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2018 年 12 月

第 33 卷，第 12 期

物联网 - 使用 Azure IoT Central 加速 IoT 开发

作者 Dawid Borycki

IoT 开发人员面临的挑战有很多。幸运的是，Microsoft IoT 技术能帮助你排除万难。使用 Windows 10 IoT Core，可以开发适用于智能设备的通用 Windows 平台 (UWP) 应用 (bit.ly/2yJf6RJ)。使用 Azure 机器学习工作室，可以图表方式创建机器学习 (ML) 算法 (bit.ly/2yF2yes)。此外，若要创建使用多个 Azure IoT 服务或自主开发 ASP.NET MVC 应用（.NET Framework 或 .NET Core）的 Web 应用，有多种方法可供选择。

虽然这些技术提供了开发自定义 IoT 解决方案的综合方法，但结合使用它们可能会很难，尤其是在以往没有云或 Web 编程经验时。为了解决此问题，Microsoft 创建了 Azure IoT 套件（请参阅我之前的文章 (bit.ly/2yFaIU6)），后来又将它重命名为 Azure IoT 解决方案加速器 (bit.ly/2pYaraX)。解决方案加速器提供了大量定位为解决典型 IoT 问题的预配置应用，包括仪表板、ML 模型、流数据逻辑和关联一切的编程组件。不过，解决方案加速器仍然非常复杂。因此，为了进一步简化 IoT 开发，Microsoft 引入了 Azure IoT Central，这是一款基于云的托管服务，可用于快速创建 IoT 后端。这是新式门户，其中包含用于遥测和数据处理等的仪表板和基础服务。可使用此后端连接、监视和管理 IoT 设备。

在本文中，我将介绍如何使用 Azure IoT Central 创建图 1 中所示的解决方案。此解决方案使用自定义 IoT Central 应用，以描述遥测数据、设备位置和设置以及两个关键绩效指标。操作员可使用此仪表板直观呈现遥测，并通过设置远程控制设备。遥测数据是从（右上角显示的）.NET Core 控制台应用流式传输。可以从 bit.ly/2D34XnV 获取此应用的完整源代码。

我将创建的 IoT 解决方案
图1：我将创建的 IoT 解决方案

Azure IoT 服务和解决方案

在介绍我是如何创建 IoT 解决方案之前，我将简要回顾一下其他使用 Azure IoT 开发 IoT 应用的可行方法。第一种方法是，可以通过实例化和手动配置专用 Azure IoT 服务，创建完全自定义解决方案，如图 2 所示。在这种情况下，通常是从 IoT 中心入手，它可用作云网关，用于实现双向通信和设备管理（例如，设备注册）。然后，可使用 Azure 流分析，预处理或转换通过 IoT 中心从远程设备传输的数据。此服务可用于筛选掉非遥测数据，或平均分配遥测数据的短部分，以减少急剧度量波动。然后，可以将预处理过的数据发送到 Power BI 仪表板进行直观呈现、暂留在专用云存储中，或传输到事件中心以进行更复杂的分析。事件中心可以将预处理过的数据发送到 ML 模型，以检测异常或预测受监视进程的趋势。不过，此类方法可能非常耗时，主要是因为没有预先配置的 Web 门户，进而无法为用户和操作员提供便捷界面。

典型 IoT 解决方案：矩形表示服务，箭头表示解决方案组件之间的数据流
图 2：典型 IoT 解决方案：矩形表示服务，箭头表示解决方案组件之间的数据流

第二种方法是，可以从 IoT 解决方案加速器入手，这些是能够根据需求调整的模板。IoT 解决方案加速器依据的 Azure IoT 服务与完全自定义解决方案相同。不过，加速器随附预配置服务，以及展示如何利用这些服务的示例代码。在这种情况下，仍要执行一些操作，但可以从可调整的模板入手。

