آشنایی با معماری چهار مرحله‌ای یک سامانه مبتنی بر اینترنت اشیا

اولین مرحله معماری اینترنت اشیا شامل تجهیزات شبکه هستند که عمدتا حس‌گرهای بی‌سیم و فعال‌کننده‌ها هستند. مرحله دوم سامانه‌های جمع‌آوری داده‌های حس‌گرها و تبدیل داده‌های آنالوگ به دیجیتال هستند. در مرحله سوم داده‌های دریافتی به مراکز داده یا سرویس‌های ابرمحور انتقال پیدا می‌کنند تا در مرحله چهار سامانه‌های فناوری‌اطلاعات لبه (IT edge) یک پردازش اولیه روی داده‌ها انجام دهند. در برخی موارد زمانی که پیش‌پردازش روی داده‌ها انجام شود، اطلاعات یکبار دیگر به مراکزداده یا سرویس‌های ابرمحور منتقل می‌شوند. زمانی که فرآیند تحلیل داده‌ها به‌اتمام رسید، داده‌ها طبقه‌بندی و مدیریت می‌شوند و روی یک مرکز داده سنتی و اصلی ذخیره می‌شوند. در طول این فرآیند وضعیت حس‌گرها و فعال‌کننده‌ها توسط متخصصان زیر نظر گرفته می‌شود. به عبارت دیگر، مرحله دوم، سوم و چهارم توسط دپارتمان‌فناوری اطلاعات بررسی می‌شود. پردازش لبه (Edge processing) ممکن است روی خود مرکز داده یا سامانه‌ای که دورتر از موقعیت شرکت قرار دارد انجام شود.در شکل زیر معماری چهار مرحله‌ای اینترنت اشیا را مشاهده می‌کنید.

در شکل بالا خطوط عمودی که با عبارت The edge برچسب‌گذاری شده‌اند، تقسیم سنتی مسئولیت‌ها میان دپارتمان فناوری‌اطلاعات و واحد‌های عملیاتی را نشان می‌دهد، البته به درستی نمی‌توان مرز مشخصی در این زمینه ترسیم کرد. اکنون که تا حدودی با چهارچوب کلی معماری چهار مرحله‌ای اینترنت اشیا آشنا شدید، اجازه دهید جزییات هر مرحله را بررسی کنیم.

مرحله اول حس‌گرها/ فعال‌کننده‌ها (Sensors/actuators)

حس‌گرها داده‌های محیطی یا اشیا را جمع‌آوری می‌کنند و آن‌ها را به اطلاعات قابل استفاده تبدیل می‌کنند. به‌طور مثال، ساختا گوشی‌های همراه را تصور کنید. گوشی‌های هوشمند می‌توانند کشش هدایتی گرانشی را تشخیص دهند و موقعیت نسبی گوشی به ماهیتی که آن‌را زمین می‌نامیم را نشان می‌دهند. در ادامه داده‌های دریافتی به داده‌هایی در گوشی تبدیل می‌شوند که برای جهت‌گیری کاربرد دارند. فعال‌کننده‌ها می‌توانند به منظور تغییر شرایط فیزیکی که داده‌ها در آن به وجود می‌آیند استفاده شوند. به‌طور مثال، یک فعال‌کننده می‌تواند یک منبعق برق را خاموش کند، دریچه تخلیه یا ورود آب را تنظیم کند یا در خطوط مونتاژ، به بازوی روباتی فرمانی برای حرکت بدهد. مرحله سنجش/فعال‌سازی هر وسیله‌ای از دستگاه‌های صنعتی گرفته تا سامانه‌های تصویری روبات‌ها، شناساگرهای سطح آب‌، حس‌گرهای سنجش کیفیت آب و مانتیورهای جریان گرما را زیر نظر بگیرند. حوزه اینترنت اشیا به واسطه حس‌گرهای بی‌سیم با توان مصرفی اندک (PoE) سرنام Power over Ethernet که به دستگاه‌ها اجازه می‌دهند روی شبکه محلی سیمی بدون نیاز به یک منبع تامین انرژی خارجی A/C بدون مشکل کارهای خود را انجام دهند به سرعت در حال رشد است. در معماری اینترنت اشیا ممکن است برخی از فرآیندهای پردازش داده‌ها در هر چهار مرحله انجام شوند. در حالی که می‌توانید داده‌های یک حس‌گر را پردازش کنید، اما با محدودیت توان پردازشی دستگاه‌ها روبرو هستید. به عبارت دقیق‌تر هر دستگاه اینترنت اشیا توان پردازشی خاص خود را دارد که در بیشتر موارد این توان چندان بالا نیست. داده‌ها نقطه سقل اینترنت اشیا هستند و در زمان پردازش داده‌ها باید میان یک بینش تاثیرگذار در استراتژی‌های کسب‌وکار یا بینشی که برای اخذ یک تصمیم آنی از آن استفاده می‌شود یکی را انتخاب کرد. اگر به دنبال کسب دانش و بینش عمیقی هستید که نیازمند یک پردازش سنگین روی داده‌ها است، لازم است تا داده‌ها به یک سامانه مبتنی بر سرویس‌های ابری یا یک مرکز داده منتقل شوند. در برخی از موارد نیازمند اخذ تصمیمات لحظه‌ای هستید و امکان صبر کردن برای دریافت اطلاعات از یک سیستم راه‌دور وجود ندارد. به‌طور مثال بازوی روباتیکی که در حال جراحی یا برش یک شریان خونی است، خودرویی که چند دقیقه بعد از کار خواهد ایستاد از جمله مواردی هستند که صبر کردن برای دریافت اطلاعات از مرکز داده ممکن است صدمات جبران‌ناپذیری وارد کنند. در این گونه موارد داده‌ها باید در حس‌گر مربوطه ارزیابی و پردازش شوند تا پاسخ سریعی دریافت شود.

