构建强大的物联网架构所需了解的一切

数据正驱动着当今的商业发展，而物联网（IoT）则有助于为企业的增长和创新开辟新的机遇。麦肯锡的研究表明，全球数据在四年内实现了惊人的 7 倍增长。随着越来越多的物联网设备进入市场，更多企业开始需要强大的物联网架构，以管理复杂且可扩展的系统。

“物联网效应” 是这种快速增长的原因之一。通过实施物联网，各行业的架构企业开启了一个充满可能性的新世界，降低了成本，提升了客户体验，并在竞争中处于领先地位。

因此，无论你是物联网新手，还是希望优化现有的架构，本指南都是你的首选资源。我们将带你了解物联网架构的基础知识、典型设计模式以及优化性能和数据管理的策略。

物联网架构的基础知识

物联网架构是一套用于设计、部署和管理物联网系统的模式和原则。工业物联网架构通常由几个层级组成，这使得整个系统更易于管理、扩展和保障安全。其主要目标是从众多设备、传感器和系统中收集、分析和存储数据。

传统物联网的每个层级都负责特定的功能：

设备层—— 该层级包含所有类型的物联网使能设备，如传感器、执行器和网关，它们从物理世界收集并传输数据。执行器负责根据其他设备收集的数据来控制和操纵物理系统。网关使用 Zigbee、Wi-Fi 和蓝牙等协议将数据传输到云端或其他系统进行分析。

通信层—— 物联网涉及多个设备的通信和数据收集，特别是这一层级在这个过程中起着至关重要的作用。它定义了设备如何传输数据，以及如何管理和监控设备设置。通信层意味着要与多种设备和协议兼容，同时要具备安全性、低延迟和高带宽。标准协议包括 MQTT、CoAp、HTTP、AMQP、蓝牙、Zigbee 和 LoRaWAN。

数据处理层—— 借助机器学习（ML）和人工智能（AI）的支持，将数据转化为见解，具有实时处理、可扩展性和兼容性。此外，它可以包含预处理和清理元素，以帮助准备用于分析的数据。在你的业务中结合物联网和人工智能技术，是显著提高分析有效性的有效方法。

存储层—— 数据收集后，会进入一个存储库，其他系统可以从该存储库访问数据。它涉及将数据存储在存储库中，包括 NoSQL 数据库和亚马逊 S3、Azure Blob Storage 等基于云的平台，这些都是可扩展、可靠且具成本效益的存储解决方案。

应用层—— 充当最终用户与存储层和处理层之间的桥梁。这一层级的目标是以便捷的方式向最终用户呈现数据，包括通过仪表板、数据可视化、通知以及与其他系统的集成。

这些物联网架构层级相互结合，提取见解，并推动决策制定、战略规划和新产品的创造。

物联网架构的常见设计模式

可扩展性、可靠性和安全性是每个物联网系统的基本要素。这些是你需要着手考虑的要点。

但为了确保你的系统运行良好，你需要选择正确的设置方式。根据你希望使用系统的目的不同，有不同的设置方式和不同类型的物联网开发服务可供使用。

四种常见的物联网架构设计模式如下：

1. 星型结构：一个中央集线器设备从位于网络边缘的物联网设备收集数据。这个集线器设备负责处理数据并将其传输到后端系统或云端。这种设计模式更适用于拥有数千个传感器和设备的工业解决方案。

2. 边缘计算：这种模式不是在云端处理和存储数据，而是在传感器或网关等边缘设备上对实时数据进行处理。这种设计模式能够实现快速的实时处理和响应。

3. 事件驱动架构：这种设计模式会对系统状态或数据的变化做出响应。它使物联网架构更具响应性，并能优化资源的使用。

4. 客户端 - 服务器：客户端 - 服务器模式适用于管理和监控少量设备。在这种模式中，物联网设备成为客户端，将数据发送到服务器进行处理和存储。

构建物联网架构时需要考虑的 4 个因素

物联网架构值得投入。它为企业开辟了新的机遇，并将竞争优势保持在较高水平。然而，要使系统平稳且成功地运行，必须及时解决一些挑战。以下是其中一些挑战：

1. 互操作性。为确保物联网架构的成功，它应该具备可扩展性、安全性、稳健性和互操作性。例如，物联网应用开发通常面临整合各种设备和协议以及管理大量数据的挑战。你应该考虑未来以及商业模式可能发生的变化，这样架构才不会阻碍发展。

