사물인터넷(IoT) 아키텍처를 학습하여 업무용 IoT 구조를 설정합니다.
미래의 창고, 공급망, 제조 공장 및 물류 허브는 IoT를 지원하게 될 것입니다. 기술이 복잡하기 때문에 소수의 IT 거물만이 내부에 무엇이 있는지 알고 있습니다. 그러나 기술에 대해 배움으로써 해독할 수도 있습니다.
비즈니스를 더 스마트하게 만들거나 IoT 솔루션을 서비스로 제공하려는 경우에도 계속 읽으십시오. 이 기사에서는 자동화와 편의성을 제공하는 핵심인 IoT 아키텍처와 일부 널리 사용되는 사용 사례에 대해 설명합니다.
목차
소개
IoT에는 센서, 장치 및 데이터를 수집, 처리하고 엔드포인트 시스템에 대한 명령으로 보내는 전자 인터페이스가 포함됩니다.
이들은 모두 IoT 시스템에서 변수 또는 움직이는 부분입니다. 이러한 움직이는 부품을 주문하고 최종 IoT 구조를 생성하는 방법을 정의하는 프레임워크가 IoT 아키텍처입니다.
IoT 아키텍처는 IoT 시스템의 장치, 클라우드 소프트웨어 및 센서 네트워크를 연결하고 작동하는 방법을 알려줍니다. 말할 것도 없이 시스템 문제 해결은 IoT 아키텍처 내에서도 발생합니다.
이를 위한 기본 프레임워크는 IoT 시스템의 세 가지 구성 요소 계층입니다. 이들은 아래와 같습니다:
- 인식 계층 아래의 센서, 액추에이터, 장치 등
- LAN, Wi-Fi, 5G, 4G 등 네트워크 레이어 생성
- 그래픽 사용자 인터페이스는 애플리케이션 계층입니다.
IoT 아키텍처를 통해 시스템 내의 모든 구성 요소, 데이터 흐름 및 최종 장치 명령을 알 수 있습니다. 따라서 IoT 시스템을 효과적으로 보호, 지원 및 제어할 수 있습니다.
IoT 아키텍처의 계층
IoT 시스템 아키텍처에는 센서 데이터가 클라우드 애플리케이션에 도달하는 디지털 미디어 역할을 하는 다양한 계층이 있습니다. 그런 다음 클라우드 앱은 제조 공장의 로봇 팔과 같은 엔드포인트 장치에 대해 미리 설정된 워크플로를 기반으로 결정을 내립니다.
마지막으로 이러한 결정은 동일한 계층을 통해 엔드포인트 장치로 흐릅니다. 이러한 계층을 이해하면 성공적인 IoT 아키텍처를 만들 수 있습니다. 알아야 할 IoT 아키텍처 계층은 다음과 같습니다.
감각/지각 계층
인식 계층은 물리적 우주에서 데이터를 수집하는 엔드포인트 장치로 구성됩니다. 그러면 디지털 애플리케이션이 수집된 데이터를 분석할 수 있습니다.
이 계층은 실제 개체와 연결되어 있기 때문에 IoT 전문가는 이를 물리 계층이라고도 합니다. 다음은 인식 계층에 연결되는 몇 가지 주목할만한 장치입니다.
- 자이로 미터, 속도 센서, 무선 주파수 식별(RFID) 센서, 화학 센서 등과 같은 센서
- 액추에이터 및 로봇 팔
- 보안 카메라, 도어 액세스 시스템 등
- 온도 조절 장치, HVAC, 물 스프링클러, 발열체 등
대부분의 산업용 IoT 장치는 처리 계층에 대한 데이터를 수집합니다. 가정용 IoT 장치의 경우 인식 계층이 처리 계층이 될 수도 있습니다. 예를 들어 Nest Learning Thermostat이 있습니다.
네트워크/데이터 전송 계층
네트워크 계층은 IoT 아키텍처의 모든 계층 간의 데이터 전송을 처리합니다. 이 계층은 또한 장치, 클라우드 앱 및 데이터베이스의 전체 웹에 대한 네트워크 토폴로지를 정의합니다.
이 계층의 중요한 부분은 인터넷 게이트웨이, 인트라넷 포트, 네트워크 게이트웨이 및 데이터 수집 시스템(DAS)입니다. 위의 네트워크 연결 프로토콜의 경우 다음과 같은 물리적 장치를 사용할 수 있습니다.
