Este artigo descreve uma solução para espaços inteligentes. Os Gêmeos Digitais do Azure formam o núcleo da arquitetura modelando o ambiente. O Hub IoT do Azure, que é um serviço de IoT gerenciado, também desempenha uma função significativa, assim como o serviço de análise do Azure Data Explorer.
Arquitetura
O diagrama a seguir mostra o fluxo de dados nesta solução:
- As caixas que contêm vários ícones representam as categorias dos serviços. Dentro de cada categoria, os serviços trabalham de forma independente ou em conjunto para fornecer funcionalidade.
- As setas entre as caixas representam a comunicação entre as áreas correspondentes.
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Fluxo de dados
O ambiente pode usar os protocolos de comunicação a seguir e outros:
- BACnet (Building Automation and Control Networks)
- Modbus
- KNX
- LonWorks
Os dispositivos e sistemas locais enviam telemetria e outros dados para a nuvem. As fontes de dados incluem:
- Dispositivos brownfield
- Sensores de conexão direta
- Sensores que os ISVs (fornecedores independentes de software) fornecem
- Sistemas de negócios existentes
Dispositivos, sensores e atuadores geram telemetria. Alguns dispositivos interagem diretamente com o Hub IoT. Outros dispositivos enviam dados ao Hub IoT por meio do Azure IoT Edge.
Os sistemas externos, de lote ou herdados enviam dados para o Azure Data Factory. Normalmente, esses dados estáticos se originam em arquivos e bancos de dados.
Conectores entre empresas convertem os dados do fornecedor e os transmitem para os Gêmeos Digitais do Azure.
O Hub IoT ingere a telemetria do dispositivo. O Hub IoT também fornece estes serviços:
- Segurança em nível de dispositivo
- Serviços de provisionamento de dispositivos
- Dispositivos gêmeos
- Serviços de comando e controle
- Funcionalidades de expansão
O Data Factory transforma dados semiestáticos e os transfere para o Azure Data Explorer ou para um armazenamento de longo prazo.
O Azure Functions recebe os dados do Hub IoT e usa as APIs dos Gêmeos Digitais do Azure para atualizar os Gêmeos Digitais do Azure. Os Gêmeos Digitais do Azure mantém o gráfico espacial dos edifícios e do ambiente. Os Gêmeos Digitais do Azure modela o ambiente com a DTDL (Linguagem de Definição dos Gêmeos Digitais). O Azure Functions processa os dados, executando atualizações de grafo e detecção de falhas.
Vários componentes criam, armazenam e carregam modelos de DTDL.
Os Gêmeos Digitais do Azure envia os dados por meio da Grade de Eventos do Azure para o Azure Data Explorer. Esse serviço de análise funciona como um historiador armazenando os dados de série temporal da solução.
Os mecanismos de simulação e as ferramentas de IA processam os dados. Os exemplos incluem os Serviços Cognitivos do Azure, modelos de IA e serviços de simulação de parceiros.
O Azure Data Lake fornece armazenamento de longo prazo para os dados. O Azure Synapse Analytics analisa e relata os dados.
Para ferramentas de visualização e aplicativos empresariais, a camada de acesso à solução fornece acesso seguro aos principais serviços do sistema:
O gerenciamento de API do Azure oferece funcionalidade para normalizar, proteger e personalizar APIs. Essa plataforma também impõe cotas de uso e limites de taxa.
O Serviço do Azure SignalR envia notificações para as interfaces do usuário quando a telemetria e os dados são alterados.
Para aplicativos que trocam dados de forma assíncrona ou em volume, vários componentes fornecem mecanismos de publicação e assinatura:
- Hub IoT
- Filas do Barramento de Serviço do Azure
- Hubs de eventos do Azure
- Webhooks
Os aplicativos de serviço coletam dados da camada de API do controle de acesso. Em seguida, esses aplicativos analisam e preparam os dados para os aplicativos de usuário final. As ferramentas da Microsoft como o Power Apps, o Power BI e o Azure Mapas criam relatórios e insights sobre os dados nos armazenamentos de dados do Azure.
