探索物联网 (IoT) 架构，为您的企业打造坚实的基础。
未来的仓库、供应链、制造工厂以及物流中心都将深度依赖物联网技术。 这项技术的复杂性使得只有少数顶尖科技公司对其运作原理了如指掌。 然而，通过深入研究，您同样可以揭开其神秘的面纱。
如果您希望提升您企业的智能化水平，或者计划提供物联网解决方案服务，请继续阅读本文。本文将深入探讨物联网架构、其自动化和便捷的核心，以及一些常见的应用场景。
引言
物联网由传感器、设备和电子接口组成，它们负责收集、处理数据，并将指令发送到终端设备。
这些都是物联网系统中的可变或移动部件。物联网架构正是定义如何组织这些部件并形成最终的物联网结构的框架。
物联网架构向您展示如何连接和操作物联网系统的设备、云软件以及传感器网络。此外，系统故障排除也是物联网架构的重要组成部分。
一个基本的框架将物联网系统划分为三个层次的组件。它们分别是：
- 位于感知层的传感器、执行器和各种设备
- 构成网络层的局域网 (LAN)、Wi-Fi、5G、4G 等
- 作为应用层的图形用户界面
物联网的架构确保您能够理解系统中的所有组件、数据流以及终端设备的指令。因此，您能够有效地保护、支持和控制您的物联网系统。
物联网架构的层次
物联网系统架构包含多个层次，这些层次就像数字媒介，传感器数据通过这些层次到达云应用程序。然后，云应用程序会根据预设的工作流程对终端设备（例如制造工厂的机械臂）做出决策。
最终，这些决策会通过相同的层次传回给终端设备。理解这些层次是构建成功物联网架构的关键。以下是您需要了解的物联网架构层：
感知层
感知层由从物理世界收集数据的终端设备组成。随后，数字应用程序可以对收集到的数据进行分析。
由于这一层直接与现实世界的对象交互，物联网专家也将其称为物理层。以下是一些连接到感知层的常用设备：
- 陀螺仪、速度传感器、射频识别 (RFID) 传感器、化学传感器等各种传感器。
- 执行器和机械臂
- 安全摄像头、门禁系统等
- 恒温器、暖通空调系统、洒水装置、加热元件等
大多数工业物联网设备为处理层收集数据。而对于家庭物联网设备，感知层也可以兼任处理层的功能。例如，Nest 智能恒温器。
网络数据传输层
网络层负责物联网架构各层之间的数据传输。这一层还定义了整个网络中设备、云应用程序和数据库的网络拓扑结构。
网络层的重要组成部分包括互联网网关、内联网端口、网络网关和数据采集系统 (DAS)。对于上述网络连接协议，您可以使用以下物理设备：
- 无线网络 (Wi-Fi)
- 广域网 (WAN)
- 4G LTE / 5G
- 低功耗蓝牙 (Bluetooth LE)
- 近场通信 (NFC)
通过这一层，各种终端设备和云应用程序能够彼此通信。温度、速度和湿度等传感器数据通过网络层传输到其他层。
数据处理层
在将数据传输到数据中心之前，处理层负责对数据进行分析和存储。它包括边缘计算以及人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 中的边缘分析。关键的决策任务也在这一层完成。
处理层完成所有的决策任务。然而，您也可以通过在应用层进行临时决策来推翻它的决定或改进系统——这是人类控制智能机器的必要特性。
应用层或图形用户界面层
大多数物联网系统，如 Google Home 和 Amazon Alexa 等，无需人工干预即可运行。然而，您需要一个图形用户界面来添加物联网工作流程、更改参数和添加设备等等。这就是应用层的作用。
物联网架构中应用层的一些重要要求包括：
- 处理基于语音命令的问题
- 通过小屏幕与数千个传感器和终端设备进行通信
- 在不中断整体业务运营的情况下，向现有物联网系统添加新设备
- 监控系统健康状况，并在仪表板指示时维修设备
- 创建物联网系统的新规则或工作流程
- 制定并遵守服务级别协议 (SLA)
在工业环境中，您主要需要计算机显示器上的集中式仪表板来监控所有物联网系统。在仪表板上，您可以通过暂停、停止或重启设备来与任何或所有物联网系统进行交互。
业务层
业务层将存储的数据转换为可操作的洞察。业务经理、首席技术官 (CTO) 等可以利用这些报告。它们有助于他们做出提升生产力的决策。
该层主要包括业务应用程序的集成。例如，企业资源规划器 (ERP)、商业智能 (BI) 应用程序、数据可视化应用程序等。
在这里，数据分析师可以处理数据，并将其导入 Tableau、Power BI 等商业智能工具中，以了解物联网系统的整体性能。您还可以根据当前的生产能力和市场未来的需求创建预测。
物联网架构的阶段
对于高级物联网系统架构的实施，有必要了解系统的各个阶段：
对象
对象阶段从物理层的实现开始。在此阶段，您需要将智能设备、传感器和执行器连接到物联网网络和终端机器。
传感器可以是无线或有线的。其主要目标是收集现实世界的数据，并将其转换为处理层的数字数据。
网关
您必须设置内联网或互联网网关。在此阶段，调制解调器和路由器从传感器和终端设备收集数据。
然后，这些网关设备将数字数据传输到处理层和应用层。大多数物联网架构在此阶段使用数据采集系统。
信息技术系统
