Entwickeln von IoT-Ressourcen- und -Geräten

In dieser Übersicht werden die wichtigsten Konzepte bei der Entwicklung von Ressourcen und Geräten vorgestellt, die eine Verbindung mit typischen Azure IoT-Lösungen herstellen. Jeder Abschnitt enthält Links zu Inhalten, die weitere Details und Anleitungen enthalten. In der Regel stellen Geräte eine direkte Verbindung mit cloudbasierten Diensten wie IoT Hub her, während Ressourcen eine Verbindung mit edgebasierten Diensten in Ihrer Umgebung herstellen, z. B. mit Azure IoT Einsatz. Dieser Artikel enthält Informationen zu Ressourcen und Geräten.

Edgebasierte Lösung

Das folgende Diagramm zeigt eine allgemeine Übersicht über die Komponenten in einer typischen edgebasierten IoT-Lösung. In diesem Artikel geht es hauptsächlich um die im Diagramm gezeigten Ressourcen und Connectors:

Ressourcen verfügen in der Regel über integrierte Firmware, die Standardprotokolle implementiert. So kann z. B. ein Roboterarm ein OPC UA-Client sein, und eine Sicherheitsvideokamera ONVIF implementieren. Azure IoT Einsatz bietet verschiedene Connectors, die diese Protokolle nutzen können, um mit Ressourcen zu kommunizieren und Nachrichten von diesen in MQTT-Nachrichten zu übersetzen. Einige Ressourcen können Nachrichten empfangen, mit denen Sie Vorgänge auf diesen Ressourcen ausführen können, z. B.:

• Schwenken oder Kippen einer Sicherheitskamera
• Ändern des Protokolliergrads für einen Roboterarm
• Initiieren eines Firmwareupdates

Sie können eigene, benutzerdefinierte Connectors erstellen, um eine Verbindung mit Ressourcen herzustellen, die Protokolle verwenden, die von Azure IoT Einsatz nicht nativ unterstützt werden.

Cloudbasierte Lösung

Das folgende Diagramm zeigt eine allgemeine Übersicht über die Komponenten in einer typischen cloudbasierten IoT-Lösung. In diesem Artikel geht es hauptsächlich um die im Diagramm gezeigten Geräte und das Gateway:

In Azure IoT schreibt ein Geräteentwickler den Code, der auf den Geräten in der Lösung ausgeführt werden soll. Dieser Code macht typischerweise Folgendes:

• Stellt eine sichere Verbindung mit einem Cloud-Endpunkt her.
• Sendet Telemetriedaten, die von angefügten Sensoren gesammelt wurden, an die Cloud.
• Verwaltet den Gerätestatus und synchronisiert diesen Status mit der Cloud.
• Antwortet auf Befehle, die aus der Cloud gesendet werden.
• Ermöglicht die Installation von Software-Updates aus der Cloud.
• Ermöglicht es dem Gerät, weiterhin zu funktionieren, während es von der Cloud getrennt ist.

Ressourcen- und Gerätetypen

Eine IoT-Lösung kann viele Typen von Ressourcen und Geräten enthalten. In der Regel enthalten cloudbasierte Lösungen eher Geräte und edgebasierte Lösungen hauptsächlich Ressourcen. Es ist auch möglich, über hybride Lösungen zu verwenden, die sowohl Geräte als auch Ressourcen umfasst.

Edgebasierte Lösung

Beispiele für Ressourcen in einer edgebasierten Lösung:

• Roboterarme, Förderbänder und Aufzüge
• Industrielle CNC-Maschinen, Drehmaschinen, Sägen und Bohrer
• Medizinische Geräte für bildgebende Diagnoseverfahren
• Sicherheitsvideokameras
• Software oder Softwarekomponenten
• Programmierbare Logikcontroller

Diese Ressourcen verfügen in der Regel über integrierte Firmware, die Standardprotokolle implementiert. So kann z. B. ein Roboterarm ein OPC UA-Client sein, und eine Sicherheitsvideokamera das ONVIF-Protokoll implementieren. In einer edgebasierten Lösung verwenden Sie spezielle Connectors, um eine Verbindung mit Ressourcen herzustellen und Nachrichten von diesen in ein gemeinsames Format zu übersetzen.

Für Ressourcen gibt es keine direkte Entsprechung für die Geräteentwicklerrolle. Stattdessen können die Connectors von Operatoren so konfiguriert werden, dass eine Verbindung mit den Ressourcen hergestellt wird. Möglicherweise müssen Sie jedoch benutzerdefinierte Connectors entwickeln, um eine Verbindung mit Ressourcen herzustellen, die Protokolle verwenden, die von Ihrer edgebasierten Lösung nicht nativ unterstützt werden.