第三种方法是，可使用 Azure IoT Central 快速创建后端，其中有完全准备就绪的 IoT 应用。这种方法可最大限度地减少工作量和必须掌握的技能。无需掌握任何云知识，即可创建功能齐全且可缩放的新式 IoT 解决方案。所有内容都是自动为你创建，所依据的 Azure IoT 服务与完全自定义解决方案或使用解决方案加速器时相同。因此，可以集中精力开发自己的内容，而无需兼顾 IoT 解决方案的其他部分。接下来，我将使用 Azure IoT Central 快速创建云终结点。

创建 IoT Central 应用

为了创建 IoT Central 应用，我使用了 IoT Central 门户 (apps.azureiotcentral.com)。此门户在我使用自己的 Microsoft 帐户登录后显示应用管理器。此管理器会显示所有应用，尽管最初当然不会有任何应用。因此，我单击了“新建应用”按钮，同时打开 IoT 应用创建器，这样就可以选择是使用 7 天免费试用版，还是使用付费订阅 (bit.ly/2QLvk4t)，并提供应用模板、应用名称和 URL。我选择了“免费计划”和“自定义应用”模板，然后将应用名称设置为“MSDN IoT Central 应用”，这样做自动创建了以下 URL：msdn-iot-central-app.azureiotcentral.com。最后，我单击了“创建”按钮，几秒钟后应用就准备就绪了。

IoT Central 应用包含以下两个重要元素：实际视图和导航（左侧栏）。可使用侧栏切换以下各种视图：“主页”、“Device Explorer”、“设备集”、“分析”、“作业”、“应用生成器”和“管理”。在本文中，我将主要使用“Device Explorer”和“应用生成器”视图。

新创建的应用显示默认“主页”窗体。可以自定义此视图，具体方法是单击蓝色“编辑”按钮来激活编辑视图。在编辑视图中，可以添加多个组件，如链接、标签、图像、设备设置和地图等。不过，在创建仪表板前，必须有遥测数据。遥测数据最初是由模拟设备生成。若要添加此类设备，可以单击默认“主页”上的“创建设备模板”面板。最终可能会更想要使用“应用生成器”，在其中可以选择“自定义设备”选项。设备模板定义了设备，包括遥测数据、设置、事件和远程命令 (bit.ly/2CjsoYH)。

设备模板

无论如何选择创建设备模板，请先指定模板名称（我命名的是“MSDN-DeviceTemplate”），再单击“创建”按钮以预配设备。图 3 中的视图随即显示。使用此视图配置设备的各个方面：

  • 度量：可指定设备将向云提供的数据种类。还可以定义设备状态和事件。
  • 设置：可创建可用于参数化每个设备的设备专用设置。
  • 属性：可配置设备属性（例如，物理位置）。
  • 命令：可定义能够从云发送到设备以更新设备状态的命令。
  • 规则：可定义设备规则。这些规则可以监视数据，并触发相应操作。
  • 仪表板：可创建设备的仪表板。此类仪表板可用于创建设备摘要，其中可包括遥测图、图像、关键绩效指标、指明设备位置的地图、状态和事件历史记录。

设备模板
图 3：设备模板

遥测、设置和属性

接下来，我定义了设备模板。我先创建了温度和湿度这两个度量，再定义了 IsTelemetryActive 设置，此设置便于操作员远程启用或禁用遥测（图 1 中的“空闲”状态）。如果 IsTelemetryActive 设置为 false，远程设备不会流式传输任何数据。最后，设备有一个属性“Location”，其中包含设备的地理空间地址。

若要创建遥测度量，请先单击“编辑模板”按钮。如图 4**** 所示，“新建度量”按钮显示在“遥测”正上方。单击此按钮后，可以在“遥测”、“状态”和“事件”选项之间进行选择。我将单击“遥测”，这会激活另一个视图，可用于按以下方式配置温度度量（见图 4 的中间栏）：

