モノのインターネット (IoT) アーキテクチャを 5 分以内で学ぶ [+ ユースケース]

モノのインターネット (IoT) アーキテクチャを学習して、ビジネス用途向けの IoT 構造をセットアップします。

将来の倉庫、サプライ チェーン、製造工場、物流ハブは IoT 対応になるでしょう。このテクノロジーは複雑であるため、内部に何があるかを知っているのは少数の IT 大手だけです。ただし、テクノロジーを徹底的に学ぶことで、解読することもできます。

ビジネスをよりスマートにしたり、IoT ソリューションをサービスとして提供したい場合は、読み続けてください。この記事では、自動化と利便性を提供するコアである IoT アーキテクチャと、いくつかの一般的な使用例について説明します。

導入

IoT には、データを収集、処理し、コマンドとしてエンドポイント マシンに送信するセンサー、デバイス、電子インターフェイスが含まれます。

これらはすべて、IoT システム内の変数または可動部分です。これらの可動部分を順序付けし、最終的な IoT 構造を作成する方法を定義するフレームワークが IoT アーキテクチャです。

IoT アーキテクチャは、IoT システムのデバイス、クラウド ソフトウェア、センサーのネットワークを接続して操作する方法を示します。言うまでもなく、システムのトラブルシューティングも IoT アーキテクチャ内で行われます。

このための基本的なフレームワークは、IoT システム内の 3 層のコンポーネントになります。これらは以下のとおりです。

• 知覚層の下にあるセンサー、アクチュエーター、デバイスなど
• LAN、Wi-Fi、5G、4Gなどのネットワーク層を作成
• グラフィカル ユーザー インターフェイスはアプリケーション層です

IoT のアーキテクチャにより、システム内のすべてのコンポーネント、データ フロー、エンドデバイスのコマンドを確実に把握できます。したがって、IoT システムを効果的に保護、サポート、制御できます。

IoT アーキテクチャの層

IoT システム アーキテクチャには、センサー データがクラウド アプリケーションに到達するデジタル メディアとして機能するさまざまなレイヤーがあります。次に、クラウド アプリは、製造工場のロボット アームなどのエンドポイント デバイス用の事前設定されたワークフローに基づいて意思決定を行います。

最後に、これらの決定は同じ層を介してエンドポイント デバイスに送信されます。これらの層を理解することで、成功する IoT アーキテクチャを作成できます。知っておく必要がある IoT アーキテクチャ層は次のとおりです。

感覚/知覚層

認識層は、物理世界からデータを収集するエンドポイント デバイスで構成されます。その後、デジタル アプリケーションで収集されたデータを分析できます。

この層は現実世界のオブジェクトと常に通信しているため、IoT の専門家はこれを物理層とも呼びます。以下は、知覚層に接続するいくつかの注目すべきデバイスです。

• ジャイロ メーター、速度センサー、無線周波数識別 (RFID) センサー、化学センサーなどのセンサー。
• アクチュエーターとロボットアーム
• 防犯カメラ、ドアアクセスシステムなど
• サーモスタット、HVAC、散水装置、発熱体など

ほとんどの産業用 IoT デバイスは、処理層のデータを収集します。ホームベースの IoT デバイスの場合、認識層が処理層になることもあります。たとえば、Nest Learning Thermostat です。

ネットワーク/データトランスポート層

ネットワーク層は、IoT アーキテクチャのすべての層間のデータ転送を処理します。この層は、デバイス、クラウド アプリ、データベースの Web 全体のネットワーク トポロジも定義します。

この層の重要な部分は、インターネット ゲートウェイ、イントラネット ポート、ネットワーク ゲートウェイ、およびデータ収集システム (DAS) です。上記のネットワーク接続プロトコルでは、次の物理デバイスを利用できます。

• Wi-Fi
• ワイドエリアネットワーク(WAN)
• 4G LTE/5G
• 低エネルギー Bluetooth
• 近距離無線通信 (NFC)

この層を通じて、さまざまなエンドポイント デバイスとクラウド アプリが相互に通信します。温度、速度、湿度などのセンサー データは、ネットワーク層を通過して他の層に到達します。

データ処理層

処理層は分析を処理し、データをデータセンターに転送する前に保存します。これには、エッジ コンピューティング、人工知能 (AI)、機械学習 (ML) のエッジ分析が含まれます。意思決定などの重要なタスクもこの層で行われます。

処理層はすべての意思決定タスクを実行します。さらに、アプリケーション層でアドホックな決定を行うことで、その決定を無効にしたり、システムを改善したりすることもできます。これは、インテリジェントなマシンを人間が制御するために非常に必要な機能です。