مرحله 2. دروازه اینترنت

داده‌های تولید توسط حس‌گر آنالوگ هستند. به همین دلیل، داده‌ها باید جمع‌آوری و به استریم‌های دیجیتال تبدیل شوند تا امکان به‌کارگیری آن‌ها در فرآیندهای پردازشی بعدی فراهم شود. سیستم کسب داده‌ها (DAS) سرنام Data acquisition systems بر فرآیند تجمیع داده‌ها و تبدیل داده‌ها نظارت دارد. DAS به شبکه‌ای از حس‌گرها متصل می‌شود، خروجی را جمع‌آوری و فرآیند تبدیل داده‌های آنالوگ به دیجیتال را بر عهده می‌گیرد. دروازه اینترنت (Internet Gateway) داده‌های جمع‌آوری و دیجیتالی شده را دریافت می‌کند و داده‌ها را با استفاده از شبکه وای‌فای یا شبکه محلی سیمی یا اینترنت به مرحله سوم ارسال می‌کند تا پردازش‌های بعدی روی آن‌ها انجام شود. سامانه‌های مرحله دوم، در بیشتر موارد در کنار حس‌گرها و فعال‌کننده‌ها قرار دارند. به‌طور مثال پمپی را تصور کنید که ممکن است حس‌گرها و فعال‌کننده‌های مختلفی در آن قرار گرفته‌اند که داده‌ها را به سمت دستگاه جمع‌آوری داده‌ها هدایت می‌کند و قادر به دیجیتالی کردن داده‌ها است. دستگاه فوق می‌تواند به شکل فیزیکی به پمپ وصل شود. تنظیم دستگاه دروازه یا سرور داده‌ها را پردازش و آن‌ها را برای سامانه‌هایی که در مرحله سه یا چهار قرار دارند ارسال می‌کند. اکنون به پرسش مهمی‌ می‌رسیم، چرا داده‌ها به پیش‌پردازش نیاز دارند؟داده‌های آنالوگی که حس‌گرها دریافت می‌شوند، حجم بسیار زیادی از داده‌ها را تولید می‌کنند. کسب‌وکارها بیشتر به سنجه‌های فیزیکی قابل ملموس که دائما در حال تغییر هستند همچون حرکت، ولتاژ، ارتعاش و مواردی از این دست علاقه دارند. حال تصور  کنید موتور یک هوایپما می‌تواند در یک روز چه میزان اطلاعات را تولید کند و چگونه باید این داده‌ها را پردازش و از آن‌ها استفاده کرد. به لحاظ تئوری هیچ‌گونه محدودیتی در ارتباط با تعداد حس‌گرهایی که می‌توانند داده‌های موردنیاز اینترنت اشیا را تولید کنند وجود ندارد. سامانه‌های اینترنت اشیا همیشه بیدار و فعال هستند و قادر هستند داده‌های موردنیاز کسب‌وکارها را فراهم کنند. تولید و استریم کردن داده‌ها در اینترنت اشیا به اندازه‌ای زیاد است که برخی از کارشناسان اعلام کرده‌اند مقدار دیوانه‌کننده 40 ترابایت در ثانیه را مطرح کرده‌اند. حال تصور کنید این حجم بسیار عظیم از داده‌ها باید به سمت مراکز داده ارسال شود. به همین دلیل است که یک فرآند پیش‌پردازش روی داده‌ها انجام می‌شود. یکی دیگر از مواردی که وجود پیش‌پردازش روی داده‌ها را ضروری می‌کند به زمان‌بندی و ویژگی‌‌های ساختاری اطلاعات آنالوگ باز می‌گردد که وجود نرم‌افزارها خاص برای پردازش داده‌ها را ضروری می‌کند. به همین دلیل لازم است داده‌ها در ابتدا از وضعیت آنالوگ به دیجیتال تبدیل شوند. فرآیندی که در مرحله دوم انجام می‌شود. درواز‌ها‌ی هوشمند عملکرد بهتری نسبت به دروازه‌های سنتی دارند و زمانی که قابلیت‌هایی همچون تحزیه‌وتحلیل، محافظت از بدافزارها و سرویس‌های مدیریت داده‌ها به آن‌ها اضافه شود بازدهی بیشتری دارند. دروازه‌های هوشمند، فرآیند تحلیل جریان داده‌ای بلادرنگ را امکان‌پذیر می‌کنند. هنوز هم دروازه‌ها به عنوان دستگاه‌ها لبه شناخته می‌شوند. به همین دلیل موقعیت مکانی آن‌ها حائز اهمیت است.