  • 显示名称：温度
  • 字段名：温度
  • 单位：摄氏度
  • 最小值：-20
  • 最大位数：2
  • 颜色：根据需求选择任意颜色

配置遥测
图 4：配置遥测

虽然大多数遥测设置都非常直观明了，但请注意，“字段名”是在设备和云之间传输数据时所使用的名称。所以使用“字段名”正确序列化和反序列化表示遥测数据的对象。

定义湿度度量值与定义温度大致相同，区别在于使用以下配置：

  • 显示名称：湿度
  • 字段名：湿度
  • 单位：%
  • 最小值：0
  • 最大值：100
  • 小数位数：2

定义度量后，便可以添加设备设置。为此，请单击“设置”选项卡，并确保当前处于编辑模式。然后，右侧便会显示可用的设置类型。选择“切换类型”，并对它进行以下配置：

  • 显示名称：遥测是否已启用
  • 字段名：IsTelemetryActive
  • 启用显示文本：True
  • 禁用显示文本：错

最后，添加设备属性：Location。为此，请打开“属性”选项卡。此时，左侧列出了可用属性类型。此列表称为“库”。单击“Location”对象。然后，对此属性进行以下配置：

  • 显示名称： 设备位置
  • 字段名：位置
  • 初始值：Microsoft, 1 Microsoft Way, Redmond, WA 98052

请注意，“初始值”字段中包含在你开始键入时就填充的自动建议列表。

配置遥测、设置和属性后，我现在可以准备设备仪表板了，它将所有信息都合并到新式图形界面中。

创建仪表板

创建仪表板与创建设置和属性类似，都是先启用模板编辑模式，这会打开包含可用 UI 组件列表的库。这些组件位于 Azure IoT Central 仪表板的左侧。在你选择某项后，它就会显示在仪表板中。然后，模板编辑器的左侧显示 UI 组件的可配置设置，如图 5 所示。继续操作并单击“折线图”。接下来，将“标题”设置为“遥测”，启用所有三个切换开关，将“时间范围”设置为“过去 30 分钟”，再单击“湿度”和“温度”旁边最右侧的图标，以便绘制这两个度量值。

配置图表
图 5：配置图表

然后，我向仪表板添加了地图，以显示设备位置。若要创建此类地图，请从库中选择“地图”UI 组件，再配置它的属性。将“标题”设置为“位置”，并从“Location 属性”列表中选择“设备位置”。

接下来，我创建了两个显示关键绩效指标 (KPI) 的磁贴。这些 KPI 是根据在过去 30 分钟内获取的传感器读数计算出的平均温度和最大湿度（见图 1 的右侧部分）。若要创建此类磁贴，请使用库中的 KPI 组件，同时对它们进行以下配置：

“平均温度”KPI：

  • 标题：平均温度
  • 时间范围：过去 30 分钟
  • 度量类型：遥测
  • 度量值：温度

“最大湿度”KPI：

  • 标题：最大湿度
  • 时间范围：过去 30 分钟
  • 度量类型：遥测
  • 度量值：湿度

最后，我创建了显示 IsTelemetryActive 设置实际值的磁贴。为此，我使用了“设置和属性”UI 组件，其中有以下两个可配置选项：“标题”（文本框）和“设置和属性”（显示可用列和选定列的双面板控件）。先使用文本框将标题设置为“设备位置”，再使用第二个控件将“设备位置”从可用列拖到选定列。在所有 UI 组件就位后，我就可以将它们放置到仪表板中，如前面的图 1 所示。

预配实际设备

前面的论述证实，借助 IoT Central，可以为 IoT 解决方案快速创建采用新式外观的仪表板。不过，到目前为止，我们仅依赖模拟设备。接下来将探讨如何将实际设备连接到 IoT Central 应用。为此，可使用 Device Explorer，按照 IoT Central 文档 (bit.ly/2Ch4gWA) 中的说明继续操作。简而言之，先单击（顶部面板中的）“新建”按钮，从下拉列表中选择“实际设备”，再提供设备的名称和唯一标识符。随后，我将这两个选项分别设置为“MSDN-DeviceTemplate – msdn-device-id1”和“msdn-device-id-1”（见图 6****）。