Cloudbasierte Lösung

Beispiele für Geräte in einer cloudbasierten Lösung:

• Ein Drucksensor einer Ölpumpe an einem entfernten Ort
• Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren in einer Klimaanlage
• Ein Beschleunigungsmesser in einem Fahrstuhl
• Präsenzmelder in einem Raum

Diese Geräte werden in der Regel mit Mikrocontrollern (MCUs) oder Mikroprozessoren (MPUs) erstellt:

• Mikrocontroller sind kostengünstiger und einfacher zu verwenden als Mikroprozessoren.
• Ein Mikrocontroller enthält viele Funktionen, z. B. Arbeitsspeicher, Schnittstellen und E/A, direkt auf dem Chip. Ein Mikroprozessor greift auf diese Funktionalität von Komponenten in unterstützenden Chips zu.
• Ein Mikrocontroller verwendet häufig ein Echtzeitbetriebssystem (Real-Time OS, RTOS) oder kein Betriebssystem (Bare Metal) und stellt Echtzeitantworten und hochgradig deterministische Reaktionen auf externe Ereignisse bereit. Auf dem Mikroprozessor wird ein universelles Betriebssystem ausgeführt, z. B. Windows, Linux oder macOS, das eine nicht deterministische Echtzeitantwort bereitstellt. In der Regel ist der Zeitpunkt, zu dem eine Aufgabe abgeschlossen wird, nicht garantiert.

Beispiele für spezialisierte Hardware und Betriebssysteme sind:

Windows für IoT ist eine eingebettete Version von Windows für Mikroprozessoren mit Cloud-Konnektivität, mit der Sie sichere Geräte mit einfacher Bereitstellung und Verwaltung erstellen können.

Eclipse ThreadX ist ein Echtzeitbetriebssystem für IoT- und Edge-Geräte, die von Mikrocontrollern unterstützt werden. Eclipse ThreadX ist für die Unterstützung von stark eingeschränkten Geräten vorgesehen, die mit einem Akku betrieben werden und über weniger als 64 KB Flashspeicher verfügen.

FreeRTOS ist ein Echtzeitbetriebssystem (Real-Time Operating System, RTOS) für eingebettete Geräte. Sie können FreeRTOS mit der Azure IoT Middleware für FreeRTOS verwenden, um Geräte mit Azure IoT zu verbinden. Eine Übersicht über RTOS-Optionen für die Geräteentwicklung finden Sie unter Anwendungsszenarien für C SDK und Embedded C SDK.

Azure Sphere (integriert) ist eine sichere, allgemeine Anwendungsplattform mit integrierten Kommunikations- und Sicherheitsfeatures für mit dem Internet verbundene Geräte. Es umfasst einen geschützten, verbundenen Crossover-Mikrocontroller, ein benutzerdefiniertes, allgemeines Linux-basiertes Betriebssystem sowie einen cloudbasierten Sicherheitsdienst, der für kontinuierliche und erneuerbare Sicherheit sorgt.

Primitive Typen für Geräte

Bei der Geräteentwicklung werden in der Regel die folgenden primitiven Typen für die Interaktion mit der Cloud im Gerätecode implementiert:

• Gerät-zu-Cloud-Nachrichten zum Senden von Zeitreihen-Telemetriedaten an die Cloud. Beispielsweise Temperaturdaten, die von einem Sensor erfasst werden, der an das Gerät angeschlossen ist.
• Datei-Uploads für Mediendateien, z. B. erfasste Bilder und Videos. Zeitweilig verbundene Geräte können Telemetrie-Batches senden. Geräte können Uploads komprimieren, um Bandbreite zu sparen.
• Gerätezwillinge zum Freigeben und Synchronisieren von Statusdaten mit der Cloud. Beispielsweise kann ein Gerät den Gerätezwilling verwenden, um den aktuellen Status eines von ihm gesteuerten Ventils an die Cloud zu melden und eine gewünschte Zieltemperatur von der Cloud zu empfangen.
• Digitale Zwillinge zum Darstellen eines Geräts in der digitalen Welt. Beispielsweise kann ein digitaler Zwilling den physischen Standort eines Geräts, seine Funktionen und seine Beziehungen zu anderen Geräten darstellen.
• Direkte Methoden zum Empfangen von Befehlen aus der Cloud. Eine direkte Methode kann Parameter enthalten und eine Antwort zurückgeben. Beispielsweise kann die Cloud eine direkte Methode aufrufen, um den Neustart des Geräts in 30 Sekunden anzufordern.
• Cloud-zu-Gerät-Nachrichten zum Empfangen von unidirektionalen Benachrichtigungen aus der Cloud. Beispielsweise eine Benachrichtigung, dass ein Update zum Herunterladen bereit ist.

