Разработка устройств для Интернета вещей

В этом обзоре представлены основные понятия разработки устройств, которые подключаются к типичным решениям Интернета вещей Azure. Каждый раздел содержит ссылки на содержимое, которое содержит дополнительные сведения и рекомендации.

В облачном решении устройства напрямую подключаются к облачным службам, таким как Центр Интернета вещей, в то время как на пограничных устройствах решения подключаются к пограничным службам в вашей среде, например к операциям Интернета вещей Azure.

Решение на основе периферийных вычислений

На следующей схеме показано высокоуровневое представление компонентов в типичном пограничном решении Интернета вещей. В этой статье рассматриваются устройства, ресурсы и соединители, показанные на схеме:

Ресурсы обычно имеют встроенное ПО, реализующее стандартные протоколы. Например, роботизированная рука может быть клиентом OPC UA, а камера безопасности может реализовать ONVIF. Операции Интернета вещей Azure включают различные соединители, которые могут использовать эти протоколы для взаимодействия с ресурсами и перевода сообщений из ресурсов в сообщения MQTT. Некоторые ресурсы могут получать сообщения, позволяющие выполнять операции с ними, например:

• Панорамирование или наклон камеры безопасности.
• Измените уровень логирования на роботизированной руке.
• Инициируйте обновление встроенного ПО.

Вы можете создать собственные настраиваемые соединители для подключения к ресурсам, используюющим протоколы, которые не поддерживаются в azure IoT Operations.

Облачное решение

На следующей схеме показано высокоуровневое представление компонентов в типичном облачном решении Интернета вещей. В этой статье рассматриваются устройства и шлюз, показанные на схеме:

В Azure IoT разработчик устройства записывает код для запуска на устройствах в решении. Обычно этот код:

• Устанавливает безопасное подключение к облачной конечной точке.
• Отправляет данные телеметрии, собранные из подключенных датчиков в облако.
• Управляет состоянием устройства и синхронизирует это состояние с облаком.
• Отвечает на команды, отправленные из облака.
• Включает установку обновлений программного обеспечения из облака.
• Позволяет устройству работать при отключении от облака.

Типы устройств

Решение Интернета вещей может содержать множество типов ресурсов и устройств. Обычно устройства находятся в облачных решениях, а активы в периферийных решениях. Также можно использовать гибридное решение, содержащее как устройства, так и ресурсы.

Решение на основе периферийных вычислений

Примеры ресурсов в периферийном решении:

• Роботизированные руки, конвейерные пояса и лифты.
• Промышленные станки ЧПУ, токарные станки, пилы и сверла.
• Медицинские диагностические аппараты для визуализации.
• Камеры безопасности.
• Программируемые контроллеры логики.

Обычно эти ресурсы имеют встроенное встроенное ПО, реализующее стандартные протоколы. Например, роботизированная рука может быть клиентом OPC UA, а камера безопасности может реализовать протокол ONVIF. В периферийном решении вы используете специализированные коннекторы для подключения к этим ресурсам и перевода их сообщений в общий формат.

Для активов нет прямого эквивалента роли разработчика устройства. Вместо этого оператор может настроить соединители для подключения к ресурсам. Однако вам может потребоваться разработать пользовательские соединители для подключения к ресурсам, которые используют протоколы, не поддерживаемые вашим периферийным решением.

Облачное решение

Примеры устройств в облачном решении включают:

• датчик давления на удаленном масляном насосе;
• датчики температуры и влажности в кондиционере;
• акселерометр в лифте;
• датчик присутствия в комнате.

Эти устройства обычно создаются с помощью микроконтроллеров (MCUs) или микропроцессоров (MPUs):

• Микроконтроллеры менее дорогие и проще в работе, чем микропроцессоры.
• MCU содержит множество функций, таких как память, интерфейсы и операции ввода-вывода на микросхеме. MPU использует эту функцию с помощью компонентов, встроенных в поддерживающие микросхемы.
• MCU часто использует реальную ОС или работает без операционной системы (без ОС), предоставляя ответы в реальном времени и строго детерминированные реакции на внешние события. MpUs обычно выполняют ОС общего назначения, например Windows, Linux или macOS, которая предоставляет недетерминированный ответ в режиме реального времени. Обычно не гарантируется, когда задача завершается.

Примеры специализированных аппаратных и операционных систем:

Windows для Интернета вещей — это внедренная версия Windows для MPUs с облачным подключением, которая позволяет создавать безопасные устройства с простой подготовкой и управлением.

