Vývoj zařízení IoT

Tento přehled představuje klíčové koncepty vývoje zařízení, která se připojují k typickým řešením Azure IoT. Každá část obsahuje odkazy na obsah, který poskytuje další podrobnosti a pokyny.

V cloudovém řešení se zařízení připojují přímo ke cloudovým službám, jako je IoT Hub, zatímco v řešení na zařízeních Edge se zařízení připojují ke službám ve vašem prostředí, jako je Azure IoT Operations.

Řešení založené na edge computingu

Následující diagram znázorňuje základní zobrazení komponent v typickém IoT řešení na okraji sítě. Tento článek se zaměřuje na zařízení, prostředky a konektory zobrazené v diagramu:

Prostředky mají obvykle integrovaný firmware, který implementuje standardní protokoly. Robotickou rukou může být například klient OPC UA a bezpečnostní videokamera může implementovat ONVIF. Operace Azure IoT zahrnují různé konektory, které můžou tyto protokoly používat ke komunikaci s prostředky a překlad zpráv z prostředků do zpráv MQTT. Některé prostředky můžou přijímat zprávy, které umožňují provádět operace s nimi, například:

• Posouvat nebo naklonit bezpečnostní kameru.
• Změňte úroveň logování na robotickém rameni.
• Zahajte aktualizaci firmwaru.

Můžete vytvořit vlastní konektory pro připojení k prostředkům, které používají protokoly, které nejsou nativně podporovány operacemi Azure IoT.

Cloudové řešení

Následující diagram znázorňuje základní zobrazení komponent v typickém cloudovém řešení IoT. Tento článek se zaměřuje na zařízení a bránu zobrazenou v diagramu:

Vývojář zařízení v Azure IoT napíše kód, který se spustí na zařízeních v řešení. Tento kód obvykle:

• Vytvoří zabezpečené připojení ke koncovému bodu cloudu.
• Odesílá telemetrii shromážděnou z připojených senzorů do cloudu.
• Spravuje stav zařízení a synchronizuje tento stav s cloudem.
• Reaguje na příkazy odeslané z cloudu.
• Umožňuje instalaci aktualizací softwaru z cloudu.
• Umožňuje zařízení dál fungovat při odpojení od cloudu.

Typy zařízení

Řešení IoT může obsahovat mnoho typů prostředků a zařízení. Zařízení obvykle najdete v cloudových řešeních a prostředky v hraničně umístěných řešeních. Je také možné mít hybridní řešení, které obsahuje zařízení i prostředky.

Řešení založené na edge computingu

Mezi příklady prostředků v okrajovém řešení patří:

• Robotické ramena, dopravníkové pásy a výtahy.
• Průmyslové CNC stroje, soustruhy, pily a vrtáky.
• Lékařské diagnostické zobrazovací přístroje.
• Bezpečnostní kamery.
• Programovatelné řadiče logiky.

Tyto prostředky mají obvykle integrovaný firmware, který implementuje standardní protokoly. Robotickou rukou může být například klient OPC UA a bezpečnostní videokamera může implementovat protokol ONVIF. V řešení na bázi edge použijete specializované konektory pro připojení k těmto prostředkům a převod jejich zpráv do společného formátu.

Pro aktiva neexistuje žádný přímý ekvivalent role vývojáře zařízení. Místo toho může operátor nakonfigurovat konektory pro připojení k prostředkům. Možná budete muset vyvíjet vlastní konektory pro připojení k prostředkům, které používají protokoly, jež vaše řešení na bázi edge nativně nepodporuje.

Cloudové řešení

Mezi ukázková zařízení v cloudovém řešení patří:

• Snímač tlaku na vzdálené olejové pumpě.
• Senzory teploty a vlhkosti v klimatizační jednotce.
• Akcelerometr ve výtahu.
• Senzory přítomnosti v místnosti.

Tato zařízení se obvykle vytvářejí pomocí mikrořadičů (MCU) nebo mikroprocesorů (MPU):

• Jednotky MCU jsou levnější a jednodušší než jednotky MPU.
• MCU obsahuje mnoho funkcí, jako jsou paměť, rozhraní a vstupně-výstupní operace na samotném čipu. MPU přistupuje k této funkci ze součástí podpůrných čipů.
• McU často používá operační systém v reálném čase (RTOS) nebo spouští holý počítač (bez operačního systému) a poskytuje odpovědi v reálném čase a vysoce deterministické reakce na externí události. MpU obecně používají operační systém pro obecné účely, například Windows, Linux nebo macOS, který poskytuje nedeterministické odezvy v reálném čase. Po dokončení úkolu obvykle neexistuje žádná záruka.

Mezi příklady specializovaného hardwaru a operačních systémů patří:

Windows for IoT je vložená verze Windows pro MPU s cloudovým připojením, která umožňuje vytvářet zabezpečená zařízení s jednoduchým zřizováním a správou.