Os aplicativos empresariais usam os dados preparados. Os exemplos incluem:
Módulos do Dynamics 365.
Soluções de ISV.
Aplicativos do Microsoft Teams.
Soluções com otimização de campo, como aplicativos móveis e dispositivos vestíveis:
Componentes
A solução usa estes componentes:
Componentes principais
O Hub IoT conecta os dispositivos aos recursos de nuvem do Azure. Esse serviço gerenciado fornece:
- Segurança em nível de dispositivo.
- Serviços de provisionamento de dispositivos.
- Dispositivos gêmeos.
- Serviços de comando e controle.
- Funcionalidades de expansão.
Os SDKs da Internet das Coisas do Azure fornecem a maneira recomendada para os dispositivos se conectarem ao Hub IoT. Os dispositivos que podem usar esses kits incluem:
- Dispositivos do Azure Sphere.
- Dispositivos que executam o Azure RTOS.
O IoT Edge executa cargas de trabalho na nuvem em dispositivos IoT Edge. Especificamente, esse hub central de mensagens pode executar análises em tempo real por meio do Azure Machine Learning e do Azure Stream Analytics. O IoT Edge também funciona como um gateway para o Hub IoT para:
- Dispositivos com requisitos de baixo consumo de energia.
- Dispositivos herdados.
- Dispositivos restritos.
O Data Factory é um serviço de integração que funciona com blocos potencialmente grandes de dados de armazenamento de dados diferentes. Você pode usar essa plataforma para orquestrar e automatizar fluxos de trabalho de transformação de dados. Por exemplo, o Data Factory pode preencher a lacuna entre armazenamentos semiestáticos e componentes de historiador como o Azure Data Explorer.
Os conectores entre empresas convertem e transmitem dados bidirecionalmente entre os componentes do fornecedor e os Gêmeos Digitais do Azure. Um número cada vez maior de fornecedores usa a DTDL para criar modelos padrão do setor. A RealEstateCore fornece um exemplo. Como resultado, espera-se que, com o tempo, essas integrações se tornem mais simples.
Os Gêmeos Digitais do Azure armazenam representações digitais de ambientes e dispositivos IoT. Você pode usar esses dados para a propagação de dados ou análise em tempo real. Internamente, os Gêmeos Digitais do Azure:
- Modela ambientes com DTDL.
- Oferece uma API REST para inserir dados.
- Fornece SDKs que dão suporte a operações de controle e plano de dados para vários idiomas.
Você pode criar ontologias ou conjuntos de modelos preexistentes usando a DTDL. Você também pode começar com um modelo com suporte do setor:
O Azure Digital Twins Explorer é uma ferramenta de desenvolvedor que você pode usar para visualizar e interagir com os dados, os modelos e os gráficos dos Gêmeos Digitais do Azure. Essa ferramenta está atualmente em versão prévia pública.
Os componentes de gerenciamento de modelos mantêm o modelo da DTDL:
Para a criação do modelo, estão disponíveis essas opções:
- Azure Digital Twins Explorer
- Soluções de ISV
- Ferramentas personalizadas
- Editores de texto ou de código
Os repositórios armazenam ontologias:
- O GitHub armazena a RealEstateCore, a ontologia das Cidades Inteligentes e a ontologia da Rede de Energia.
- Para as ontologias personalizadas, estão disponíveis repositórios personalizados e repositórios específicos da solução no GitHub.
Para carregar modelos nos Gêmeos Digitais do Azure, existem essas opções:
- UploadModels, uma ferramenta para carregar ontologias da DTDL
- Exemplos no repositório de ferramentas dos Gêmeos Digitais do Azure
O Azure Functions é uma plataforma de computação sem servidor orientada a eventos. Com o Functions, você pode usar gatilhos e associações para integrar serviços em escala.
O Azure Data Explorer é um serviço de análise de dados rápido, totalmente gerenciado. Ele pode ser usado para análises em tempo real de grandes volumes de dados. O Azure Data Explorer pode lidar com diversos fluxos de dados de aplicativos, sites, dispositivos IoT e outras fontes.
