Разработка устройств для Интернета вещей

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

В облачно подключенном решении устройства подключаются непосредственно к облачным службам, таким как Центр Интернета вещей, в то время как в решении, подключенном на уровне периферии, устройства взаимодействуют с пограничными службами в вашей среде, такими как Операции Интернета вещей Azure.

Решение для подключённых к edge-вычислениям

На следующей схеме показан общий обзор компонентов в типичном периферийном IoT-решении. 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 включает в себя 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, использующим протоколы, которые нативно не поддерживаются Операции Интернета вещей Azure.

Решение, подключенное к облаку

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.

Решение на основе периферийных вычислений

Примеры ресурсов в решении с подключением к периферийным устройствам включают:

• 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 решении с подключением на границе используются специализированные соединители для подключения к этим ресурсам и преобразования их сообщений в общий формат.

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

Решение, подключенное к облаку

Примеры устройств в решении, подключенном к облаку, 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, которые предоставляют недетерминированный ответ в режиме реального времени. Обычно не гарантируется, когда задача завершается.

Примеры специализированных аппаратных и операционных систем:

Windows for IoT — 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 слоем Azure IoT для FreeRTOS, чтобы подключать устройства 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 (встроенная) — это безопасная высокоуровневая платформа приложений с встроенными функциями коммуникации и безопасности для интернет-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
• FreeRTOS Middleware
• Azure SDK 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.

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 поддерживаются Центр Интернета вещей и службой 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 краю сети

В решении с подключением через периферию оператор настраивает соединители для подключения к ресурсам. Эта конфигурация включает сопоставление данных ресурса и облачной схемы. Например, коннектор OPC UA позволяет оператору сопоставлять идентификаторы узлов OPC UA с точками данных и событиями в сообщении JSON, обмениваясь с 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.

Решение, подключенное к облаку

В облачном решении IoT Plug and Play позволяет разработчикам решений интегрировать устройства Интернета вещей с их решениями без настройки вручную. В основе IoT Plug and Play является модель устройства, которая используется устройством для объявления его возможностей в приложении с поддержкой IoT Plug and Play, например 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 Definition Language (DTDL).

Использование IoT Plug and Play, моделирование и DTDL — это опционально. Примитивы устройств Интернета вещей можно использовать без использования IoT Plug and Play или 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 Plug and Play устройства вам нужно соблюдать набор конвенций. Эти соглашения предоставляют стандартный способ реализации модели устройства в коде с помощью примитивов, доступных в пакетах SDK для устройств.

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 с соединением на периферии сети

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

Вы можете просмотреть решение, использующее Azure IoT Edge в качестве пограничного шлюза для Центр Интернета вещей в качестве гибридного решения, включающее элементы как пограничных, так и облачных решений.

Решение, подключенное к облаку

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 выполняет код устройства в контейнерах. Вы можете использовать Azure IoT Edge для развертывания модулей кода на 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, можно использовать Azure IoT Edge для запуска служб Azure на устройствах и реализации шлюзов field. Дополнительные сведения см. в разделе 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 Центр Интернета вещей в VS Code.
Azure IoT Explorer	Это кроссплатформенное средство позволяет управлять ресурсами и устройствами Центр Интернета вещей из классического 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
• Choose Azure IoT service