte, Sensoren und Aktoren mit dem IoT-Netzwerk und den Endgeräten verbunden werden.
Sensoren können drahtgebunden oder drahtlos sein. Ihr Hauptziel ist es, Daten aus der realen Welt zu erfassen und in digitale Daten für die Verarbeitungsschicht umzuwandeln.
Gateway
Sie müssen ein Intranet- oder Internet-Gateway einrichten. In dieser Phase erfassen Modems und Router Daten von den Sensoren und Endgeräten.
Diese Gateway-Geräte transportieren die digitalen Daten zur Verarbeitungs- und 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. Die Größe der verarbeiteten digitalen Daten kann daher enorm sein. Hier kommt ein Edge-IT-System ins Spiel.
In dieser Phase werden die gesammelten Daten an ein Edge-IT-System weitergeleitet, wo KI- und ML-Algorithmen sie verarbeiten und nur nutzbare Daten speichern.
Cloud-Speicher/Rechenzentren
Nachdem das Edge-IT-System wichtige Daten verarbeitet und gefiltert hat, müssen diese in einem zugänglichen Speicher abgelegt werden. Die Anwendungsschicht der IoT-Architektur wird mit der Speicherebene verbunden.
Eine Speicherebene ist in der Regel ein privater Cloud-Speicher, in dem Sie IoT-Daten in strukturierten Datenbanken ablegen können. Für kostengünstigere Lösungen können Sie auch öffentliche Cloud-Dienste in Betracht ziehen.
Nicht-funktionale Anforderungen
#1. Sicherheit
Um die interne Sicherheit der Architektur zu gewährleisten, sollten keine nicht autorisierten Geräte damit verbunden werden. Die Geräte sollten registriert sein und sicher kommunizieren können.
Darüber hinaus sollten alle Benutzer und Daten einen sicheren Zugriff auf die Architektur haben. Autorisierte Systembenutzer müssen Daten mit Sicherheitskontrollen austauschen können.
#2. Leistung
Das IoT-System muss mit unstrukturierten und strukturierten Daten kompatibel sein. Die Plattform sollte mit Cloud-, On-Premise- und Hybrid-Cloud-Lösungen kompatibel sein.
Akzeptable Reaktionszeiten für Benutzer, bidirektionale Kommunikation nahezu in Echtzeit und granulare Zeitstempel sind weitere wesentliche nicht-funktionale Voraussetzungen dieser Architektur.
#3. Handhabbarkeit
Die IoT-Architektur muss Benachrichtigungen und Warnungen für alle Probleme enthalten. Sie muss das Lösungsmanagement unterstützen, um die Ursachen von Problemen schnell von einem zentralen Knoten aus 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. Wartungsarbeiten sollten durchgeführt werden können, ohne die Vereinbarungen zum Service-Level (SLA) zu gefährden.
#5. Verfügbarkeit
Bestimmte Bereiche und Lösungen erfordern eine 24/7-Verfügbarkeit von IoT-Systemen. Beispielsweise muss die IoT-Architektur eines Krankenhauses oder Labors immer verfügbar sein.
IoT-Architektur in MongoDB Atlas
IoT-Architektur auf MongoDB Atlas Bild von MongoDB.com
Verschiedene Schichten einer IoT-Architektur erzeugen Terabytes an Daten. Eine IoT-fähige Cloud-Datenbank ist ideal, um die Daten organisiert zu speichern.
MongoDB Atlas ist eine hervorragende Cloud-Datenbank für diesen Zweck. 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 instabile Netzwerkverbindung hat, können Sie die Offline-First-Synchronisierung von Atlas App Services nutzen.
- Sie können MongoDB Connector for BI und MongoDB Charts auf der Geschäftsebene verwenden, um verwertbare Erkenntnisse aus IoT-Daten zu gewinnen.
Anwendungsfälle
Die IoT-Architektur wird immer beliebter und findet in verschiedenen Sektoren immer mehr Anwendung. Hier sind einige häufige Anwendungsfälle:
#1. Gesundheitswesen
Kliniken und Krankenhäuser generieren täglich enorme Mengen an ungenutzten Daten. Diese Daten können für eine höhere Betriebseffizienz und eine bessere Patientenversorgung genutzt werden.
