معماری اینترنت اشیاء

معماری اینترنت اشیاء

• معماری سه لایه
  • لایه اشیاء یا Things
  • لایه درگاه یا Gateway
  • لایه ابر یا Cloud

معماری سیستم اینترنت اشیاء، از نظر ساده، از سه لایه تشکیل شده است: لایه اول دستگاه ها[1]، لایه دوم Edge Gateway ولایه سوم ابر[2] است. دستگاه ها شامل مواردی در شبکه هستند، مانند سنسورها و محرک های موجود در تجهیزاتIoT، به ویژه آن هایی که از پروتکل هایی مانند Modbus ،Zigbee  یا پروتکل های اختصاصی استفاده می کنند تا به Edge Gateway وصل شوند.  Edge Gateway از سیستم های جمع آوری داده های حسگر به نام Edge Gateways تشکیل شده است که قابلیت هایی مانند پیش پردازش داده ها، امنیت اتصال به ابر، استفاده از سیستم هایی مانند WebSockets، مرکز رویدادها و حتی در برخی موارد تجزیه و تحلیل لبه را دارد.

این شامل سیستم های مختلف بانک اطلاعاتی است که داده های حسگر مانند داده های سری زمانی یا فروشگاه دارایی ها را با استفاده از سیستم های ذخیره داده بک اند (به عنوان مثال کاساندرا، پستگرس کیو ال) ذخیره می کنند. ردیف ابر در اکثر سیستم های مبتنی بر ابر IoT دارای ویژگی های صف وقایع و پیام رسانی است که ارتباطاتی را که در همه ردیف ها انجام می شود، مدیریت می کند. برخی از کارشناسان سه ردیف را در سیستم IoT به عنوان لبه، سکو و شرکت طبقه بندی کرده اند و اینها به ترتیب توسط شبکه مجاورت، شبکه دسترسی و شبکه سرویس به هم وصل می شوند.

معماری اینترنت اشیاء – لایه Things

• لایه اشیاء شامل دستگاه هایی می شود که:
  • با استفاده از حسگر ها داده ها را جمع آوری می کنند و با استفاده از محرک ها روی محیط تاثیر می گذارند.
  • این دستگاه ها همچنین از طریق پروتکل های استاندارد به لایه بالاتر یعنی لایه Gateway متصل می شوند.

معماری اینترنت اشیاء – لایه Gateway

• این لایه شامل دستگاه هایی می شود که:
  • داده ها را از لایه Things جمع آوری کرده، روی آنها پیش پردازش انجام می دهند و نهایتا آنها را به لایه Cloud منتقل می کنند.
  • فرامین را از لایه Cloud دریافت کرده و به لایه Things انتقال می دهند.

معماری اینترنت اشیاء – لایه Cloud

• وظایف این لایه شامل موارد زیر است:
  • ذخیره سازی داده های رسیده از حسگر ها
  • تحلیل داده ها
  • ایجاد بستری جهت پیام رسانی بین دستگاه ها
  • مدیریت دستگاه ها
  • مدیریت سرویس ها

اجزای تشکیل دهنده اکوسیستم اینترنت اشیاء

این اولین رده از اکوسیستم اینترنت اشیا است و ستون فقرات کل شبکه اینترنت اشیا را تشکیل می دهد. داده ها برای اینترنت اشیا ضروری هستند و سنسورها عامل مهمی برای اطمینان از صحت و اعتبار داده ها هستند. این لایه اساسی متشکل از وسایل فیزیکی و ریز است که در دستگاه IoT تعبیه شده و وظیفه جمع آوری داده ها یا کنترل مکانیزم را بر عهده دارند.

• اشیاء
  • حسگرها
  • محرک ها
• درگاه
• ابر
  • ذخیره سازی داده ها
  • تحلیل داده ها
  • پیام رسانی بین دستگاه ها
  • مدیریت دستگاه ها
  • مدیریت سرویس های کاربردی
• شبکه
• دستگاه های کاربر نهایی و رابط کاربری

حسگرها

حسگرها برای جمع آوری اطلاعات جزئی از محیط اطراف کار می کنند. آنها گاهی اوقات به عنوان “ردیاب” نیز شناخته می شوند زیرا عملکرد اصلی حسگرها تشخیص حتی کوچکترین تغییر در محیط اطراف است. این به یک دستگاه اینترنت اشیا اجازه می دهد تا داده های مربوطه را برای زمان واقعی یا پردازش پس از آن ضبط کند.