アプリケーション層またはGUI層

Google Home、 Amazon Alexa など、ほとんどの IoT システムは人間の介入なしで動作します。ただし、IoT ワークフローの追加、パラメーターの変更、デバイスの追加などを行うには、グラフィカル ユーザー インターフェイスが必要です。これがアプリケーション層です。

IoT アーキテクチャにおけるアプリケーション層の重要な要件は次のとおりです。

• 音声コマンドベースの問題を回避する
• 小さな画面から何千ものセンサーやエンドポイントデバイスと通信
• 業務全体を停止することなく、既存の IoT システムに新しいデバイスを追加します
• システムの健全性を観察し、ダッシュボードに次のようなメッセージが表示されたらデバイスを保守します。
• IoT システム用の新しいルールまたはワークフローを作成する
• サービス レベル アグリーメント (SLA) を作成して従う

産業用セットアップでは、すべての IoT システムを観察するには、コンピューター モニター上の集中ダッシュボードが必要になります。ダッシュボードでは、デバイスを一時停止、停止、再起動することにより、一部またはすべての IoT システムと対話できます。

ビジネス層

ビジネス層は、保存されたデータを実用的な洞察に変換します。ビジネス マネージャーや CTO などがこのようなレポートを使用できます。生産性向上のための意思決定に役立ちます。

この層には主にビジネス アプリの統合が含まれます。たとえば、エンタープライズ リソース プランナー (ERP)、ビジネス インテリジェンス (BI) アプリ、データ視覚化アプリなどです。

ここで、データ アナリストはデータを処理し、Tableau、Power BI などの BI ツールに入力して、IoT システムの全体的なパフォーマンスを把握できます。現在の生産能力と市場の将来のニーズに基づいて予測を作成することもできます。

IoT アーキテクチャの段階

高レベルの IoT システム アーキテクチャを実装するには、このシステムの段階を理解する必要があります。

オブジェクト

オブジェクト段階は、物理層の実装から始まります。ここでは、スマート デバイス、センサー、アクチュエーターを IoT ネットワークおよびエンドポイント マシンに接続する必要があります。

センサーは有線でも無線でも構いません。主な目的は、実世界のデータを収集し、それを処理層用のデジタル データに変換することです。

ゲートウェイ

イントラネットまたはインターネット ゲートウェイを設定する必要があります。この段階では、モデムとルーターがセンサーとエンドポイント デバイスからデータを収集します。

次に、これらのゲートウェイ デバイスはデジタル データを処理層とアプリケーション層に転送します。ほとんどの IoT アーキテクチャは、この段階でデータ収集システムを使用します。

ITシステム

IoT システムはアナログ データを収集し、データ収集システムはこれをデジタル データに変換します。したがって、後処理後のデジタルデータのサイズは膨大になります。ここにエッジITシステムが登場します。

この段階では、収集したデータをエッジ IT システムに送り、そこで AI および ML アルゴリズムがデータを処理し、実用的なデータのみを保持します。

クラウドストレージ/データセンター

エッジ IT システムが重要なデータを処理およびフィルタリングしたら、それをアクセス可能なストレージに保存する必要があります。 IoT アーキテクチャのアプリケーション層はストレージ段階に接続されます。

ストレージ ステージは主にプライベート クラウド ストレージで、IoT データを構造化データベースに保存できます。手頃な価格のソリューションを探している場合は、パブリック クラウドを試すこともできます。

非機能要件

#1.安全

アーキテクチャの内部安全を確保するために、許可されていないデバイスがアーキテクチャにリンクされていてはなりません。デバイスは登録されており、安全に通信できる必要があります。

さらに、すべてのユーザーとデータがアーキテクチャに安全にアクセスできる必要があります。許可されたシステム ユーザーは、セキュリティ制御を使用してデータを交換する必要があります。

#2.パフォーマンス

IoT システムは、非構造化データおよび構造化データと互換性がある必要があります。プラットフォームの展開は、クラウド、オンプレミス、ハイブリッド クラウドと互換性がある必要があります。

ユーザーへの許容可能な応答時間、双方向のほぼリアルタイム通信、および詳細なタイムスタンプは、このアーキテクチャのその他の重要な非機能要件です。

#3.管理性

IoT アーキテクチャには、問題に関する通知とアラートが含まれている必要があります。中央ノードから問題の原因を迅速に特定するためのソリューション管理をサポートする必要があります。

#4.保守性

デバイスと IoT システムは適応性がある必要があります。アーキテクチャは、ユーザー、プロセス、データの変更に迅速に適応できる十分な柔軟性を備えている必要があります。また、サービス レベル アグリーメント (SLA) を遅らせることなくメンテナンスを実行する必要があります。