Mit der IoT-Architektur können Institutionen isolierte Patientendaten zusammenführen. Ärzte können die Erkenntnisse schnell abrufen und nutzen, um zügig auf Warnmeldungen zu reagieren. Mit der IoT-Infrastruktur verbundene Geräte und Gesundheitsmonitore können den Patientenstatus in Echtzeit anzeigen.
#2. Landwirtschaft
Landwirte können die IoT-Architektur nutzen, um die Produktion autonom zu steigern und zu verwalten.
Sie kann unter anderem für folgende Anwendungen eingesetzt werden:
- Überwachung der Bodentemperatur
- Ursachenforschung bei Maschinenausfällen
- Anpassung von Feuchtigkeit und Temperatur für Indoor-Anpflanzungen
#3. Fertigung
Die Fertigungsindustrie nutzt IoT-Sensoren, um Einblicke in die Prozesse zu erhalten. Diese Sensoren, die in der Regel nicht direkt mit dem Internet verbunden sind, können auch zeitliche Veränderungen erfassen.
Weitere Anwendungen der IoT-Architektur in diesem Sektor sind:
- Bedarfsprognose durch Echtzeit-Produktionsüberwachung
- Ermittlung der Basiseffizienz durch Zykluszeitverfolgung
#4. Kommerzielle HLK-Lösungen
HLK-Systeme sind komplex und dürfen keinen Ausfall eines Elements oder einer Funktion erleiden. Ein Ausfall kann zu einem erhöhten Energieverbrauch und zusätzlichen Wartungskosten führen. Mit der IoT-Architektur können HLK-Anlagen eine zufriedenstellende Leistung erbringen und gleichzeitig mit geringerer Leistung betrieben werden.
Die Sicherstellung der Konsistenz und Qualität kommerzieller Lösungen ist ein weiterer Anwendungsbereich des IoT. Das System sammelt und analysiert automatisch Daten und informiert Sie über Anomalien, wobei nur eine minimale Benutzerinteraktion erforderlich ist.
#5. Wasserschadensverhütung in gewerblichen Wohnungen
Wasserleitungslecks und -brüche verursachen Hausbesitzern und Versicherungsunternehmen Schäden in Millionenhöhe. Da Wasseranschlüsse oft schwer zu erreichen sind, ist die Ursachenermittlung schwierig.
Eine korrekt implementierte IoT-Architektur kann Benutzer mithilfe effizienter, integrierter Sensoren in Echtzeit über Lecks informieren. Darüber hinaus erhalten die Beteiligten standortbezogene Informationen für eine bessere Anlagenwartung. Auch Versicherungsunternehmen profitieren von dieser frühen Erkennung von Problemen.
Sensoren können auch kleinere Leckagen erkennen, die sich in Zukunft zu einer potenziellen Bedrohung entwickeln könnten, sodass Benutzer rechtzeitig Termine mit Installateuren vereinbaren können.
Zukunft der IoT-Architektur
Mit dem Ausbau des 5G-Netzwerks wird das IoT bald einen großen Entwicklungssprung erleben. Die Datenverarbeitung wird schneller als je zuvor möglich sein, und die Bereitstellung von IoT-Systemen wird beschleunigt werden.
Mit dem privaten 5G können Administratoren ein eigenes 5G-Mobilfunknetz einrichten und die volle Kontrolle darüber ausüben.
Unternehmen werden nicht mehr mit folgenden Problemen konfrontiert sein:
- Geschwindigkeitsbegrenzung
- Mangelnde Interoperabilität
- Zusätzliche Gebühren für übermäßige Datennutzung
- Nichtverfügbarkeit von Bandbreite während der Hauptnutzungszeiten
Letzte Worte
Eine IoT-Architektur beschreibt, wie alle Komponenten eines IoT-Systems zu einem zusammenhängenden Netzwerk verbunden werden. Wir haben die wichtigsten technischen Aspekte der Architektur dieses Systems behandelt.
Detaillierte Kenntnisse der IoT-Architekturen helfen Ihnen bei der Entwicklung von Unternehmenslösungen im Gesundheitswesen, in der Fertigung und in der Landwirtschaft. Die Anwendungsmöglichkeiten sind nicht auf die in diesem Artikel genannten Beispiele beschränkt und können in verschiedenen, noch zu erforschenden Sektoren eingesetzt werden.
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