Os Serviços Cognitivos do Azure fornecem a funcionalidade de IA. Esses serviços fornecem um conjunto de modelos de rede neural pré-treinados para a nuvem. As APIs REST e os SDKs da biblioteca de cliente podem ajudá-lo a criar inteligência cognitiva em aplicativos. Você pode usar a funcionalidade dos Serviços Cognitivos:
- Quase em tempo real.
- Em determinados limites de dados.
- Sob demanda.
- Para trabalhos complexos com tempos de processamento longos.
O Azure Machine Learning é um ambiente baseado em nuvem que ajuda você a criar, implantar e gerenciar soluções de análise preditiva. Com esses modelos, você pode prever o comportamento, os resultados e as tendências.
O Azure Data Lake armazena uma grande quantidade de dados em seu formato nativo e bruto. Normalmente, os dados vêm de várias fontes heterogêneas e podem ser estruturados, semiestruturados ou não estruturados.
O Azure Synapse Analytics é um serviço de análise para data warehouses e sistemas de big data. Esse serviço se integra com o Power BI, o Machine Learning e outros serviços do Azure.
O Gerenciamento de API do Azure cria gateways de API consistentes e modernos para serviços de back-end. Além de aceitar chamadas à API e roteá-las para back-ends, essa plataforma também verifica chaves, tokens, certificados e outras credenciais. O Gerenciamento de API também registra em log metadados de chamada e impõe cotas de uso e limites de taxa.
O Barramento de Serviço do Azure é um agente de mensagens empresarial totalmente gerenciado. O Barramento de Serviço dá suporte a filas de mensagens e tópicos de publicação/assinatura.
Os Hubs de Eventos do Azure são uma plataforma de streaming para Big Data totalmente gerenciada.
O Serviço do Azure SignalR é uma biblioteca de software livre que fornece uma maneira de enviar notificações para aplicativos Web em tempo real.
Aplicativos de serviço
Os Aplicativos Lógicos do Azure automatizam fluxos de trabalho conectando aplicativos e dados entre nuvens.
O Azure Mapas oferece APIs geoespaciais para adicionar mapas, análises espaciais e soluções de mobilidade a aplicativos.
O Microsoft Graph fornece ferramentas para acessar dados no Microsoft 365, no Windows 10 e no Enterprise Mobility + Security.
O Power Platform é uma coleção de produtos e serviços que fornecem ferramentas de pouco código para a criação de soluções eficientes e flexíveis:
- O Power Apps é um conjunto de aplicativos, serviços, conectores e uma plataforma de dados. Você pode usar o Power Apps para transformar operações manuais de negócios em processos digitais e automatizados.
- O Power BI é uma coleção de serviços de software e aplicativos que exibem informações de análise.
- O Power Automate simplifica tarefas repetitivas e processos sem papel.
- O Power Virtual Agents fornece chatbots sem código para atender às necessidades de clientes e funcionários em escala.
Aplicativos empresariais
O Dynamics 365 é um portfólio de aplicativos para o gerenciamento de operações de negócios.
O Microsoft Teams fornece serviços para reuniões, mensagens, chamadas e colaboração.
O Serviço de Aplicativo do Azure e o recurso de Aplicativos Web fornecem uma estrutura para criar, implantar e escalar aplicativos Web.
Componentes de suporte compartilhados
Esses serviços fornecem suporte para componentes em todas as áreas da solução:
O Azure Monitor coleta e analisa a telemetria de aplicativo, como métricas de desempenho e logs de atividades. Esse serviço notifica os aplicativos e a equipe sobre condições irregulares.
O Microsoft Defender para IoT é um serviço de segurança unificado que protege os sistemas IoT identificando vulnerabilidades e ameaças.
O Azure DevOps Services fornece serviços, ferramentas e ambientes para o gerenciamento de projetos de codificação e implantações.