• حسگر ها وظیفه جمع آوری اطلاعات از محیط را دارند.
• برخی از انواع حسگر ها:
  • دما، رطوبت
  • حرکت
  • موقعیت
  • فشار
  • کیفیت هوا
  • نور

حسگرها با اتصال به اینترنت داده ها را از محیط جمع آوری میکنند و در ادامه میتوانند در تصمیم گیری درست کمک کننده باشند. حسگر دما، حرکت، موقعیت، مجاورت، رطوبت، فشار، کیفیت هوا، نور و … همگی جزئی از اینترنت اشیا هستند.

محرک ها

محرک ها برخلاف سنسورها کار می کنند. در حالی که سنسورها، حس محرک ها عمل می کنند. آنها یک سیگنال یا دستور دریافت می کنند و بر اساس آن باعث عملی می شوند. آنها به اندازه سنسورها بسیار مهم هستند، به محض اینکه سنسورها تغییر در محیط را تشخیص دادند، برای ایجاد اتفاق بر اساس ماشه به یک محرک نیاز است.

اینترنت اشیا شبکه ای است که شامل دستگاه ها، سنسورها، ابر و محرک ها است و همه اینها برای اتصال رمزگشایی با یکدیگر نیاز دارند تا بتوانند داده ها را رمزگشایی کنند و در نتیجه عملیاتی انجام دهند. اتصال، قطعه دوم معما را در دنیای پیچیده اکوسیستم اینترنت اشیا تشکیل می دهد

سیستم پایگاه داده از ویژگی‌های خودکاری استفاده می‌کند که به مدیریت داده‌ها و انباشت آن‌ها کمک می‌کنند. از سوی دیگر، داده‌های گردآوری شده تحلیل می‌شوند و اطلاعات مفید از آن‌ها حاصل می‌شود. یک گام کلیدی و مهم برای هوشمندسازی مبتنی بر اینترنت اشیا آن است که امکان انجام تنظیمات خودکار توسط اشیای متصل انجام شود که این وظیفه بر عهده عملگرها است.

• محرک ها باعث تغییرات در محیط می شوند.
• نمونه ای از محرک ها:
  • شیر برقی
  • موتور DC
  • المنت گرمایشی
  • دستگاه رطوبت ساز
  • رله الکتریکی
  • سروو موتور

دروازه های (Gateways) اینترنت اشیا

ورودی، داده های خام حسگرها باید از دروازه ها عبور کنند تا به ابر برسند. Gateways پروتکل های شبکه را ترجمه می کند تا از برقراری ارتباط بی نقص همه دستگاه های درون شبکه اطمینان حاصل کند. اساساً این دروازه ها را به یک نقطه مهم ارتباطی تبدیل می کند و مسئولیت مدیریت آسان ترافیک داده ها را بر عهده دارد.

• داده ها را از اشیاء دریافت می کنند و به ابر ارسال می کنند.
• فرامین را از ابر به اشیاء منتقل می کنند.
• روی داده ها پیش پردازش انجام می دهند.
• ترافیک شبکه را کنترل می کنند.
• پروتکل های شبکه را ترجمه می کنند.

ابر اینترنت اشیا

هنگامی که داده ها جمع آوری شد و به ابر منتقل شد، باید پردازش شود. ابر جایی است که “چیزهای هوشمند” اتفاق می افتد! این تسهیلات با عملکرد بالا به طور عمده اجزای سازنده را با اکوسیستم اینترنت اشیا بهم پیوند می دهد. این داده ها را اداره می کند، ذخیره می کند و تصمیم می گیرد که یک معامله را انجام دهد یا از بین ببرد. همه اینها برای مقادیر عظیم داده در کمتر از میلی ثانیه انجام می شود. زمان برای اینترنت اشیا بسیار مهم است، زیرا به ویژه در موارد مهم مانند سلامتی و ایمنی، نباید تأخیر داشته باشد.

شرکت‌ها به وسیله اینترنت اشیا حجم انبوهی از داده‌ها را از تجهیزات و برنامه‌های کاربردی جمع آوری میکنند. ابر میتواند داده ها را جمع آوری، مدیریت و ذخیره سازی کند و این موضوع میتواند بر تصمیم گیری کل سیستم تاثیر گذار باشد

• مهم ترین اجزای آن
  • ذخیره سازی داده
  • تحلیل داده
  • مدیریت دستگاه ها
  • واسط پیام رسانی
  • سرویس های کاربردی

ذخیره سازی داده

• داده های جمع آوری شده از دستگاه ها باید در ابر ذخیره شوند تا بتوان از آنها برای تحلیل، مدیریت و تصمیم گیری استفاده کرد.