显示模拟设备和实际设备的 Device Explorer
图 6：显示模拟设备和实际设备的 Device Explorer

如果现在单击 Explorer 中的实际设备，将会看到它的遥测、设置、属性和仪表板与模拟设备完全相同。不过，由于设备未连接，尚无任何度量。此外，实际设备模板的右上角还显示其他超链接：“阻止”和“连接”。使用“阻止”，可以阻止设备，这样 IoT Central 应用就不会接受来自远程设备的任何请求。“连接”显示将设备连接到云所必需的范围 ID 和凭据，如图 7 所示。

设备连接
图 7：设备连接

IoT Central 支持使用两种方法来授权设备。可以使用共享访问签名 (SAS)，也可以使用 X.509 证书。bit.ly/2ClDv3z 上详细介绍了这两种方法。在我要开发的客户端应用中，我将使用 SAS 方法。因此，为了能够继续进一步操作，我将需要记下图 7 中“设备连接”屏幕上显示的范围 ID、设备 ID 以及主密钥或辅助密钥。我将使用 dps_cstr 命令行工具生成连接字符串。（可以从 bit.ly/2Cj3Ejv 下载此工具的 Windows 版本。） 然后，若要获取实际连接字符串，请打开命令行，并键入以下命令：

dps_cstr <scope_id> <device_id> <SAS Key>

对于图 7**** 中显示的参数，dps_cstr 工具生成了以下连接字符串：

HostName=saas-iothub-28681fd2-94c7-4938-bf7e-7ae3e94a407c.azure-devices.net;DeviceId=msdn-device-id1;SharedAccessKey=nQqFzf6TvnQA+zFI4MVaSSBeZgsYSY0P7KXrl6z6oDE=

实现客户端应用

为了创建客户端应用，我开发了基于控制台应用模板的 C# .NET Core 应用。无需在 UWP Windows 10 IoT Core 应用中进行任何更改，即可使用大多数代码。不过，为了最大限度地减少实现 IoT Central 客户端应用所需的工作负载，我决定使用 .NET Core。

我使用了 Visual Studio 2017 Community Edition（从“新建项目”对话框入手）。我选择了“控制台应用”项目模板 (.NET Core 2.1)，将应用名称设置为“IoTCentralClient”，并安装了 Microsoft.Azure.Devices.Client NuGet 包以便快速连接到 IoT 中心。

然后，我继续执行实际实现（从图 8 中显示的 DeviceClientHelper 类入手）。

图 8：DeviceClientHelper 类

public static class DeviceClientHelper
{
  private static readonly string connectionString
    = "<your_connection_string>";
  private static DeviceClient deviceClient;
  public static DeviceClient Init()
  {
    if (deviceClient == null)
    {
      deviceClient = DeviceClient.
        CreateFromConnectionString(connectionString);
    }
    return deviceClient;
  }
}

DeviceClientHelper 类使用 Microsoft.Azure.Devices.Client.DeviceClient 将连接与 IoT 中心相关联。为此，DeviceClient 使用 dps_cstr 工具生成的连接字符串。连接字符串作为参数传递给 DeviceClient 类的 CreateFromConnectionString 静态方法。

遥测

在准备连接后，我创建了 Data 类（将发送到云的遥测的抽象表示形式），如图 9**** 所示。

图 9：Data 类

public class Data
{
  public double Temperature { get; set; }
  public double Humidity { get; set; }
  public Message ToMessage()
  {
    var dataJson = JsonConvert.SerializeObject(this);
    return new Message(Encoding.ASCII.GetBytes(dataJson));
  }
  public override string ToString()
  {
    return $"Temperature: {Temperature,6:F2}, Humidity: {Humidity,6:F2}";
  }
}

请注意，Data 类的公共属性是用于云终结点，以正确反序列化从设备发送的对象。因此，属性名必须与设备模板中使用的字段名相对应。否则，云将无法正确分析遥测数据。

接下来，为了反序列化遥测对象，我编写了 ToMessage 方法，如图 9 所示。在第一步中，ToMessage 获取表示 Data 对象的 JSON 格式字符串。这是通过 JsonConvert.SerializeObject 完成的。在第二步中，JSON 字符串通过 Encoding.ASCII.GetBytes 转换为字节数组。此操作的结果用于实例化 Microsoft.Azure.Devices.Client.Message 类。然后，可使用 DeviceClient 类的 SendEventAsync 方法，将此类的实例发送到 IoT 中心。