- 와이파이
- 광역 통신망(WAN)
- 4G LTE/5G
- 저에너지 블루투스
- 근거리 통신(NFC)
이 계층을 통해 다양한 종단 장치와 클라우드 앱이 서로 통신합니다. 온도, 속도, 습도 등과 같은 센서 데이터는 네트워크 계층을 통해 이동하여 다른 계층에 도달합니다.
데이터 처리 계층
처리 계층은 데이터를 데이터 센터로 전송하기 전에 데이터를 분석하고 저장합니다. 여기에는 에지 컴퓨팅, 인공 지능(AI) 및 기계 학습(ML)의 에지 분석이 포함됩니다. 결정을 내리는 것과 같은 중요한 작업도 이 계층에서 수행됩니다.
처리 계층은 모든 의사 결정 작업을 수행합니다. 그러나 애플리케이션 계층에서 즉석 결정을 내려 결정을 무시하거나 시스템을 개선할 수도 있습니다. 이는 지능형 기계에 대한 인간의 제어에 꼭 필요한 기능입니다.
응용 프로그램 또는 GUI 계층
Google Home, Amazon Alexa 등과 같은 대부분의 IoT 시스템은 사람의 개입 없이 작동합니다. 그러나 IoT 워크플로를 추가하고, 매개변수를 변경하고, 장치를 추가하는 등의 작업을 수행하려면 그래픽 사용자 인터페이스가 필요합니다. 이것이 바로 애플리케이션 계층입니다.
IoT 아키텍처의 애플리케이션 계층에 대한 몇 가지 중요한 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 음성 명령 기반 문제 우회
- 작은 화면에서 수천 개의 센서 및 종단 장치와 통신
- 전체 비즈니스 운영을 중단하지 않고 기존 IoT 시스템에 새 장치 추가
- 시스템 상태를 관찰하고 대시보드에 다음이 표시되면 장치에 서비스를 제공합니다.
- IoT 시스템을 위한 새로운 규칙 또는 워크플로 생성
- SLA(서비스 수준 계약) 생성 및 준수
산업 환경에서 모든 IoT 시스템을 관찰하려면 대부분 컴퓨터 모니터의 중앙 집중식 대시보드가 필요합니다. 대시보드에서 장치를 일시 중지, 중지 또는 다시 시작하여 일부 또는 모든 IoT 시스템과 상호 작용할 수 있습니다.
비즈니스 계층
비즈니스 계층은 저장된 데이터를 실행 가능한 통찰력으로 변환합니다. 비즈니스 관리자, CTO 등이 이러한 보고서를 사용할 수 있습니다. 생산성 향상을 위한 의사 결정에 도움이 됩니다.
이 계층에는 주로 비즈니스 앱의 통합이 포함됩니다. 예를 들어 ERP(Enterprise Resource Planner), 비즈니스 인텔리전스(BI) 앱, 데이터 시각화 앱 등이 있습니다.
여기에서 데이터 분석가는 데이터를 처리하고 Tableau, Power BI 등과 같은 BI 도구에 입력하여 IoT 시스템의 전반적인 성능을 알 수 있습니다. 시장의 현재 생산 능력과 미래의 요구 사항을 기반으로 예측을 생성할 수도 있습니다.
IoT 아키텍처의 단계
높은 수준의 IoT 시스템 아키텍처 구현을 위해서는 이 시스템의 단계를 이해해야 합니다.
사물
객체 단계는 물리적 계층의 구현으로 시작됩니다. 여기에서 스마트 장치, 센서 및 액추에이터를 IoT 네트워크 및 엔드포인트 머신과 연결해야 합니다.
센서는 유선 또는 무선일 수 있습니다. 주요 목표는 실제 데이터를 수집하고 처리 계층을 위해 디지털 데이터로 변환하는 것입니다.
게이트웨이
인트라넷 또는 인터넷 게이트웨이를 설정해야 합니다. 이 단계에서 모뎀과 라우터는 센서와 엔드포인트 장치에서 데이터를 수집합니다.
그런 다음 이러한 게이트웨이 장치는 디지털 데이터를 처리 계층 및 애플리케이션 계층으로 전송합니다. 대부분의 IoT 아키텍처는 이 단계에서 데이터 수집 시스템을 사용합니다.