物联网系统收集模拟数据，数据采集系统将其转换为数字数据。因此，数字数据的后处理规模非常庞大。这是一个边缘信息技术系统。
在此阶段，您将收集到的数据传输到边缘信息技术系统，人工智能和机器学习算法在该系统中处理数据，并仅保留可操作的数据。
云存储/数据中心
一旦边缘信息技术系统处理和过滤了重要数据，您必须将其存储在可访问的存储中。物联网架构的应用层将连接到存储阶段。
存储阶段主要是私有云存储，可以将物联网数据存储在结构化数据库中。如果您正在寻找经济实惠的解决方案，也可以尝试公共云。
非功能性需求
#1. 安全
为确保架构的内部安全，应禁止任何未经授权的设备链接到该系统。设备必须已注册，并且能够安全地通信。
此外，所有用户和数据都应能够安全地访问架构。授权的系统用户必须与安全控制系统交换数据。
#2. 性能
物联网系统必须兼容非结构化和结构化数据。平台的部署应兼容云、本地和混合云环境。
可接受的用户响应时间、双向近乎实时的通信以及精细的时间戳是该架构的其他基本非功能性要求。
#3. 可管理性
物联网架构必须包含针对任何问题的通知和警报。它必须支持解决方案管理，以便可以从中央节点快速确定问题的原因。
#4. 可维护性
设备和物联网系统应该具有适应性。该架构必须足够灵活，以快速适应用户、流程和数据的变化。此外，您必须在不延迟服务级别协议 (SLA) 的前提下执行维护。
#5. 可用性
某些领域和解决方案需要物联网系统 24 小时/7 天不间断运行。例如，医院或实验室的物联网架构需要系统始终保持运行状态。
MongoDB Atlas 中的物联网架构
MongoDB Atlas 上的物联网架构，图片来自 MongoDB.com
物联网架构的各个层会产生大量的TB级数据。使用支持物联网的云数据库非常适合以有组织的方式存储这些数据。
MongoDB Atlas 是一个优秀的云数据库选择。以下是它在物联网架构中的一些应用示例：
- MongoDB RealmSDK 和 MongoDB Server 可用于构建数据库和接口。移动应用程序和设备可以使用这些数据库和接口。
- 在网络层，您可以使用 MongoDB Atlas 来配置和部署物联网服务器。
- 使用 MongoDB 5.0 的时间序列功能来存储连续的物联网测量数据。
- 如果物联网系统的网络连接不稳定，您可以使用 Atlas App Services 的离线优先同步功能。
- 您可以在业务层使用 MongoDB Connector for BI 和 MongoDB Charts 从物联网数据中提取可操作的见解。
用例
物联网架构越来越受欢迎，其在不同领域的应用也在不断增加。以下是一些最常见的用例：
#1. 医疗保健
诊所和医院会产生大量的未开发数据。您可以利用这些数据来提高运营效率和患者护理水平。
借助物联网架构，机构可以将孤立的患者数据投入使用。医生可以快速获取并利用这些信息来快速响应警报。与物联网基础设施相关的各种小工具和健康状态监视器可以提供患者的实时状态信息。
#2. 农业
农民可以利用物联网架构来自主地增加和管理生产。
您还可以看到它在以下方面的应用：
- 监测土壤温度
- 查找机器故障的原因
- 调整室内种植园的湿度和温度水平
#3. 制造业
制造业利用物联网传感器来深入了解生产流程。这些传感器通常不直接连接到互联网。这些短程的传感器还可以计算随时间的变化。
该领域物联网架构的其他应用如下：
- 通过实时生产监控进行需求预测
- 通过周期时间跟踪来了解基线效率
#4. 商业暖通空调解决方案
暖通空调系统是一个复杂的系统，无法承受任何组件或功能的故障。如果出现故障，会导致高能耗和额外的维护成本。使用物联网架构，可以使暖通空调系统提供令人满意的输出，同时允许它们以较低的功率水平运行。
确保商业解决方案的一致性和质量是物联网的另一个应用。系统可以自动收集和分析数据，在尽可能少的用户交互下通知您任何异常情况。
#5. 商业公寓的水害防治
水管泄漏和破裂会给房主和保险公司造成数百万美元的损失。水管连接的隐蔽性使得难以检测问题的根本原因。
正确设置的物联网架构可以通过内置的高效传感器实时提醒用户任何泄漏。它还为利益相关者提供位置数据，以便更好地维护资产。保险公司也可以从早期发现此类问题中获益。
此外，传感器还可以检测到未来可能成为潜在威胁的轻微泄漏。因此，用户可以及时安排与管道工的预约。
物联网架构的未来
随着 5G 网络的发展，物联网很快将迎来革命性的进步。数据处理速度将比以往任何时候都更快。此外，物联网系统的部署速度也会大大提高。
使用私有 5G 网络，管理员可以启动并完全控制个人 5G 移动网络。
企业级运营将不会面临以下问题：
- 限速
- 缺乏互操作性
- 超出数据使用量的额外费用
- 高峰时段带宽不可用
结语
物联网架构向您展示如何在统一的网络中连接物联网系统的所有组件。本文涵盖了该系统架构的所有关键技术方面。
深入了解物联网架构可以帮助您在医疗保健、制造和农业领域创建企业级解决方案。用户甚至可以超越本文中提到的用例，在有待探索的各个领域实施物联网。
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