Weitere Informationen finden Sie unter Leitfaden zur Gerät-zu-Cloud-Kommunikation und Leitfaden zur Cloud-zu-Gerät-Kommunikation.

SDKs und Bibliotheken

Die Geräte-SDKs bieten allgemeine Abstraktionen, mit denen Sie die Primitiven ohne Kenntnisse der zugrunde liegenden Kommunikationsprotokolle verwenden können. Die Geräte-SDKs handhaben auch die Details zum Herstellen einer sicheren Verbindung mit der Cloud und zur Authentifizierung des Geräts.

Für Mikroprozessorgeräte sind Geräte-SDKs für die folgenden Sprachen verfügbar:

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

Informationen zu Mikrocontrollergeräten finden Sie unter:

• Eclipse ThreadX
• FreeRTOS-Middleware
• Azure SDK für Embedded C

Beispiele und Anleitungen

Alle Geräte-SDKs enthalten Beispiele, die veranschaulichen, wie Sie das SDK verwenden, um eine Verbindung mit der Cloud herzustellen, Telemetriedaten zu senden und die anderen Primitiven zu nutzen.

Die Website für die IoT-Geräteentwicklung enthält Tutorials und Schrittanleitungen, die Ihnen zeigen, wie Sie Code für eine Reihe von Gerätetypen und Szenarien implementieren.

Weitere Beispiele finden Sie im Code-Beispiel-Browser.

Geräteentwicklung ohne ein Geräte-SDK

Es wird zwar empfohlen, eines der Geräte-SDKs zu verwenden, es kann jedoch auch Szenarien geben, in denen Sie dies besser nicht tun sollten. In diesen Szenarien muss Ihr Geräte-Code direkt eines der Kommunikationsprotokolle verwenden, die IoT Hub und der Device Provisioning Service (DPS) unterstützen.

Weitere Informationen finden Sie unter

• Direktes Verwenden des Protokolls MQTT (als Gerät)
• Direktes Verwenden des AMQP-Protokolls (als Gerät)

Modellierung und Schemas

Geräte- und Objektmodelle definieren die Daten, die Geräte und Ressourcen mit der Cloud austauschen können. Modelle ermöglichen verschiedene Low-Code- oder No-Code-Szenarien für die Integration Ihrer Geräte und Ressourcen in Ihre IoT-Lösung.

Edgebasierte Lösung

In einer edgebasierten Lösung konfigurieren Operatoren Connectors für die Verbindung mit Ressourcen. Diese Konfiguration umfasst eine Zuordnung zwischen den Daten der Ressource und einem Cloudschema. Beispielsweise ermöglicht der OPC UA-Connector Operatoren die Zuordnung von OPC UA-Knoten-IDs zu Tags und Ereignissen in einer JSON-Nachricht, die mit dem MQTT-Broker ausgetauscht wird. Der folgende Screenshot zeigt ein Beispiel für die Webbenutzeroberfläche für digitale Vorgänge, die zwei solche Zuordnungen für eine Ressource definiert:

An anderer Stelle in der Lösung können Operatoren direkt auf die Tags Temperature und Tag 10 verweisen, ohne Details der OPC UA-Knoten-IDs kennen zu müssen.

Cloudbasierte Lösung

In einer cloudbasierten Lösung ermöglicht IoT Plug & Play, bei der Lösungsentwicklung IoT-Geräte ohne manuelle Konfiguration in eine Lösungen zu integrieren. Das Herzstück von IoT Plug & Play ist ein Gerätemodell, mit dessen Hilfe ein Gerät einer IoT Plug & Play-fähigen Anwendung (z. B. IoT Central) seine Funktionen verfügbar macht. Dieses Modell ist als ein Satz von Elementen strukturiert, die Folgendes definieren:

• Eigenschaften, die den schreibgeschützten oder schreibbaren Status eines Geräts oder einer anderen Entität darstellen. Beispielsweise kann eine Geräteseriennummer eine schreibgeschützte Eigenschaft sein und die Zieltemperatur eines Thermostats eine schreibbare Eigenschaft.
• Telemetriedaten, d. h. die von einem Gerät ausgegebenen Daten – unabhängig davon, ob es sich bei den Daten um einen regulären Datenstrom von Sensormesswerten, einen gelegentlichen Fehler oder eine Informationsmeldung handelt.
• Befehle, die eine Funktion oder einen Vorgang beschreiben, die bzw. der auf einem Gerät ausgeführt werden kann. Durch einen Befehl kann beispielsweise ein Gateway neu gestartet oder ein Foto mit einer Remotekamera aufgenommen werden.