Eclipse ThreadX — это операционная система реального времени для устройств Интернета вещей и периферийных устройств, работающих на микроконтроллерах (MCU). Eclipse ThreadX предназначен для поддержки устройств с высоким уровнем ограничений, которые питание от батареи и имеют менее 64 КБ флэш-памяти.

FreeRTOS — это операционная система в режиме реального времени для внедренных устройств. Вы можете использовать FreeRTOS с промежуточным ПО Azure IoT для FreeRTOS для подключения устройств к Azure IoT. Для получения обзора вариантов ОСРВ для разработки устройств см. сценарии использования пакета SDK для C и встроенного пакета SDK для C.

Azure Sphere (интегрированная) — это безопасная высокоуровневая платформа приложений с встроенными функциями коммуникации и безопасности для подключенных к Интернету устройств. Она состоит из защищенной, подключенной, кроссоверной MCU, пользовательской высокоуровневой операционной системы под управлением Linux и облачной службы безопасности, которая обеспечивает непрерывную, возобновляемую безопасность.

Примитивы устройств

Разработчик устройств обычно реализует следующие примитивы в коде устройства для взаимодействия с облаком:

• Сообщения от устройства к облаку для передачи телеметрии временных рядов в облако. Например, данные температуры, собранные с датчика, подключенного к устройству.
• Загрузка медиафайлов, таких как захваченные изображения и видео. Периодически подключенные устройства могут отправлять пакеты телеметрии. Устройства могут сжимать передачи для сохранения пропускной способности.
• Цифровые двойники устройств для обмена и синхронизации данных состояния с облаком. Например, устройство может использовать двойник устройства, чтобы сообщить облаку о текущем состоянии клапана, которым оно управляет, и получить целевую температуру из облака.
• Цифровые двойники для представления устройства в цифровом мире. Например, цифровой двойник может представлять физическое расположение устройства, его возможности и связи с другими устройствами.
• Прямые методы для получения команд из облака. Прямой метод может иметь параметры и возвращать ответ. Например, облако может вызвать прямой метод, чтобы запросить устройство перезагрузить в течение 30 секунд.
• Сообщения из облака на устройство для получения односторонних уведомлений из облака. Например, уведомление о готовности обновления к загрузке.

Дополнительные сведения см. в руководстве по обмену данными между устройствами и облаком и руководстве по обмену данными между облаком и устройствами.

SDK и библиотеки

Пакеты SDK для устройств предоставляют высокоуровневые абстракции, которые позволяют использовать примитивы без знания базовых протоколов связи. Пакеты SDK для устройств также обрабатывают сведения о создании безопасного подключения к облаку и проверке подлинности устройства.

Для устройств MPU пакеты SDK доступны на следующих языках:

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

Для устройств MCU см. следующие сведения:

• Eclipse ThreadX
• Промежуточное ПО FreeRTOS
• Пакет SDK Azure для Embedded C

Примеры и рекомендации

Все пакеты SDK для устройств включают примеры, демонстрирующие использование пакета SDK для подключения к облаку, отправки данных телеметрии и использования других примитивов.

Сайт разработки устройств Интернета вещей содержит руководства и инструкции по реализации кода для различных типов устройств и сценариев.

Вы можете найти больше примеров в браузере примеров кода .

Разработка устройств без пакета SDK для устройств

Хотя рекомендуется использовать один из пакетов SDK для устройств, могут возникнуть сценарии, в которых вы предпочтёте этого не делать. В этих сценариях код устройства должен напрямую использовать один из протоколов связи, которые поддерживают Центр Интернета вещей и Служба подготовки устройств (DPS).

Дополнительные сведения см. в разделе:

• Использование протокола MQTT непосредственно (в качестве устройства)
• Использование протокола AMQP напрямую (как устройство)

Моделирование и схемы

Модели устройств и активов определяют данные, которые устройства и ресурсы обмениваются с облаком. Модели позволяют использовать ряд сценариев с низким кодом или без кода для интеграции устройств и ресурсов с решением Интернета вещей.

Решение на основе периферийных вычислений

В периферийном решении оператор настраивает соединители для подключения к активам. Эта конфигурация включает сопоставление данных ресурса и облачной схемы. Например, соединитель OPC UA позволяет оператору сопоставлять идентификаторы узлов OPC UA с точками данных и событиями в сообщении JSON, обменився брокером MQTT. На следующем снимке экрана показан пример в пользовательском веб-интерфейсе для цифровых операций, который определяет два таких сопоставления:

В другом месте решения оператор может ссылаться непосредственно на теги Temperature и Tag 10 без необходимости знать сведения об идентификаторах узлов OPC UA.