O Microsoft Entra ID é um serviço de identidade baseado em nuvem que controla o acesso ao Azure e a outros aplicativos de nuvem, incluindo soluções de ISV e locais.
O Azure Key Vault armazena e controla com segurança o acesso a segredos do sistema como chaves de API, senhas, certificados e chaves de criptografia.
Alternativas
O Azure Cosmos DB é outra opção para armazenamento de dados. Esse serviço de banco de dados NoSQL totalmente gerenciado é facilmente dimensionado. O Azure Cosmos DB oferece várias maneiras de acessar dados, incluindo:
- Bancos de dados de documentos.
- Banco de dados de grafo.
- Consultas de estilo SQL.
- Um Azure Cosmos DB for Apache Cassandra.
O Link do Azure Synapse para Azure Cosmos DB fornece uma maneira de executar análises em dados do Azure Cosmos DB usando o Azure Synapse Analytics. Como resultado, você pode combinar vários serviços de dados em soluções que usam o Azure Cosmos DB.
Os Hubs de Eventos também podem fornecer um serviço de ingestão escalonável e seguro. Ao contrário do Hub IoT, que dá suporte à comunicação bidirecional com dispositivos, os Hubs de Eventos dão suporte a tráfego unidirecional. Como resultado, você não pode usar os Hubs de Eventos para enviar comandos e políticas de volta para dispositivos. Os Hubs de Eventos também não oferecem segurança no nível do dispositivo. Mas os Hubs de Eventos são apropriados para ambientes com um alto volume de mensagens de um número baixo de dispositivos de entrada.
Detalhes da solução
Os lugares inteligentes são ambientes físicos que reúnem fontes de dados e dispositivos conectados. Ao usar esses ambientes, você pode ver e controlar:
- Produtos e sistemas.
- Espaços interiores e exteriores.
- Experiências pessoais com o ambiente.
Os lugares inteligentes podem incluir edifícios, campus de faculdades, campus corporativos, estádios e cidades. Esses ambientes agregam valor ao ajudar donos de propriedade, gerentes de recursos e ocupantes a operar e manter os locais. Os lugares inteligentes também tornam os espaços mais eficientes, econômicos, confortáveis e produtivos.
Os espaços inteligentes modelam digitalmente os espaços e compilam dados relevantes. A partir desses dados, você pode obter informações sobre como as pessoas, os lugares e os dispositivos estão conectados.
Possíveis casos de uso
Essa solução se aplica a muitas áreas:
- Campi inteligentes (indústria da educação)
- Gerenciamento de instalações (imóveis)
- Estádios inteligentes (indústria esportiva)
- Escritórios inteligentes
- Otimização de energia
Resultados dos negócios
Nesta solução de exemplo, um grande proprietário de imóveis comerciais está transformando digitalmente um edifício corporativo. Essa melhoria combina dados herdados de gerenciamento das instalações com novos recursos e tecnologias, incluindo:
- Detecção de ocupação.
- Otimização da fila do café.
- Estacionamento.
- Serviços de traslado.
Esse esforço requer a integração de dispositivos brownfield e dispositivos IoT (Internet das Coisas) modernos que monitoram o espaço físico. Os dispositivos brownfield se comunicam por meio de transportes prediais comuns, como BACnet e Modbus.
As metas da empresa incluem:
Otimizar o uso de energia diagnosticando falhas e simplificando o gerenciamento do serviço de campo. Essa otimização integra o sistema de gerenciamento predial existente com os dispositivos.
Obter novas informações espaciais e oferecer experiências inovadoras aos ocupantes ao conectar dispositivos modernos.
Desenvolver um modelo digital coeso do ambiente reunindo várias fontes de dados. O modelo deve expandir as oportunidades de análise de dados.
Criar uma solução escalonável que possa coletar e arquivar milhões de pontos de dados.
Criar uma solução que pode adicionar facilmente soluções de parceiros. A solução também deve incorporar dados do parceiro ao gêmeo digital do ambiente.
