Desarrollo de dispositivos IoT

En esta introducción se presentan los conceptos clave sobre el desarrollo de dispositivos que se conectan a soluciones típicas de Azure IoT. Cada sección incluye vínculos a contenido que proporciona más detalles e instrucciones.

En una solución conectada a la nube, los dispositivos se conectan directamente a servicios conectados a la nube, como IoT Hub, mientras que en un dispositivo de solución perimetral se conectan a servicios conectados perimetrales en su entorno, como Azure IoT Operations.

Solución conectada a edge

En el diagrama siguiente se muestra una vista general de los componentes en una solución típica de IoT conectada al perímetro. Este artículo se centra en los dispositivos, los recursos y los conectores que se muestran en el diagrama:

Los activos suelen tener firmware integrado que implementa protocolos estándar. Por ejemplo, un brazo robótico podría ser un cliente OPC UA y una cámara de vídeo de seguridad podría implementar ONVIF. Azure IoT Operations incluye varios conectores que pueden usar estos protocolos para comunicarse con recursos y traducir mensajes de los recursos a mensajes MQTT. Algunos activos pueden recibir mensajes que le permiten realizar operaciones en ellos, como:

• Giro o inclinación de una cámara de seguridad.
• Cambie el nivel de registro en un brazo robótico.
• Inicie una actualización de firmware.

Puede crear sus propios conectores personalizados para conectarse a recursos que usan protocolos no compatibles de forma nativa con Azure IoT Operations.

Solución conectada a la nube

En el diagrama siguiente se muestra una vista general de los componentes en una solución de IoT conectada a la nube típica. Este artículo se centra en los dispositivos y la puerta de enlace que se muestran en el diagrama:

En Azure IoT, un desarrollador de dispositivos escribe el código que se va a ejecutar en los dispositivos de la solución. Este código normalmente hace lo siguiente:

• Establece una conexión segura a un punto de conexión en la nube.
• Envía datos de telemetría recopilados de sensores conectados a la nube.
• Administra el estado del dispositivo y sincroniza ese estado con la nube.
• Responde a los comandos enviados desde la nube.
• Habilita la instalación de actualizaciones de software desde la nube.
• Permite que el dispositivo siga funcionando mientras está desconectado de la nube.

Tipos de dispositivos

Una solución de IoT puede contener muchos tipos de activos y dispositivos.

Solución conectada a edge

Entre los activos de ejemplo en una solución conectada al edge se incluyen los siguientes:

• Brazos robóticos, cintas transportadoras y ascensores.
• Máquinas CNC industriales, latas, sierras y taladros.
• Máquinas de imágenes de diagnóstico médico.
• Cámaras de vídeo de seguridad.
• Controladores lógicos programables.

Estos activos suelen tener firmware integrado que implementa protocolos estándar. Por ejemplo, un brazo robótico podría ser un cliente OPC UA y una cámara de vídeo de seguridad podría implementar el protocolo ONVIF. En una solución conectada al borde, se utilizan conectores especializados para conectarse a estos activos y traducir sus mensajes a un formato común.

En el caso de los activos, no hay ningún equivalente directo al rol de desarrollador de dispositivos. En su lugar, un operador puede configurar los conectores para conectarse a los activos. Sin embargo, es posible que tenga que desarrollar conectores personalizados para conectarse a recursos que usan protocolos que no son compatibles de forma nativa con su solución conectada al edge.

Solución conectada a la nube

Los dispositivos de ejemplo de una solución conectada a la nube incluyen:

• Un sensor de presión de una bomba de petróleo remota.
• Los sensores de temperatura y humedad de una unidad de aire acondicionado.
• Un acelerómetro de un ascensor.
• Sensores de presencia en una sala.

Estos dispositivos se suelen crear mediante microcontroladores (MCU) o microprocesadores (MPU):

• Los MCU son menos costosos y más fáciles de usar que los MPU.
• Un MCU contiene muchas de las funciones como, por ejemplo, la memoria, las interfaces y la E/S dentro del propio chip. Un MPU obtiene esta funcionalidad de los componentes de los chips compatibles.
• Un MCU suele usar un sistema operativo en tiempo real (RTOS) o funcionar sin sistema operativo, y proporciona respuestas en tiempo real y reacciones muy deterministas a eventos externos. Las MPUs suelen ejecutar un sistema operativo de uso general, como Windows, Linux o macOS que proporciona una respuesta en tiempo real no determinista. Normalmente no hay ninguna garantía sobre cuándo se completa una tarea.

Entre los ejemplos de hardware y sistemas operativos especializados se incluyen:

Windows for IoT es una versión insertada de Windows para MPUs con conectividad en la nube que le permite crear dispositivos seguros con fácil aprovisionamiento y administración.