IT 시스템
IoT 시스템은 아날로그 데이터를 수집하고 데이터 수집 시스템은 이를 디지털 데이터로 변환합니다. 따라서 후처리된 디지털 데이터의 크기는 엄청납니다. 여기에 에지 IT 시스템이 있습니다.
이 단계에서는 수집된 데이터를 AI 및 ML 알고리즘이 처리하고 실행 가능한 데이터만 유지하는 에지 IT 시스템으로 보냅니다.
클라우드 스토리지/데이터 센터
에지 IT 시스템에서 중요한 데이터를 처리하고 필터링한 후에는 액세스 가능한 스토리지에 저장해야 합니다. IoT 아키텍처의 애플리케이션 계층은 스토리지 단계에 연결됩니다.
스토리지 단계는 주로 프라이빗 클라우드 스토리지로, IoT 데이터를 구조화된 데이터베이스에 저장할 수 있습니다. 저렴한 솔루션을 찾고 있다면 퍼블릭 클라우드를 사용해 볼 수도 있습니다.
비기능적 요구 사항
#1. 보안
아키텍처의 내부 안전을 보장하기 위해 승인되지 않은 장치가 연결되어서는 안됩니다. 장치는 등록되어 있어야 하며 안전하게 통신할 수 있어야 합니다.
또한 모든 사용자와 데이터는 아키텍처에 안전하게 액세스할 수 있어야 합니다. 인증된 시스템 사용자는 보안 제어와 데이터를 교환해야 합니다.
#2. 성능
IoT 시스템은 비정형 및 정형 데이터와 호환되어야 합니다. 플랫폼의 배포는 클라우드, 온프레미스 및 하이브리드 클라우드와 호환되어야 합니다.
사용자에 대한 수용 가능한 응답 시간과 양방향, 실시간에 가까운 통신 및 세분화된 타임스탬프는 이 아키텍처의 기타 필수 비기능적 요구 사항입니다.
#삼. 관리 용이성
IoT 아키텍처에는 모든 문제에 대한 알림 및 경고가 포함되어야 합니다. 중앙 노드에서 문제의 원인을 신속하게 파악하기 위한 솔루션 관리를 지원해야 합니다.
#4. 유지 보수성
장치와 IoT 시스템은 적응 가능해야 합니다. 아키텍처는 사용자, 프로세스 및 데이터 변경 사항에 빠르게 적응할 수 있을 만큼 유연해야 합니다. 또한 서비스 수준 계약(SLA)을 지연시키지 않고 유지 관리를 수행해야 합니다.
#5. 유효성
특정 도메인 및 솔루션은 IoT 시스템의 연중무휴 가용성을 요구합니다. 예를 들어 병원이나 연구실의 IoT 아키텍처는 시스템이 항상 켜져 있어야 합니다.
MongoDB Atlas의 IoT 아키텍처
MongoDB의 IoT 아키텍처 MongoDB.com의 Atlas 이미지
IoT 아키텍처의 다양한 계층은 테라바이트의 데이터를 생성합니다. IoT 지원 클라우드 데이터베이스를 사용하는 것은 조직적인 방식으로 데이터를 저장하는 데 이상적입니다.
사용할 수 있는 훌륭한 클라우드 데이터베이스 중 하나는 MongoDB Atlas입니다. 다음은 IoT 아키텍처에서 사용되는 몇 가지 예입니다.
- 데이터베이스 및 인터페이스 구축을 위한 MongoDB RealmSDK 및 MongoDB 서버. 모바일 앱과 장치는 이러한 데이터베이스와 인터페이스를 사용할 수 있습니다.
- 네트워크 계층에서 MongoDB Atlas를 사용하여 IoT 서버를 구성하고 배포할 수 있습니다.
- 연속 IoT 측정 데이터를 위한 스토리지로 MongoDB 5.0 시계열을 사용합니다.
- IoT 시스템의 네트워크 연결이 불안정한 경우 Atlas App Services에서 오프라인 우선 동기화를 사용할 수 있습니다.
- 비즈니스 계층에서 BI 및 MongoDB 차트용 MongoDB 커넥터를 사용하여 IoT 데이터에서 실행 가능한 인사이트를 추출할 수 있습니다.
사용 사례
IoT 아키텍처는 날이 갈수록 인기를 얻고 있으며 다양한 분야에서 사용이 증가하고 있습니다. 다음은 가장 일반적인 사용 사례입니다.
