Suunnittelumallit IoT-arkkitehtuurin perustana

Hajautus, dataintensiivisyys sekä valtava erilaisten laitteiden ja ohjelmistojen kirjo tuovat haasteita IoT-järjestelmien toteuttamiseen. Tasapainottelu virrankulutuksen ja tehokkuuden optimoimiseksi tuottaa omat rajoituksensa. Useimmiten järjestelmän ohjelmisto koostetaan erillisistä mikropalveluista, niitä yhdistävistä verkkoratkaisuista ja pilvipalveluista. Nämä saattavat sisäisiltä toteutusratkaisuiltaan poiketa toisistaan huomattavastikin. Tällöin osajärjestelmien väliset rajapinnat ovat ratkaisevassa roolissa katkeamattoman palveluketjun ja eheän kokonaisarkkitehtuurin aikaansaamiseksi.

Ohjelmistojen suunnittelumalleja sovelletaan yleisesti useasta osajärjestelmästä muodostuvien arkkitehtuurien kehittämisessä. Suunnittelumallien tavoitteena on mm. parantaa ratkaisujen uudelleenkäytettävyyttä ja yleistä laatua sekä tehdä monimutkaisista kokonaisuuksista helpommin ymmärrettäviä. IoT-järjestelmien rakentamisessa suunnittelumallien mukaiset ratkaisut voivat parantaa komponenttien välistä yhteistoiminnallisuutta, luotettavuutta ja skaalautuvuutta. Tunnettujen suunnittelumallien noudattaminen myös yhtenäistää rajapintoja, minkä ansiosta niin toteutustiimin kommunikointi kuin myöhempi järjestelmän ylläpitokin tehostuvat.

Eräs tärkeimmistä IoT-arkkitehtuurissa käytetyistä suunnittelumalleista on Publish-Subscribe, joka eriyttää tiedon tuottajina toimivat järjestelmän komponentit tiedon kuluttajina toimivista komponenteista. Älykäs ja kestävä asuminen -projektissa tätä suunnittelumallia hyödynnetään mittausdatan lähettämisessä mittauksen kohteena olevasta rakennuksesta pilvipalveluun. Käytännössä tämä tapahtuu MQTT-protokollan mukaisilla ohjelmistokomponenteilla. Publish-Subscribe-mallin mukaisen toteutuksen ansiosta päästään eroon turhasta verkkoliikenteestä ja säästetään lisäksi laskentateholtaan rajallisten laitteiden virrantarvetta. Malli mahdollistaa myös useiden eri tahojen hallitun pääsyn mittausdataan ilman, että erillisten järjestelmien välille syntyy kompleksisia riippuvuuksia.

Toinen keskeinen projektin IoT-arkkitehtuurissa hyödynnetty suunnittelumalli on Gateway, joka mahdollistaa yksittäisten sensoreiden keräämän datan lähettämisen verkon yli yhden yhteisen yhteyspisteen kautta. Tämänkin avulla vähennetään verkkoliikennettä ja erityisesti verkon yli ulottuvia riippuvuussuhteita komponenttien välillä.

Suunnittelumalleissa dokumentoituja hyväksi havaittuja käytänteitä noudattamalla voidaan selkiyttää monimutkaisten IoT-arkkitehtuurien sisäisiä ja ulkoisia kytköksiä, kunhan valitaan tarkoitukseen sopivat mallit. Laitteiden keskenään erilaisia kommunikointiprotokollia ja asiakasrajapintoja voidaan yhtenäistää sekä modulaarisuutta ja ymmärrettävyyttä parantaa.

Osana Älykäs ja kestävä asuminen -hanketta rakennetaan data-alusta useasta lähteestä kerättävän ja myös useamman eri organisaation hyödynnettäväksi tarkoitetun IoT-datan hallitsemiseksi. Hankkeessa on edetty vaiheeseen, jossa data-alustan ominaisuudet ja toteutusteknologiat on määritelty. Tässä määrittelytyössä suunnittelumallien mukaisten ratkaisujen on katsottu varmistavan osaltaan osajärjestelmien välisen yhteistoiminnallisuuden.