Eclipse ThreadX es un sistema operativo en tiempo real para IoT y dispositivos de borde con tecnología de MCU. Eclipse ThreadX está diseñado para admitir dispositivos altamente restringidos que tienen batería y tienen menos de 64 KB de memoria flash.

FreeRTOS es un sistema operativo en tiempo real para dispositivos incrustados. Puede usar FreeRTOS con el middleware de Azure IoT para FreeRTOS para conectar dispositivos a Azure IoT. Para obtener información general sobre las opciones de RTOS para el desarrollo de dispositivos, consulte Escenarios de uso del SDK de C y SDK de C insertados.

Azure Sphere (integrado) es una plataforma de aplicaciones segura y de alto nivel con características integradas de comunicación y seguridad para dispositivos basados en Internet. Se compone de una unidad de MCU cruzados, conectados y seguros, un sistema operativo basado en Linux de alto nivel y personalizado y un servicio de seguridad basado en la nube que ofrece una seguridad renovable y continua.

Primitivos de dispositivo

Normalmente, un desarrollador de dispositivos implementa los siguientes primitivos en el código de dispositivo para interactuar con la nube:

• Mensajes del Dispositivo a nube para enviar telemetría de serie temporal a la nube. Por ejemplo, los datos de temperatura recopilados de un sensor conectado al dispositivo.
• Cargas de archivos para archivos multimedia, como imágenes capturadas y vídeo. Los dispositivos conectados de forma intermitente pueden enviar lotes de telemetría. Los dispositivos pueden comprimir cargas para ahorrar ancho de banda.
• Dispositivos gemelos para compartir y sincronizar los datos de estado con la nube. Por ejemplo, un dispositivo puede usar el dispositivo gemelo para notificar el estado actual de una válvula que controla a la nube y recibir una temperatura de destino deseada de la nube.
• Gemelos digitales para representar un dispositivo en el mundo digital. Por ejemplo, un gemelo digital puede representar la ubicación física de un dispositivo, sus funcionalidades y sus relaciones con otros dispositivos.
• Métodos directos para recibir comandos de la nube. Un método directo puede tener parámetros y devolver una respuesta. Por ejemplo, la nube puede llamar a un método directo para solicitar que el dispositivo se reinicie en 30 segundos.
• Mensajes de nube a dispositivo para recibir notificaciones unidireccionales de la nube. Por ejemplo, una notificación de que una actualización está lista para descargarse.

Para más información, consulte la Guía de comunicaciones de dispositivo a nube y la Guía de comunicaciones de nube a dispositivo.

SDK y bibliotecas

Los SDK de dispositivo proporcionan abstracciones de alto nivel que permiten usar los primitivos sin conocimiento de los protocolos de comunicaciones subyacentes. Los SDK de dispositivo también controlan los detalles que sirven para establecer una conexión segura a la nube y autenticar el dispositivo.

En el caso de los dispositivos MPU, los SDK de dispositivo están disponibles para los siguientes lenguajes:

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

Para dispositivos MCU, consulte:

• Eclipse ThreadX
• middleware FreeRTOS
• Azure SDK para C embebido

Ejemplos e instrucciones

Todos los SDK de dispositivo incluyen ejemplos que muestran cómo usar el SDK para conectarse a la nube, enviar telemetría y usar los demás primitivos.

Puede encontrar más ejemplos en el explorador de ejemplo de código.

Desarrollo de dispositivos sin SDK de dispositivo

Aunque se recomienda usar uno de los SDK de dispositivo, puede haber escenarios en los que prefiera no hacerlo. En estos escenarios, el código del dispositivo debe usar directamente uno de los protocolos de comunicación que el IoT Hub y el Servicio de Aprovisionamiento de Dispositivos (DPS) admiten.

Para más información, consulte:

• Utilizando el protocolo MQTT de forma directa (como un dispositivo)
• Uso del protocolo AMQP directamente (en calidad de dispositivo)

Modelado y esquemas

Los modelos de dispositivos y activos definen los datos que los dispositivos y los activos intercambian con la nube. Los modelos habilitan una gama de escenarios de poco código o sin código para integrar los dispositivos y los activos con la solución de IoT.

Solución conectada a edge

En una solución de borde conectada, un operador configura conectores para conectarse a los activos. Esta configuración incluye una asignación entre los datos del recurso y un esquema en la nube. Por ejemplo, el conector de OPC UA permite al operador asignar identificadores de nodo de OPC UA a puntos de datos y eventos en un mensaje JSON intercambiado con el agente MQTT. En la siguiente captura de pantalla se muestra un ejemplo en la interfaz de usuario web de las operaciones digitales que define dos mapeos de este tipo:

En otra parte de la solución, un operador puede hacer referencia directamente a las etiquetas Temperature y Tag 10 sin necesidad de conocer los detalles de los identificadores de nodo de OPC UA.