تجزیه و تحلیل اینترنت اشیا و مدیریت داده ها

داده ها ممکن است یک کلمه کوچک باشد اما دارای قدرت فوق العاده ای است که می تواند تأثیر زیادی بر هر مشاغل بگذارد. از IoT Analytics برای فهم مقدار زیادی از داده های آنالوگ استفاده می شود. این به عنوان مثال می تواند تعیین شاخص های اصلی عملکرد در یک برنامه خاص باشد که در آن فرد ممکن است علاقه مند به مشاهده خطا یا بی نظمی در زمان واقعی باشد.

داده‌های آنالوگ دستگاه‌ها و حسگرها به فرمتی تبدیل می‌شود که خواندن و تحلیل آن‌ها آسان است. همه این موارد به دلیل اکوسیستم اینترنت اشیائی امکان‌پذیر می‌شود که مدیریت را انجام می‌دهد و به بهبود سیستم کمک می‌کند. فاکتور اساسی که با تحلیل‌ها متاثر می‌شود، امنیت است. در واقع تحلیل داده ها در لحظه از بسیاری از خسارات و تصمیم گیری های اشتباه پیشگیری میکند.

تجزیه و تحلیل داده

• داده‌های اینترنت اشیاء را می‌توان به عنوان یک زیرمجموعه از Big data در نظر گرفت
• این داده ها از جریان‌های ناهمگنی تشکیل شده است که باید ترکیب و تبدیل شوند تا اطلاعات منسجم، جامع، جاری و صحیح را برای گزارش‌دهی و تحلیل کسب‌وکار به دست آورند.

مدیریت دستگاه ها

• وظیه تعریف و مدیریت دستگاه های متصل در اکوسیستم را بر عهده دارد.

واسط پیام

• واسط پیام یک موتور پردازشی برای ارسال و دریافت داده های حسگر ها یا فرامین در قالب پیام است.

سرویس های کاربردی

• در این بخش سرویس هایی کاربردی قرار می گیرند. از جمله:
  • سرویس نقشه
  • نمودار های های تحلیلی
  • سرویس مدیریت فایل های صوتی و تصویری
  • داده های هواشناسی

دستگاه های کاربر نهایی و رابط کاربری

رابط کاربر جز قابل رویت است که به راحتی در دسترس و کنترل کاربر اینترنت اشیا است. اینجاست که کاربر می تواند سیستم را کنترل کرده و تنظیمات برگزیده خود را تنظیم کند. هرچه این مولفه اکوسیستم اینترنت اشیا کاربر پسندتر باشد، تعامل کاربر آسان تر است.

رابط کاربری، بخش قابل مشاهده‌ای را فراهم می کند که توسط کاربر به سادگی قابل دسترسی است. برای توسعه‌دهندگان، ساخت یک رابط کاربرپسند که بدون تلاش اضافی قابل دسترسی باشد و به تعامل آسان کمک کند، بسیار حائز اهمیت است.

• رابط کاربر جز قابل رویت اکوسیستم است که به راحتی در دسترس و کنترل است.
• اینجاست که کاربر می تواند سیستم را کنترل کرده و تنظیمات خود را اعمال کند.
• هرچه این مولفه اکوسیستم کاربر پسندتر باشد، تعامل کاربر آسان تر است.

شبکه، اتصالات

اتصالات وظیفه مدیریت ساده جریان ترافیک داده‌ها بین پروتکل‌ها و شبکه‌ها را امکان‌پذیر می‌سازند. همچنین با ترجمه پروتکل ها از صحت اتصال دستگاه ها و حسگرها اطمینان حاصل میکند و پس از پیکربندی صحیح، سطح بعدی را تشکیل میدهد.

• انواع دسته بندی تکنولوژی های شبکه
  • دسته بندی از نظر واسط انتقال دهنده
    • بیسم و سیمی
  • دسته بندی از نظر سرعت انتقال اطلاعات
  • دسته بندی از نظر فاصله تحت پوشش
  • …

Figure 1دسته بندی شبکه های بیسیم از نظر فاصله تحت پوشش

Figure 2شبکه اینترنت اشیاء

شبکه اتصال دهنده لایه اشیاء و لایه درگاه

• اشیاء را به درگاه متصل می کنند.

شبکه اتصال دهنده لایه درگاه و لایه ابر

• درگاه را به ابر متصل می کنند.

پروتکل ها

هنگامی که داده ها توسط حسگرها جمع آوری شد، برای حمل و نقل به یک محیط نیاز دارد. به عبارت دیگر، یک کانال ارتباطی بین حسگرها و ابر ضروری است. پروتکل های اینترنت اشیا وظیفه انتقال داده ها در دنیای آنلاین را دارند و این انتقال فقط در صورت اتصال ایمن دو دستگاه امکان پذیر است. استانداردها و پروتکل های اینترنت اشیا شامل یک زبان نامرئی است که به اشیا فیزیکی اجازه می دهد با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.س

[1] Devices

[2] Cloud