Aprenda la arquitectura del Internet de las cosas (IoT) para montar una estructura IoT de uso empresarial.
Los futuros almacenes, cadenas de suministro, plantas de fabricación y centros logísticos estarán habilitados para IoT. Dado que la tecnología es compleja, sólo unos pocos gigantes informáticos saben lo que hay bajo el capó. Sin embargo, usted también puede descifrarlo conociendo la tecnología por dentro.
Siga leyendo si usted también quiere hacer que su empresa sea 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.
Introducción
IoT incluye sensores, dispositivos e interfaces electrónicas que recogen, procesan y envían datos en forma de órdenes a las máquinas finales.
Todas ellas son variables o piezas 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 hacer funcionar los dispositivos del sistema IoT, el software en la nube y la red de sensores. Por no mencionar que la resolución de problemas del sistema también tiene lugar dentro de la arquitectura IoT.
Un marco básico para ello serían tres capas de componentes en un sistema IoT. Éstas son las siguientes:
- Sensores, actuadores, dispositivos, etc., bajo la capa de percepción
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G, etc., crean la capa de red
- Una interfaz gráfica de usuario constituye la capa de aplicación
La arquitectura de IoT garantiza que usted conozca todos los componentes, flujos de datos y comandos de los dispositivos finales dentro del sistema. De este modo, podrá asegurar, respaldar y controlar sus sistemas IoT de forma eficaz.
Capas de la arquitectura de IoT
La arquitectura de un sistema IoT tiene varias capas que funcionan como los medios digitales a través de los cuales los datos de los sensores llegan a la aplicación en la nube. A continuación, la aplicación en la nube toma decisiones basadas en un flujo de trabajo preestablecido para los dispositivos de punto final, como los brazos robóticos de una planta de fabricación.
Por último, estas decisiones fluyen a los dispositivos de punto final a través de la misma capa. Comprender estas capas le permitirá crear una arquitectura IoT de éxito. He aquí las capas de la arquitectura IoT que debe conocer:
La capa sensorial/de percepción
La capa de percepción está formada por los dispositivos de punto final que recopilan datos del universo físico. A continuación, las aplicaciones digitales pueden analizar los datos recopilados.
Dado que esta capa está en contacto con los objetos del mundo real, los expertos en IoT también la denominan capa física. A continuación se enumeran algunos dispositivos notables que se conectan a la capa de percepción:
- Sensores como girómetros, 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, sistemas de climatización, aspersores de agua, elementos de calefacción, etc.
La mayoría de los dispositivos IoT industriales recopilan datos para la capa de procesamiento. Para los dispositivos IoT domésticos, la capa de percepción podría ser también la capa de procesamiento. Por ejemplo, el termostato Nest Learning.
La capa de red/transporte de datos
La capa de red se encarga del transporte de datos entre todas las capas de una arquitectura IoT. Esta capa también define la topología de red para todo el entramado de dispositivos, aplicaciones en la nube y bases de datos.
Las partes vitales de esta capa son las pasarelas de Internet, los puertos de intranet, las pasarelas 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 extensa (WAN)
- 4G LTE/ 5G
- Bluetooth de baja energía
- Comunicación de campo cercano (NFC)
A través de esta capa, varios dispositivos finales 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, analiza y almacena los datos antes de transferirlos a un centro de datos. Incluye el análisis en Edge computing, la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML). Las tareas cruciales como la toma de decisiones también tienen lugar en esta capa.
La capa de procesamiento realiza 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 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, necesitan una interfaz gráfica de usuario para añadir flujos de trabajo IoT, cambiar parámetros, añadir dispositivos, etc. Esta es la capa de aplicación.