Eclipse ThreadX je operační systém v reálném čase pro zařízení IoT a okrajová zařízení s využitím MCU. Eclipse ThreadX je navržený tak, aby podporovala vysoce omezená zařízení, která jsou napájená bateriemi a mají méně než 64 kB paměti flash.

FreeRTOS je operační systém v reálném čase pro vložená zařízení. Pomocí FreeRTOS s Middlewarem Azure IoT pro FreeRTOS můžete připojit zařízení k Azure IoT. Přehled možností RTOS pro vývoj zařízení najdete v sekci scénáře použití C SDK a Embedded C SDK.

Azure Sphere (integrovaná) je zabezpečená platforma aplikací vysoké úrovně s integrovanými funkcemi komunikace a zabezpečení pro zařízení připojená k internetu. Skládá se ze zabezpečeného, propojeného, křížového MCU, vlastního operačního systému založeného na Linuxu a cloudové služby zabezpečení, která poskytuje nepřetržité a obnovitelné zabezpečení.

Primitiva zařízení

Vývojář zařízení obvykle implementuje následující primitivy v kódu zařízení pro interakci s cloudem:

• Zprávy zařízení do cloudu pro odesílání časové telemetrie do cloudu. Například data o teplotě shromážděná ze senzoru připojeného k zařízení.
• Nahrávání souborů pro média, jako jsou zachycené obrázky a video. Přerušovaně připojená zařízení můžou odesílat dávky telemetrie. Zařízení můžou komprimovat nahrávání, aby se ušetřila šířka pásma.
• Dvojčata zařízení ke sdílení a synchronizaci stavových dat s cloudem. Zařízení může například pomocí dvojčete zařízení hlásit aktuální stav ventilu, který řídí do cloudu a přijímat požadovanou cílovou teplotu z cloudu.
• Digitální dvojčata , která představují zařízení v digitálním světě. Digitální dvojče může například představovat fyzické umístění zařízení, jeho schopnosti a vztahy s jinými zařízeními.
• Přímé metody pro příjem příkazů z cloudu Přímá metoda může mít parametry a vrátit odpověď. Cloud může například za 30 sekund volat přímou metodu, která požádá zařízení o restartování.
• Zprávy z cloudu k zařízení pro příjem jednosměrných oznámení. Například oznámení, že aktualizace je připravená ke stažení.

Další informace najdete v doprovodných materiálech ke komunikaci typu zařízení-cloud a pokyny ke komunikaci typu Cloud-zařízení.

SDK a knihovny

Sady SDK zařízení poskytují abstrakce vysoké úrovně, které umožňují používat primitivy bez znalosti základních komunikačních protokolů. Sady SDK zařízení také zpracovávají podrobnosti o vytvoření zabezpečeného připojení ke cloudu a ověření zařízení.

Pro zařízení MPU jsou sady SDK pro zařízení k dispozici pro následující jazyky:

• C
• Krajta
• C# (.NET)
• Node.js
• Java

Informace o zařízeních MCU najdete tady:

• Eclipse ThreadX
• FreeRTOS Middleware
• Azure SDK pro Embedded C

Ukázky a pokyny

Všechny sady SDK zařízení obsahují ukázky, které ukazují, jak se pomocí sady SDK připojit ke cloudu, odesílat telemetrii a používat další primitiva.

Web pro vývoj zařízení IoT obsahuje kurzy a návody, které vám ukážou, jak implementovat kód pro řadu typů zařízení a scénářů.

Další ukázky najdete v prohlížeči ukázek kódu.

Vývoj zařízení bez sady SDK pro zařízení

I když se doporučuje použít některou ze sad SDK zařízení, mohou nastat situace, kdy nebudete chtít. V těchto scénářích musí kód zařízení přímo používat jeden z komunikačních protokolů, které IoT Hub a služba Device Provisioning Service (DPS) podporují.

Další informace naleznete v tématu:

• Použití protokolu MQTT přímo (v roli zařízení)
• Použití protokolu AMQP přímo (jako zařízení)

Modelování a schémata

Modely zařízení a prostředků definují data, která zařízení a prostředky vyměňují s cloudem. Modely umožňují celou řadu scénářů s nízkým kódem nebo bez kódu pro integraci zařízení a prostředků s vaším řešením IoT.

Řešení založené na edge computingu

V řešení na bázi okrajové sítě operátor konfiguruje konektory pro připojení k zařízením. Tato konfigurace zahrnuje propojení mezi daty prostředku a cloudovým schématem. Konektor OPC UA například umožňuje operátorovi mapovat ID uzlů OPC UA na datové body a události ve zprávě JSON vyměňované s zprostředkovatelem MQTT. Následující snímek obrazovky ukazuje příklad webového uživatelského rozhraní prostředí pro digitální operace, který definuje dvě taková mapování:

Jinde v řešení může operátor odkazovat přímo na značky Temperature a Tag 10 , aniž by museli znát podrobnosti ID uzlů OPC UA.