Sie können diese Elemente in Schnittstellen zur modellübergreifenden Wiederverwendung gruppieren, um die Zusammenarbeit zu vereinfachen und die Entwicklung zu beschleunigen.

Das Modell wird mithilfe der Digital Twins Definition Language (DTDL) angegeben.

Die Verwendung von IoT Plug & Play, Modellierung und DTDL ist optional. Sie können die IoT-Geräte-Primitiven ohne IoT Plug & Play oder Modellierung verwenden. Der Azure Digital Twins-Dienst verwendet auch DTDL-Modelle, um Zwillingsgraphen basierend auf digitalen Modellen von Umgebungen wie Gebäuden oder Fabriken zu erstellen.

Wenn Sie als Geräteentwickler ein IoT Plug & Play-Gerät implementieren, müssen eine Reihe von Konventionen befolgt werden. Diese Konventionen bieten eine Standardmethode zum Implementieren des Gerätemodells im Code mithilfe der in den Geräte-SDKs verfügbaren Primitiven.

Weitere Informationen finden Sie unter:

• Was ist IoT Plug & Play?
• Leitfaden: Modellierung mit IoT Plug & Play

Containerisierung

Die Containerisierung ist eine Möglichkeit zum Packen und Ausführen Ihres Codes in einer schlanken, isolierten Umgebung. Container sind portierbar und können auf jeder Plattform ausgeführt werden, die die Containerruntime unterstützt. Container bieten eine gute Möglichkeit zum Packen und Bereitstellen Ihres Codes, da sie eine konsistente Laufzeitumgebung für Ihren Code bereitstellen. Die Laufzeitumgebung enthält in der Regel die Dienste, Bibliotheken und Pakete, die für die Ausführung Ihres Codes erforderlich sind.

Edgebasierte Lösung

Azure IoT Einsatz containerisiert alle Connectors, Broker und anderen Komponenten, die am Edge ausgeführt werden. Azure IoT Einsatz stellt einen Kubernetes-Cluster bereit, bei dem es sich um eine Plattform zur Containerorchestrierung handelt. Stellen Sie benutzerdefinierte Connectors oder andere Komponenten bereit, die Sie im Kubernetes-Cluster erstellen.

Sie können sich eine Lösung ansehen, die Azure IoT Edge als edgebasiertes Gateway mit IoT Hub als Hybridlösung verwendet, die Elemente von edgebasierten und cloudbasierten Lösungen enthält.

Cloudbasierte Lösung

Durch die Ausführung von Geräte-Code mithilfe von Containern, z. B. Docker, können Sie Code auf Ihren Geräten bereitstellen, indem Sie die Funktionen der Containerinfrastruktur verwenden. Mit Containern können Sie auch eine Laufzeitumgebung für Ihren Code definieren, in der alle erforderlichen Bibliotheks- und Paketversionen installiert sind. Container erleichtern die Bereitstellung von Updates und das Verwalten des Lebenszyklus Ihrer IoT-Geräte.

Azure IoT Edge führt Geräte-Code in Containern aus. Sie können Azure IoT Edge verwenden, um Code-Module auf Ihren Geräten bereitzustellen. Weitere Informationen finden Sie unter Entwickeln Ihrer eigenen IoT Edge-Module.

Tipp

Azure IoT Edge ermöglicht mehrere Szenarien. Zusätzlich zum Ausführen Ihres IoT-Geräte-Codes in Containern können Sie Azure IoT Edge verwenden, um Azure-Dienste auf Ihren Geräten auszuführen und Bereichs-Gateways zu implementieren. Weitere Informationen finden Sie unter Was ist Azure IoT Edge?

Tools für die Geräteentwicklung

In der folgenden Tabelle sind einige der verfügbaren Tools für die Entwicklung von IoT-Geräten aufgeführt:

Tool	BESCHREIBUNG
Azure IoT Hub (VS Code-Erweiterung)	Mit dieser VS Code-Erweiterung können Sie Ihre IoT Hub-Ressourcen und Geräte in VS Code verwalten.
Azure IoT-Explorer	Mit diesem plattformübergreifenden Tool können Sie Ihre IoT Hub-Ressourcen und Geräte über eine Desktop-Anwendung verwalten.
Azure IoT-Erweiterung für die Azure CLI	Diese CLI-Erweiterung enthält Befehle wie az iot device simulate, az iot device c2d-message und az iot hub monitor-events, mit denen Sie Interaktionen mit Geräten testen können.