Algunos requisitos vitales para la capa de aplicación en una arquitectura IoT son los siguientes:
- Evitar los problemas basados en comandos de voz
- Comunicarse con miles de sensores y dispositivos finales desde una pequeña pantalla
- Añadir nuevos dispositivos a un sistema IoT existente sin interrumpir todo el funcionamiento de la empresa
- Observar la salud del sistema y dar servicio a los dispositivos cuando lo indique el cuadro de mandos
- Cree nuevas reglas o flujos de trabajo para los sistemas IoT
- Crear y seguir un acuerdo de nivel de servicio (SLA)
En las instalaciones industriales, la mayoría de las veces necesitará un cuadro de mandos centralizado en un monitor de ordenador para observar todos los sistemas IoT. En el cuadro de mandos, puede interactuar con cualquiera de los sistemas IoT o con todos ellos pausando, deteniendo o reiniciando los dispositivos.
Capa empresarial
La capa empresarial convierte los datos almacenados en perspectivas procesables. Los directores de empresa, los directores técnicos y otros pueden utilizar estos informes. Les ayuda en la toma de decisiones para mejorar la productividad.
Esta capa incluye principalmente integraciones de aplicaciones empresariales. Por ejemplo, planificadores de recursos empresariales (ERP), aplicaciones de inteligencia empresarial (BI), aplicaciones de visualización de datos, etc.
Aquí, los analistas de datos pueden procesar los datos e introducirlos en una herramienta BI como Tableau, Power BI, etc., para conocer el rendimiento global del sistema IoT. También puede crear previsiones basadas en la capacidad de producción actual y en las necesidades futuras del mercado.
Etapas de la arquitectura de IoT
Para una implementación de alto nivel de la arquitectura de sistemas IoT, es necesario comprender las etapas de este sistema:
Objetos
La etapa de objetos comienza con la implementación de la capa física. Aquí es necesario conectar los dispositivos inteligentes, los sensores y los actuadores con la red IoT y las máquinas finales.
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.
Pasarela
Debe configurar una pasarela de intranet o de Internet. En esta etapa, los módems y los enrutadores recogen los datos de los sensores y los dispositivos de punto final.
A continuación, estos dispositivos de pasarela transportarán los datos digitales a la capa de procesamiento y a la capa de aplicación. La mayoría de las arquitecturas IoT utilizan un sistema de adquisición de datos para esta etapa.
Sistemas de IoT
Los sistemas IoT recogen datos analógicos y los sistemas de adquisición de datos los convierten en datos digitales. Por lo tanto, el tamaño postprocesado de los datos digitales es enorme. Aquí entra en juego un sistema de TI de vanguardia.
En esta etapa, usted canaliza los datos recopilados a un sistema de TI de borde donde los algoritmos de IA y ML los procesan y sólo conservan los datos procesables.
Almacenamiento en la nube/Centros de datos
Una vez que el sistema edge IT ha procesado y filtrado los datos vitales, debe ponerlos 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 el almacenamiento privado en la nube, donde puede guardar los datos IoT en bases de datos estructuradas. Si busca soluciones asequibles, también puede probar las nubes públicas.
Requisitos no funcionales
#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 un acceso seguro a la arquitectura. Los usuarios autorizados del sistema deben intercambiar datos con controles de seguridad.
#2. Rendimiento
El sistema IoT debe ser compatible con datos estructurados y no estructurados. El despliegue de la plataforma debe ser compatible con la nube, en las instalaciones y en la nube híbrida.
Tiempos de respuesta aceptables para los usuarios y comunicaciones bidireccionales, casi en tiempo real, y marcas de tiempo granulares son otros requisitos no funcionales esenciales de esta arquitectura.
#3. Manejabilidad
La arquitectura 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 como para adaptarse rápidamente a los cambios de usuarios, procesos 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 un laboratorio necesita que el sistema esté siempre en funcionamiento.
Arquitectura IoT en MongoDB Atlas
Las distintas capas de una arquitectura IoT producen terabytes de datos. Utilizar una base de datos en la nube habilitada para IoT es ideal para almacenar los datos de forma organizada.
Una de las mejores bases de datos en la nube que puede utilizar es MongoDB Atlas. He aquí algunos ejemplos de su uso en la arquitectura IoT:
- MongoDB RealmSDK y MongoDB Server para crear una base de datos y una interfaz. Las aplicaciones y dispositivos móviles pueden utilizar estas bases de datos e interfaces.
- En la capa de red, puede utilizar MongoDB Atlas para configurar y desplegar servidores IoT.