Облачное решение

В облачном решении функция IoT Plug and Play позволяет разработчикам интегрировать устройства Интернета вещей с их решениями без необходимости ручной настройки. В основе IoT Plug and Play лежит модель устройства, которая используется устройством для объявления своих возможностей в приложении с поддержкой IoT Plug and Play, таком как IoT Central. Эта модель структурирована как набор элементов, которые определяют:

• Свойства, которые отражают характеристики состояния устройства или другой сущности, доступные только для чтения или только для записи. Например, серийный номер устройства может быть свойством только для чтения, а целевая температура термостата может быть свойством, доступным для записи.
• Данные телеметрии, которые отправляются устройством, например поток показаний датчика, сообщения об ошибках или информационные сообщения.
• Команды описывают функции или операции, которые можно выполнить на устройстве. Например, можно определить команду для перезапуска шлюза или создания снимка дистанционно управляемой камерой.

Вы можете группировать эти элементы в один интерфейс в нескольких моделях, чтобы упростить совместную работу и ускорить разработку.

Модель указывается с помощью языка определения Digital Twins (DTDL).

Использование IoT Plug and Play, моделирования и DTDL является необязательным. Примитивы устройств Интернета вещей можно использовать без IoT Plug and Play и моделирования. Служба Azure Digital Twins также использует модели DTDL для создания графов двойников на основе цифровых моделей сред, таких как здания или фабрики.

В качестве разработчика устройств, при реализации IoT-устройства Plug and Play, необходимо следовать набору соглашений. Эти соглашения предоставляют стандартный способ реализации модели устройства в коде с помощью примитивов, доступных в пакетах SDK для устройств.

Дополнительные сведения см. на следующих ресурсах:

• Что такое IoT Plug and Play?
• Руководство моделирования IoT Plug and Play

Контейнеризация

Контейнеризация — это способ упаковки и запуска кода в упрощенной изолированной среде. Контейнеры переносимы и могут выполняться на любой платформе, поддерживающей контейнерную среду выполнения. Контейнеры — это хороший способ упаковки и развертывания кода, так как они предоставляют согласованную среду выполнения для кода. Среда выполнения обычно включает службы, библиотеки и пакеты, необходимые коду.

Решение на основе периферийных вычислений

Операции Интернета вещей Azure контейнеризуют все свои соединители, брокеры и другие компоненты, которые выполняются на периферии. Операции Интернета вещей Azure развертываются в кластере Kubernetes, который является платформой оркестрации контейнеров. Разверните все пользовательские соединители или другие компоненты, создаваемые в кластере Kubernetes.

Вы можете просмотреть решение, которое использует Azure IoT Edge в качестве периферийного шлюза к IoT Hub, как гибридное решение, включающее элементы как периферийных, так и облачных решений.

Облачное решение

При использовании контейнеров, например Docker, для запуска кода устройства вы можете развернуть код на своих устройствах, используя возможности инфраструктуры контейнеров. Контейнеры также позволяют определить среду выполнения для кода со всеми необходимыми версиями библиотеки и пакетов. Контейнеры упрощают развертывание обновлений и управление жизненным циклом устройств Интернета вещей.

Azure IoT Edge запускает код устройства в контейнерах. Вы можете использовать Azure IoT Edge для развертывания модулей кода на ваших устройствах. Дополнительные сведения см. в статье "Разработка собственных модулей IoT Edge".

Совет

Azure IoT Edge включает несколько сценариев. Помимо запуска кода устройства Интернета вещей в контейнерах, вы можете использовать Azure IoT Edge для запуска служб Azure на устройствах и реализации шлюзов полей. Дополнительные сведения см. в статье "Что такое Azure IoT Edge"

Средства разработки устройств

В следующей таблице перечислены некоторые доступные средства разработки устройств Интернета вещей:

Инструмент	Описание
Центр Интернета вещей Azure (расширение VS Code)	Это расширение VS Code позволяет управлять ресурсами и устройствами IoT Hub изнутри VS Code.
Обозреватель Интернета вещей Azure	Это кроссплатформенное средство позволяет управлять ресурсами и устройствами Центром Интернета вещей из десктопного приложения.
Расширение Azure IoT для Azure CLI	Это расширение CLI включает такие команды, как az iot device simulate, az iot device c2d-messageи az iot hub monitor-events которые помогают протестировать взаимодействие с устройствами.

Связанный контент

• Подключение к устройству Интернета вещей и инфраструктура
• Управление устройствами Интернета вещей и управление ими
• Выбор службы Интернета вещей Azure