Cloudové řešení

V cloudovém řešení umožňuje IoT technologie Plug and Play tvůrcům řešení integrovat zařízení IoT se svými řešeními bez jakékoli ruční konfigurace. Jádrem technologie Plug and Play IoT je model zařízení, který zařízení používá k inzerování svých schopností do aplikace s podporou technologie Plug and Play IoT, jako je IoT Central. Tento model je strukturovaný jako sada prvků, které definují:

• Vlastnosti , které představují stav zařízení nebo jiné entity jen pro čtení nebo zápis. Například sériové číslo zařízení může být vlastností jen pro čtení a cílovou teplotou na termostatu může být zapisovatelná vlastnost.
• Telemetrie, což jsou data vysílaná zařízením – ať už jde o pravidelný proud čtení snímačů, občasnou chybu nebo informační zprávu.
• Příkazy , které popisují funkci nebo operaci, kterou je možné provést na zařízení. Například příkaz může restartovat bránu nebo pořídit snímek pomocí vzdálené kamery.

Tyto prvky můžete seskupit do rozhraní, abyste mohli opakovaně používat modely, aby se usnadnila spolupráce a urychlila vývoj.

Model je určen pomocí DTDL (Digital Twins Definition Language).

Použití technologie Plug and Play IoT, modelování a DTDL je volitelné. Primitiva zařízení IoT můžete použít bez použití technologie Plug and Play IoT nebo modelování. Služba Azure Digital Twins také používá modely DTDL k vytváření grafů dvojčat založených na digitálních modelech prostředí, jako jsou budovy nebo továrny.

Když jako vývojář zařízení implementujete ioT technologie Plug and Play zařízení, existuje sada konvencí, které je potřeba dodržovat. Tyto konvence poskytují standardní způsob implementace modelu zařízení v kódu pomocí primitiv dostupných v sadách SDK zařízení.

Další informace najdete v následujících tématech:

• Co je IoT technologie Plug and Play?
• Průvodce modelováním technologie Plug and Play IoT

Vytváření kontejnerů

Kontejnerizace je způsob, jak zabalit a spustit kód v odlehčeném izolovaném prostředí. Kontejnery jsou přenosné a můžou běžet na libovolné platformě, která podporuje modul runtime kontejneru. Kontejnery jsou dobrým způsobem, jak zabalit a nasadit kód, protože poskytují konzistentní prostředí modulu runtime pro váš kód. Prostředí runtime obvykle zahrnuje služby, knihovny a balíčky, které váš kód potřebuje ke spuštění.

Řešení založené na edge computingu

Azure IoT Operations umísťuje do kontejnerů všechny konektory, zprostředkovatele a další komponenty, které běží na okrajových zařízeních. Operace Azure IoT se nasadí do clusteru Kubernetes, což je platforma pro orchestraci kontejnerů. Nasaďte do clusteru Kubernetes všechny vlastní konektory nebo jiné komponenty, které vytvoříte.

Můžete si prohlédnout řešení využívající Azure IoT Edge jako hraniční bránu k IoT Hub jako hybridní řešení, které zahrnuje prvky edge-based i cloud-based řešení.

Cloudové řešení

Pokud ke spuštění kódu zařízení používáte kontejnery, například v Dockeru, můžete kód nasadit do zařízení pomocí funkcí infrastruktury kontejneru. Kontejnery také umožňují definovat prostředí runtime pro váš kód se všemi nainstalovanými požadovanými knihovnami a verzemi balíčků. Kontejnery usnadňují nasazování aktualizací a správu životního cyklu zařízení IoT.

Azure IoT Edge spouští kód zařízení v kontejnerech. Azure IoT Edge můžete použít k nasazení modulů kódu do zařízení. Další informace najdete v tématu Vývoj vlastních modulů IoT Edge.

Tip

Azure IoT Edge umožňuje více scénářů. Kromě spouštění kódu zařízení IoT v kontejnerech můžete pomocí Azure IoT Edge spouštět služby Azure na vašich zařízeních a implementovat brány polí. Další informace najdete v tématu Co je Azure IoT Edge?

Nástroje pro vývoj zařízení

Následující tabulka uvádí některé z dostupných nástrojů pro vývoj zařízení IoT:

Nástroj	Popis
Azure IoT Hub (rozšíření VS Code)	Toto rozšíření VS Code umožňuje spravovat prostředky a zařízení ioT Hubu z VS Code.
Azure IoT Explorer	Tento nástroj pro různé platformy umožňuje spravovat prostředky a zařízení ioT Hubu z desktopové aplikace.
Rozšíření Azure IoT pro Azure CLI	Toto rozšíření rozhraní příkazového řádku obsahuje příkazy, jako az iot device simulate, az iot device c2d-message a az iot hub monitor-events, které vám pomůžou testovat interakce se zařízeními.

Související obsah

• Připojení a infrastruktura zařízení IoT
• Správa a řízení zařízení IoT
• Volba služby Azure IoT