但互操作性在实际中是怎样的呢？假设你有一个智能住宅。一个具有互操作性的架构允许来自不同制造商的传感器和设备（如恒温器或安全摄像头）顺利集成。这可以防止业主被单一供应商绑定。

2. 安全性。物联网发展迅速，现成的解决方案并不总是能满足企业的需求。在这种情况下，定制的物联网系统可能更有效、更安全。为实现这一点，企业应该评估其数据需求并识别潜在的漏洞。

有许多策略可以实施和增强安全性，包括加密、身份验证和访问控制。企业主和技术团队应该共同努力，识别物联网架构的潜在问题，并实施最佳设计。

3. 数据管理。物联网设备会生成大量的数据流，因此规划数据的传输和存储至关重要。要建立有效的数据管理流程，需考虑以下几点：

（1）数据量：传统系统可能难以处理物联网设备生成的数据。为管理数据量，可以考虑采用边缘计算和雾计算等分布式方法。

（2）数据多样性：不同类型的数据，如音频、视频和传感器数据，需要不同的工具进行处理、分析和存储。

（3）数据质量：并非物联网设备生成的所有数据都是可靠或有价值的。为防止不必要的数据积累，应采用清理和标准化技术。

4. 能效。确保物联网设备的能效至关重要，因为它们通常依靠电池供电。因此，借助低功耗无线通信协议和节能硬件来最大限度地延长其使用寿命是必不可少的。有效的物联网产品开发商利用节能设计实践和优化的软件算法来完成这些任务。

构建防护盾：物联网架构的数据管理与安全性

物联网已经开始改变企业，并将数字化带到各个角落。然而，随着数字化变革而来的还有挑战。一方面，物联网系统使用和安装起来很简单。另一方面，它就像一个谜题，你需要找到完美的碎片来拼凑。特别是，安全性和数据管理问题让许多潜在的物联网技术采用者感到困惑。为了为你的企业做出最佳决策并保护你的物联网系统，你需要考虑现有的问题和解决方案：

1. 物联网数据管理。如果你担心管理物联网系统生成的大量数据，以下是一些有助于优化运营、降低成本和提高效率的解决方案：

（1）高速数据处理工具：它们支持实时数据处理，适用于需要快速获取用户数据的行业（例如，在医疗保健领域，它们被用于快速处理患者信息，进而加快诊断和治疗计划的制定过程）。例如：Apache Kafka、Spark Streaming 和 Flink。

（2）灵活的数据管理系统：它们允许你处理不同格式的数据。在零售业中应用时，这样的系统有助于收集和分析关于客户、他们的行为和偏好的数据，以创建个性化的优惠。例如：Hadoop 分布式文件系统和 Apache Cassandra。

（3）数据清理工具：为了使数据保持一致、结构化并从中获取有用的数据，清理工具派上了用场。它们处理大量信息，并执行诸如消除重复和不一致的数据、识别缺失数据和格式错误等操作。例如：AWS Glue 和 OpenRefine。

（4）强化物联网：构建物联网安全架构的策略。

尽管此前物联网设备遭遇过攻击，但企业如今仍渴望采用这项技术，预计到 2030 年，市场规模将比 2019 年增长两倍。投资将主要来自农业、建筑、制造业、交通运输等行业。

然而，安全性现在是物联网制造商和技术专家的首要任务。以下是一些提高物联网架构安全性的解决方案：

1. 定期审计和漏洞测试；
2. 安全措施，如加密、身份验证和访问控制；
3. 安全的通信协议。

物联网架构的性能优化

优化物联网架构的性能需要对每个层级进行全面的规划。这意味着系统的运行方式应满足客户的业务需求。

例如，运输公司需要实时数据处理来优化路线。在制造业中，实时跟踪设备可以减少停机时间，并在小问题演变成大问题之前识别出来。这些只是几个例子，每个企业都可以评估自己的具体需求，并构建一个与公司战略目标完美契合的定制物联网架构。