- Utilice MongoDB 5.0 Time-Series como almacenamiento para los datos de medición continua de IoT.
- Si el sistema IoT experimenta una conectividad de red entrecortada, puede utilizar la sincronización offline-first de Atlas App Services.
- Puede utilizar MongoDB Connector for BI y MongoDB Charts en la capa empresarial para extraer perspectivas procesables de los datos de IoT.
Casos de uso
La arquitectura IoT es cada día más popular y su uso en diferentes sectores va en aumento. Los siguientes son sus casos de uso más comunes:
#1. Sanidad
Las clínicas y los hospitales generan terabytes de datos sin explotar. Pueden utilizarlos para aumentar la eficiencia operativa y la atención a los pacientes.
Con la arquitectura IoT, las instituciones pueden poner en uso los datos aislados de los pacientes. Los médicos pueden obtener y utilizar rápidamente los datos para responder rápidamente a las alertas. Los aparatos y monitores del estado de salud vinculados a la infraestructura IoT 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 lo siguiente:
- Monitorización de la temperatura del suelo
- Encontrar las causas de los fallos de la maquinaria
- Ajustar los niveles de humedad y temperatura de las plantaciones de interior
#3. Fabricación
La industria manufacturera utiliza sensores IoT para obtener información sobre los procesos. Normalmente no están conectados a Internet. Estos sensores de corto alcance también son capaces de calcular los cambios a lo largo del tiempo.
Otros usos de la arquitectura IoT en este sector son los siguientes:
- Previsión de la demanda mediante la supervisión de la producción en tiempo real
- Conocer la eficiencia de base mediante el seguimiento del tiempo de ciclo
#4. Soluciones comerciales de HVAC
La climatización es un sistema complejo que no puede permitirse el fallo de ningún elemento o función. Si ocurre, las consecuencias serán un elevado consumo de energía y costes de mantenimiento adicionales. Utilizando la arquitectura IoT, es posible hacer que los sistemas HVAC proporcionen un rendimiento satisfactorio y, al mismo tiempo, permitir que funcionen a un nivel de potencia inferior.
Garantizar la coherencia y la calidad de las soluciones comerciales es otro uso del IoT. El sistema recopila y analiza automáticamente los datos con la necesidad de una mínima interacción del usuario para notificarle cualquier anomalía.
#5. Prevención de daños por agua en apartamentos comerciales
Las fugas y roturas de tuberías de agua causan millones de dólares a los propietarios y a las compañías de seguros. La invisibilidad de las conexiones de agua dificulta la detección de la causa raíz.
Una arquitectura IoT correctamente configurada puede alertar a los usuarios de cualquier fuga en tiempo real con eficientes sensores incorporados. También proporciona datos contextuales de localización 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 los fontaneros.
El futuro de la arquitectura IoT
Pronto, IoT verá un avance evolutivo con el crecimiento de la red 5G. Será posible procesar los datos más rápido que nunca. Por no hablar también del rápido despliegue de los sistemas IoT.
Utilizando la 5G privada, los administradores pueden poner en marcha una red móvil 5G personal y tener pleno control sobre ella.
Las operaciones a nivel empresarial no se enfrentarán a los siguientes problemas
- Estrangulamiento de la velocidad
- Falta de interoperabilidad
- Cargos adicionales por exceder el uso de datos
- Indisponibilidad de ancho de banda durante las horas punta
Palabras finales
Una arquitectura de IoT le indica cómo conectar todos los componentes de un sistema IoT en una red cohesionada. Por lo tanto, hemos cubierto todos los aspectos técnicos cruciales de la arquitectura de este sistema.
Un conocimiento detallado de las arquitecturas IoT le ayudará a crear soluciones de calidad empresarial en los sectores de la sanidad, la fabricación y la agricultura. Los usuarios pueden incluso ir más allá de los casos de uso mencionados en este artículo e implantar IoT en diversos sectores aún por explorar.
Quizá también le interese consultar nuestros artículos sobre recursos de aprendizaje de Io T y kits de iniciación a IoT.