مرحله سوم: مراکز داده و ابر

در برخی موارد لازم پردازش‌های عمیقی روی داده‌ها در مراکز داده‌ انجام شود تا بینش دقیق‌تری به دست آید. با توجه به این‌که در بیشتر موارد تجهیزات اینترنت اشیا به داده‌های آنی نیاز دارند، فرآیند ارسال داده‌ها به مرکز داده، پردازش داده‌ها در مرکز داده و ارسال آن‌ها برای دستگاه مبدا به زمان زیادی نیاز دارد. در این حالت لازم است داده‌هایی که مرکز داده پردازش کرده به سمت سرویس‌ها ابری ارسال شود تا تجهیزات اینترنت اشیا بتوانند به شکل آنی به اطلاعات پردازش شده دسترسی داشته باشند.

مرحله چهارم لبه: فناوری‌اطلاعات

‌پس از آن‌که اطلاعات تجهیزات اینترنت اشیا جمع‌آوری و تجمیع شد، لازم است تا اطلاعات به سمت زیرساخت‌های فناوری‌اطلاعات ارسال شوند. کارشناسان پیشنهاد می‌کنند داده‌ها پیش از آن‌که به سمت مراکز داده ارسال شوند پیش‌پردازشی روی آن‌ها در دستگاه‌های اینترنت اشیا انجام شود. این همان مکانی است که سامانه‌های فناوری‌اطلاعات لبه به میدان وارد می‌شوند. سامانه‌های فوق قادر به انجام تجزیه و تحلیل بیشتری هستند. سامانه‌های پردازش لبه ممکن است در نزدیکی حس‌گرهای اینترنت اشیا یا مکانی دورتر از آن‌ها باشند. با توجه به این‌که داده‌های اینترنت اشیا پهنای باند زیادی از شبکه را مصرف می‌کنند و به سرعت منابع مرکز داده را تحلیل می‌برند، لازم است از سامانه‌های لبه استفاده شود تا تحلیل‌های مقدماتی را انجام دهند و تنها پردازش‌های کلیدی در مرکز داده انجام شود.

رویکرد مرحله‌بندی در حوزه اینترنت اشیا، اجازه می‌دهد پیش‌پردازشی روی داده‌ها انجام دهید و نتایج مقدماتی قابل فهمی را به دست آورده و آن‌را انتقال دهید. به‌طور مثال، این‌ امکان وجود دارد تا داده‌های مربوط به دستگاه‌ها را تجمیع و تبدیل کرده، آن‌ها را تحلیل کرده و هر زمان دستگاه یا سرویسی از کار افتاد هشدارهای لازم را ارسال کنید.