Considerações
Essas considerações implementam os pilares do Azure Well-Architected Framework, que é um conjunto de princípios de orientação que podem ser usados para aprimorar a qualidade de uma carga de trabalho. Para obter mais informações, confira Microsoft Azure Well-Architected Framework.
As considerações a seguir se aplicam a esta solução.
Confiabilidade
A confiabilidade garante que seu aplicativo possa cumprir os compromissos que você assume com seus clientes. Para obter mais informações, confira Visão geral do pilar de confiabilidade.
Escalabilidade
Soluções para soluções de lugares inteligentes podem ser implementações relativamente simples e de baixo volume. Elas também podem ser implementações sofisticadas que lidam com um alto volume de dados. Uma solução que agrega telemetria de aquecimento, ventilação e ar-condicionado (HVAC) em um campus grande é um exemplo de uma implementação de alto volume.
Os principais serviços do Azure nessa solução são escalonáveis por padrão e bem adequados para soluções complexas. Mas, ao combinar esses serviços, certifique-se de que eles não criem pontos de obstrução. No início do ciclo de desenvolvimento, execute testes de desempenho em intervalos agendados para identificar possíveis problemas.
Flexibilidade
Projete seu espaço inteligente para ser bem integrado, mas também flexível. Os casos de uso de lugares inteligentes estão evoluindo rapidamente. Em algum momento depois de implantar sua solução, você precisará adicionar novos sensores, tipos de dados, funcionalidades de IA e técnicas de visualização. Para aumentar a flexibilidade:
- Escolha uma solução menos rígida como a arquitetura proposta.
- Use os padrões do setor para ontologia de dados. Essa abordagem ajuda a reduzir o tempo necessário para adicionar novas funcionalidades e integrar novos softwares.
- Use o Gerenciamento de API. Essa plataforma fornece uma maneira de criar vários estilos e assinaturas de API para uma única API subjacente.
Segurança
A segurança fornece garantias contra ataques deliberados e o abuso de seus dados e sistemas valiosos. Para saber mais, confira Visão geral do pilar de segurança.
As soluções prediais herdadas geralmente dependem da falta de conectividade externa como sua fonte principal de segurança. Mas até mesmo dados que não identificam pessoas podem fornecer informações sobre uma empresa ou sobre as pessoas em um edifício. Por exemplo, as organizações usam câmeras para contar pessoas, rastrear ativos e fornecer dados de segurança.
Tenha cuidado ao processar e salvar imagens. Certifique-se de atender a todos os requisitos do cliente, incluindo problemas de privacidade. Torne a segurança uma prioridade ao longo do ciclo de vida dos dados de sua solução para espaço inteligente. Especificamente, esteja ciente de quais dados você coleta, onde você os processa e armazena e quais conclusões você tira dele.
Otimização de custo
A otimização de custos é a análise de maneiras de reduzir as despesas desnecessárias e melhorar a eficiência operacional. Para obter mais informações, confira Visão geral do pilar de otimização de custo.
Use a Calculadora de Preços do Azure para estimar o custo de uma solução IoT.
- Para outras considerações de custo, confira os Princípios de otimização de custos na documentação do Microsoft Azure Well-Architected Framework.
- Para ver uma discussão sobre como otimizar o custo dos serviços que as soluções de IoT normalmente usam, confira Arquitetura de referência da Internet das Coisas do Azure.
Colaboradores
Esse artigo é mantido pela Microsoft. Ele foi originalmente escrito pelos colaboradores a seguir.
Autor principal:
- Mark Kottke | Arquiteto Sênior
Outro colaborador:
- Matthew Cosner | Gerente de Engenharia de Software Principal
Próximas etapas
- Capacitando edifícios inteligentes da Microsoft com os Gêmeos Digitais do Azure da Microsoft
- Desenvolver com os Gêmeos Digitais do Azure
- O Brookfield define um novo padrão para a inovação em imóveis com o WillowTwin e os Gêmeos Digitais do Azure
- Líder global de sustentabilidade visa novos patamares de neutralidade de carbono com os Gêmeos Digitais do Azure
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