接下来，我编写了用于生成和发送遥测数据的 Generator 类。此类通过伪随机生成温度值和湿度值，模拟实际传感器读数（请参阅随附源代码中的 Data/Generator.cs）。为此，Generator 使用 System.Random 类，合成给定范围内的传感器读数：

private Random randomNumberGenerator = new Random();
private double GetRandomValue(MeasurementRange measurementRange)
{
  var randomValueRescaled = randomNumberGenerator.NextDouble()
    * measurementRange.ValueRange();
  return measurementRange.Min + randomValueRescaled;
}

度量范围是由 MeasurementRange 类的实例表示：

public class MeasurementRange
{
  public double Min { get; set; }
  public double Max { get; set; }
  public double ValueRange()
  {
    return Max - Min;
  }
}

Generator 类有上述类型 (MeasurementRange) 的两个字段。它们分别对应于温度和湿度度量值：

private readonly MeasurementRange temperatureRange
  = new MeasurementRange() { Min = -20, Max = 60 };
private readonly MeasurementRange humidityRange
  = new MeasurementRange() { Min = 0, Max = 100 };

请注意，这些范围与之前在设备模板中指定的范围相同。

Generator 类使用 DeviceClient 和 CancellationToken 的实例。第一个用于发送遥测，而第二个则会中断无限遥测循环。DeviceClient 和 CancellationToken 的实际实例是通过 Generator 类构造函数进行传递：

private DeviceClient deviceClient;
private CancellationToken cancellationToken;
public Generator(DeviceClient deviceClient,
  CancellationToken cancellationToken)
{
  Check.IsNull(deviceClient);
  Check.IsNull(cancellationToken);
  this.deviceClient = deviceClient;
  this.cancellationToken = cancellationToken;
}

Check 类是静态帮助程序类，用于验证参数是否为 null（请参阅随附代码 Helpers/Check.cs）。

遥测数据是在 Generator 类的实例方法 TelemetryAction 中实现的 while 循环内生成并发送到云，如图 10**** 所示。

图 10：TelemetryAction 方法

public bool IsTelemetryActive { get; set; } = true;
private void TelemetryAction()
{
  while (!cancellationToken.IsCancellationRequested)
  {
    var telemetryData = new Data()
    {
      Temperature = GetRandomValue(temperatureRange),
      Humidity = GetRandomValue(humidityRange)
    };
    if (IsTelemetryActive)
    {
      deviceClient.SendEventAsync(telemetryData.ToMessage());
      Console.WriteLine($"Sending telemetry: {telemetryData}");
    }
    else
    {
      Console.WriteLine("Idle");
    }
      Task.Delay(delayTime).Wait();
  }
}

请注意，仅当 IsTelemetryActive 属性为 true 时，遥测才会发送到云。可使用 IoT Central 应用中的“设置”选项卡（图 4），对云终结点更改此属性。

TelemetryAction 是通过基于任务的异步模式在后台执行：

public Task Start()
{
  telemetryTask = new Task(TelemetryAction);
  telemetryTask.Start();
  return telemetryTask;
}

合并组合

在准备好 DeviceClientHelper 和 Generator 类后，我在 Program 类中合并使用了它们（请参阅随附代码中的 Program.cs）。我从实现静态 Program.Main 方法入手，如图 11**** 所示。