#1. 보건 의료
클리닉과 병원은 테라바이트의 미개발 데이터를 생성합니다. 이를 사용하여 운영 효율성과 환자 관리를 높일 수 있습니다.
IoT 아키텍처를 통해 기관은 격리된 환자 데이터를 사용할 수 있습니다. 의사는 통찰력을 빠르게 얻고 사용하여 경고에 신속하게 대응할 수 있습니다. IoT 인프라에 연결된 가젯 및 건강 상태 모니터는 실시간 환자 상태를 제공할 수 있습니다.
#2. 농업
농부는 IoT 아키텍처를 사용하여 자율적으로 생산량을 늘리고 관리할 수 있습니다.
다음에서 사용법을 볼 수도 있습니다.
- 토양 온도 모니터링
- 기계 고장 원인 찾기
- 실내 농장의 습도 및 온도 수준 조정
#삼. 조작
제조 산업은 IoT 센서를 활용하여 프로세스에 대한 통찰력을 얻습니다. 일반적으로 인터넷에 연결되어 있지 않습니다. 이러한 단거리 변형 센서는 시간 경과에 따른 변화를 계산할 수도 있습니다.
이 부문에서 IoT 아키텍처의 다른 용도는 다음과 같습니다.
- 실시간 생산 모니터링을 통한 수요 예측
- 주기 시간 추적을 통해 기본 효율성 파악
#4. 상업용 HVAC 솔루션
HVAC는 어떤 요소나 기능의 고장도 용납할 수 없는 복잡한 시스템입니다. 이런 일이 발생하면 높은 에너지 소비와 추가 유지 보수 비용이 발생합니다. IoT 아키텍처를 사용하면 HVAC가 만족스러운 출력을 제공하면서 낮은 전력 수준에서 실행되도록 할 수 있습니다.
상용 솔루션의 일관성과 품질을 보장하는 것은 IoT의 또 다른 용도입니다. 시스템은 사용자 상호 작용을 최소화하여 자동으로 데이터를 수집하고 분석하여 이상 징후를 알려줍니다.
#5. 상업용 아파트의 수해 방지
수도관 누수 및 파열은 주택 소유자와 보험 회사에 수백만 달러의 손실을 입힙니다. 물 연결부가 보이지 않아 근본 원인을 찾기가 어렵습니다.
적절하게 설정된 IoT 아키텍처는 효율적인 내장 센서를 통해 사용자에게 실시간으로 누출을 알릴 수 있습니다. 또한 더 나은 자산 유지 관리를 위해 이해 관계자에게 상황에 맞는 위치 데이터를 제공합니다. 보험 회사도 이러한 문제의 조기 감지를 통해 이점을 얻습니다.
또한 센서는 미래에 잠재적인 위협이 될 수 있는 사소한 누출도 감지할 수 있습니다. 따라서 사용자는 배관공과 약속을 잡을 수 있습니다.
IoT 아키텍처의 미래
곧 IoT는 5G 네트워크의 성장과 함께 진화하는 발전을 보게 될 것입니다. 그 어느 때보다 빠른 데이터 처리가 가능해질 것입니다. IoT 시스템의 빠른 배포는 말할 것도 없습니다.
관리자는 사설 5G를 사용하여 개인 5G 모바일 네트워크를 시작하고 이를 완전히 제어할 수 있습니다.
엔터프라이즈 수준의 작업은 다음과 같은 문제에 직면하지 않습니다.
- 속도 제한
- 상호 운용성 부족
- 데이터 사용량 초과시 추가요금
- 피크 시간 동안 대역폭을 사용할 수 없음
마지막 말
IoT 아키텍처는 응집력 있는 네트워크에서 IoT 시스템의 모든 구성 요소를 연결하는 방법을 알려줍니다. 따라서 우리는 이 시스템 아키텍처의 모든 중요한 기술적 측면을 다루었습니다.
IoT 아키텍처에 대한 자세한 지식은 의료, 제조 및 농업 분야에서 비즈니스급 솔루션을 만드는 데 도움이 됩니다. 사용자는 이 기사에서 언급한 사용 사례를 넘어 아직 탐색되지 않은 다양한 분야에서 IoT를 구현할 수도 있습니다.
IoT 학습 리소스 및 IoT 스타터 키트에 대한 기사를 살펴볼 수도 있습니다.