#5.可用性

特定のドメインとソリューションでは、IoT システムの 24 時間 365 日の可用性が必要です。たとえば、病院や研究室の IoT アーキテクチャでは、システムが常に稼働している必要があります。

MongoDB Atlas の IoT アーキテクチャ

IoT アーキテクチャのさまざまなレイヤーがテラバイト規模のデータを生成します。 IoT 対応のクラウド データベースの使用は、データを組織的に保存するのに最適です。

使用できる優れたクラウド データベースの 1 つは MongoDB Atlas です。 IoT アーキテクチャでの使用例をいくつか示します。

• データベースとインターフェイスを構築するためのMongoDB RealmSDKとMongoDB Server 。モバイル アプリとデバイスは、これらのデータベースとインターフェイスを使用できます。
• ネットワーク層では、 MongoDB Atlas を使用してIoT サーバーを構成および展開できます。
• MongoDB 5.0 Time-Series を継続的な IoT 測定データのストレージとして使用します。
• IoT システムでネットワーク接続が不安定になっている場合は、 Atlas App Servicesからのオフラインファースト同期を使用できます。
• MongoDB Connector for BI および MongoDB Charts をビジネス層で使用して、IoT データから実用的な洞察を抽出できます。

使用例

IoT アーキテクチャは日々人気が高まっており、さまざまな分野での使用が増加しています。最も一般的な使用例は次のとおりです。

#1.健康管理

診療所や病院では、テラバイト規模の未利用のデータが生成されます。これを使用すると、業務効率と患者ケアを向上させることができます。

IoT アーキテクチャを使用すると、医療機関は分離された患者データを活用できます。医師は洞察をすぐに取得して使用し、アラートに迅速に対応できます。 IoT インフラストラクチャにリンクされたガジェットと健康状態モニターは、リアルタイムの患者状態を提供できます。

#2.農業

農家は IoT アーキテクチャを使用して、生産を自律的に増加および管理できます。

以下でもその使用法を確認できます。

• 土壌温度の監視
• 機械の故障の原因を探る
• 屋内プランテーションの湿度と温度レベルを調整する

#3.製造業

製造業界は、IoT センサーを利用してプロセスに関する洞察を取得します。通常、それらはインターネットに接続されていません。これらの短距離型センサーは、時間の経過に伴う変化を計算することもできます。

この分野における IoT アーキテクチャのその他の用途は次のとおりです。

• リアルタイムの生産監視による需要予測
• サイクルタイム追跡を通じてベースライン効率を知る

#4.商用 HVAC ソリューション

HVAC は複雑なシステムであり、どの要素や機能にも障害が発生することは許されません。そうなると、大量のエネルギー消費と余分なメンテナンス費用が発生します。 IoT アーキテクチャを使用すると、HVAC が満足のいく出力を提供しながら、より低い電力レベルで動作できるようにすることができます。

商用ソリューションの一貫性と品質を確保することも、IoT の用途の 1 つです。システムは自動的にデータを収集して分析し、ユーザーの操作を最小限に抑えて異常を通知します。

#5.商業アパートの水害防止

水道管の漏れや破裂は、住宅所有者や保険会社に数百万ドルの損害をもたらします。水道接続は目に見えないため、根本原因の検出が困難になります。

適切に設定された IoT アーキテクチャでは、効率的な内蔵センサーを使用して漏洩をリアルタイムでユーザーに警告できます。また、資産のメンテナンスを改善するために、状況に応じた位置データを関係者に提供します。保険会社も、この問題の早期発見から恩恵を受けます。

さらに、センサーは、将来潜在的な脅威となる可能性のある軽度の漏れも検出できます。したがって、ユーザーは配管工との約束をスケジュールできます。

IoT アーキテクチャの将来

まもなく、5G ネットワークの成長に伴い、IoT が進化的に進歩しようとしています。これまでよりも高速にデータを処理できるようになります。言うまでもなく、IoT システムの迅速な導入も可能です。

プライベート 5G を使用すると、管理者はパーソナル 5G モバイル ネットワークを立ち上げ、それを完全に制御できます。

エンタープライズレベルの運用では、次の問題は発生しません。

• 速度調整
• 相互運用性の欠如
• データ使用量を超過した場合の追加料金
• ピーク時間帯に帯域幅が利用できない

最後の言葉

IoT アーキテクチャは、IoT システムのすべてのコンポーネントを結合したネットワークに接続する方法を示します。したがって、このシステムのアーキテクチャの重要な技術的側面をすべてカバーしました。

IoT アーキテクチャに関する詳細な知識は、医療、製造、農業におけるビジネス グレードのソリューションを作成するのに役立ちます。ユーザーは、この記事で説明したユースケースを超えて、まだ検討されていないさまざまな分野で IoT を実装することもできます。

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