让我们了解一下你可能需要为自己的公司考虑的主要性能优化策略：

1. 云计算—— 确保在数据量增加时具备灵活性和可扩展性。因此，它可以节省在本地构建扩展基础设施的成本。借助它，企业还可以在数据量增加时进行扩展，而无需大量的资本投资。

2. 流处理—— 通过发现数据中的模式促进实时分析，这些模式随后可用于预测未来事件。流处理是一种节省数据成本的好方法，因为它是实时处理的。

3. 服务质量监控—— 帮助企业更深入地了解性能问题，并优化资源分配。服务监控确保企业的物联网架构符合行业标准。

4. 数据压缩—— 是减少网络负载的完美解决方案。需要传输的数据越少，发生拥堵的可能性就越小。数据压缩有助于降低物联网设备的能耗。如果设备是电池供电的，它们还将有助于延长其使用寿命。

驾驭物联网浪潮：物联网架构的评估

无论是硬件还是软件，及时维护都是防止工作中断的最佳实践。如果你选择物联网系统架构，进行端到端的性能评估对于提高可靠性和加快交付速度至关重要。

如何通过 5 个简单步骤更有效地评估你的物联网架构？

1. 选择性能指标。挑选一些具体的基准来衡量这些指标，如网络拥堵、延迟等。
2. 收集数据。使用物联网监控工具、网络监控器和应用程序性能管理工具来全面了解架构性能。
3. 分析。收集到的材料将有助于识别瓶颈和数据传输速度，并能评估架构的整体状态。
4. 寻找改进机会。这一步是关于需要升级或实施新物联网技术的领域，以及数据处理的优化。
5. 改进。在识别出漏洞后，着手进行变更和升级，并进行监控以确保其达到预期效果。

物联网架构的实际应用

物联网技术正在不断发展，最重要的是，它正变得越来越便宜。随着设备价格的下降，其功能却在不断增加。

现在，我们如何在各个行业中使用物联网架构？

1. 智能农业。物联网传感器和设备使农民能够收集有关农作物、肥料、水以及收获、灌溉和播种过程中能源使用的数据。例如，互联农业成为大型企业和个体农民的一项突破。

John Deere（一家领先的农业设备制造商）推出了物联网传感器，这些传感器收集有关土壤养分缺乏的信息并测量湿度。这些数据使农民能够优化作物生长。传感器收集土壤中养分缺乏的数据并测量湿度。此外，他们还生产无人机来监控农作物并识别需要关注的区域。

2. 智慧城市。新加坡、阿姆斯特丹、巴塞罗那等世界上许多城市都在使用物联网解决方案来：

（1）优化能源消耗和成本；
（2）减少温室气体排放；
（3）将环境破坏降至最低。

这些创新已经带来了令人印象深刻的成果。例如，巴塞罗那的能源消耗减少了近 25%，温室气体排放减少了 20%。

3. 制造业。物联网在制造业中的主要优势是预测性维护。General Electric 和 Bosch 等大公司已经推出了用于设备监控的物联网解决方案。

所接收的数据用于安排维护，每年可节省数千美元。预测性维护减少了停机时间，延长了工具和重型机械的使用寿命，从而避免了意外的预算超支。

拥抱物联网架构，获取竞争优势

物联网技术正在改变所有行业（无论是制造业还是医疗保健业）并提高其生产力。技术不断发展，大多数技术已经需要更具可扩展性、灵活性和可靠性的物联网架构。

通过拥抱物联网，企业可以提高产品质量，使其运营更具可持续性，并提高客户满意度。虽然一些企业可能对采用新技术存在顾虑，但物联网的好处远远超过其风险。对于长期的绩效成果而言，它是一种独特且经济实惠的解决方案。

本文转载自 雪兽软件
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