Solución conectada a la nube

En una solución conectada a la nube, IoT Plug and Play permite a los generadores de soluciones integrar dispositivos IoT con sus soluciones sin ninguna configuración manual. En el núcleo de IoT Plug and Play, es un modelo de dispositivo que un dispositivo usa para anunciar sus funcionalidades a una aplicación habilitada para IoT Plug and Play, como IoT Central. Este modelo se estructura como un conjunto de elementos que definen:

• Propiedades que representan el estado de solo lectura y grabable de un dispositivo o de otra entidad. Por ejemplo, el número de serie de un dispositivo puede ser una propiedad de solo lectura, y la temperatura objetivo de un termostato puede ser una propiedad grabable.
• Datos de telemetría, que son los datos que emite un dispositivo, independientemente de que sean una secuencia normal de lecturas de un sensor, un error ocasional o un mensaje informativo.
• Comandos que describen una función u operación que se puede realizar en un dispositivo. Por ejemplo, un comando puede reiniciar una puerta de enlace o tomar una imagen mediante una cámara remota.

Puede agrupar estos elementos en interfaces para reutilizarlos en los distintos modelos para facilitar la colaboración y acelerar el desarrollo.

El modelo se especifica mediante el Digital Twins Definition Language (DTDL).

El uso de IoT Plug and Play, modelado y DTDL es opcional. Puede utilizar los primitivos del dispositivo IoT sin utilizar IoT Plug and Play ni modelado. El servicio Azure Digital Twins también usa modelos DTDL para crear grafos gemelos basados en modelos digitales de entornos como edificios o fábricas.

Como desarrollador de dispositivos, al implementar un dispositivo IoT Plug and Play hay un conjunto de convenciones que se deben seguir. Estas convenciones proporcionan una manera estándar de implementar el modelo de dispositivo en el código mediante los primitivos disponibles en los SDK de dispositivo.

Contenerización

La contenedorización es una manera de empaquetar y ejecutar el código en un entorno ligero y aislado. Los contenedores son portátiles y se pueden ejecutar en cualquier plataforma que admita el entorno de ejecución del contenedor. Los contenedores son una buena manera de empaquetar e implementar el código porque proporcionan un entorno en tiempo de ejecución coherente para el código. El entorno en tiempo de ejecución suele incluir los servicios, las bibliotecas y los paquetes que el código debe ejecutar.

Solución conectada a edge

Azure IoT Operations encapsula en contenedores todos sus conectores, intermediarios y otros componentes que se ejecutan en el borde. Azure IoT Operations implementa en un clúster de Kubernetes, que es una plataforma de orquestación de contenedores. Implemente los conectores personalizados u otros componentes que cree en el clúster de Kubernetes.

Puede ver una solución que use Azure IoT Edge como una puerta de enlace conectada al perímetro para IoT Hub, dentro de una solución híbrida que incluye elementos tanto de conectividad perimetral como de conectividad a la nube.

Solución conectada a la nube

Si usa contenedores, como en Docker, para ejecutar el código del dispositivo, puede implementar código en los dispositivos mediante las funcionalidades de la infraestructura de contenedor. Los contenedores también permiten definir un entorno en tiempo de ejecución para el código con todas las versiones de paquete y biblioteca necesarias instaladas. Los contenedores facilitan la implementación de actualizaciones y la administración del ciclo de vida de los dispositivos IoT.

Azure IoT Edge ejecuta código de dispositivo en contenedores. Puede usar Azure IoT Edge para implementar módulos de código en los dispositivos. Para obtener más información, consulte Develop your own IoT Edge modules.

Sugerencia

Azure IoT Edge habilita varios escenarios. Además de ejecutar el código del dispositivo IoT en contenedores, puede usar Azure IoT Edge para ejecutar servicios Azure en los dispositivos e implementar puertas de enlace field. Para obtener más información, consulte ¿Qué es Azure IoT Edge?

Herramientas de desarrollo de dispositivos

En la tabla siguiente se enumeran algunas de las herramientas de desarrollo de dispositivos de IoT disponibles:

Herramienta	Descripción
Azure IoT Hub (extensión de VS Code)	Esta extensión de VS Code le permite administrar los recursos y dispositivos de IoT Hub desde VS Code.
Explorador Azure IoT	Esta herramienta multiplataforma le permite administrar los recursos y dispositivos de IoT Hub desde una aplicación de escritorio.
Azure IoT extensión para Azure CLI	Esta extensión de la CLI incluye comandos como az iot device simulate, az iot device c2d-message y az iot hub monitor-events que le ayudan a probar las interacciones con los dispositivos.

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