图 11：Program.Main 方法

private static CancellationTokenSource cancellationTokenSource
   = new CancellationTokenSource();
static void Main(string[] args)
{
  // Configure cancel key press handler (to stop the app)
  Console.CancelKeyPress += new ConsoleCancelEventHandler(
    CancelKeyPressHandler);
  // Connect to the cloud
  var deviceClient = DeviceClientHelper.Init();
  // Telemetry generator produces random temperature
  // and humidity, and then sends them both to the cloud
  var telemetryGenerator = new Generator(
    deviceClient, cancellationTokenSource.Token);
  // Associate handler to update device properties according to cloud requests
  deviceClient.SetDesiredPropertyUpdateCallbackAsync(
    PropertyUpdateCallback, telemetryGenerator).Wait();
  // Start telemetry
  telemetryGenerator.Start().Wait();
}

Program.Main 先将事件处理程序连接到 Console.CancelKeyPress 事件，以便（使用取消令牌）停止遥测循环并关闭应用：

private static void CancelKeyPressHandler(object sender,
  ConsoleCancelEventArgs e)
{
  if (e.SpecialKey == ConsoleSpecialKey.ControlC)
  {
    cancellationTokenSource.Cancel();
    Environment.Exit(0);
  }
}

接下来，Main 方法使用 DeviceClientHelper 的静态 Init 方法连接到 IoT 中心。Init 返回之后传递给 Generator 类构造函数的 DeviceClient 类实例。

DeviceClient 类实例的 SetDesiredPropertyUpdateCallbackAsync 方法现在用于设置，在操作员更改云终结点处设备设置时调用的回调。向此回调 PropertyUpdateCallback（见图 12）提供 Microsoft.Azure.Devices.Shared.TwinCollection 类实例。此对象表示设备设置集合。尤其是，类索引器可用于读取选定设置的值。可使用在云终结点处配置的字段名来标识特定设置。在图 12**** 中，我展示了如何读取 IsTelemetryActive 设置值，并用它来更新 Generator 类实例的相应属性。

图 12：PropertyUpdateCallback

private static readonly string telemetryActivePropertyName =
  "IsTelemetryActive";
private static readonly string propertyValue = "value";
private static Task PropertyUpdateCallback(
  TwinCollection desiredProperties, object userContext)
{
  if (desiredProperties.Contains(telemetryActivePropertyName))
  {
    var telemetryGenerator = userContext as Generator;
    telemetryGenerator.IsTelemetryActive =
      desiredProperties[telemetryActivePropertyName][propertyValue];
  }
  return Task.CompletedTask;
}

最后，Main 方法通过调用 Generator 类实例的 Start 方法来启动遥测。

必须执行客户端应用，才能测试它。如果连接字符串有效，应用便会连接到 IoT 中心，并开始流式传输遥测数据。合成的每个度量都会在控制台中打印输出，可以在云仪表板中看到这些度量值（回头参阅图 1）。还可以远程更改 IsTelemetryActive，以暂时禁用遥测。为此，请打开 Azure IoT Central 应用的“设置”选项卡并切换开关，再单击“更新”按钮。在这种情况下，客户端应用会打印输出“空闲”字符串，而不是实际遥测数据。

总结

在本文中，我介绍了如何使用 Azure IoT Central 快速创建 IoT 解决方案的功能齐全且采用新式外观的自定义 Web 应用。我还展示了如何创建设备模板，并用它来呈现遥测数据、设备位置和 KPI。然后，我开发了 C# 客户端应用，并连接它以将遥测数据流式传输到云中。最后，我介绍了如何响应通过 IoT Central 应用请求执行的设备设置更改。无需之前掌握任何云或 Web 编程知识，即可根据本文中的所有信息，快速开发 IoT 解决方案的新式 Web 仪表板。

Dawid Borycki**** 是软件工程师、生物医学研究员、作家和会议演讲者。他喜欢学习有关软件试验和原型设计的新技术。Borycki 是 Microsoft Press 出版的以下两本书籍的作者：《混合现实编程》（2018 年）和《物联网编程》（2017 年）。**

衷心感谢以下 Microsoft 技术专家对本文的审阅：Bruno Sonnino
Bruno Sonnino 是一名 Windows 开发 Microsoft MVP。他从事开发人员、顾问、作家和培训师工作已有 20 多年，并热衷于软件开发。

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