Разработка активов и устройств Интернета вещей

В этом обзоре представлены основные понятия разработки ресурсов и устройств, которые подключаются к типичным решениям Интернета вещей Azure. Каждый раздел содержит ссылки на содержимое, которое содержит дополнительные сведения и рекомендации. Как правило, устройства подключаются непосредственно к облачным службам, таким как Центр Интернета вещей, а ресурсы подключаются к пограничным службам в вашей среде, например Azure IoT Operations. В этой статье содержатся сведения о ресурсах и устройствах.

Решение на основе пограничных вычислений

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

Ресурсы обычно имеют встроенные 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:

• Сдвига или наклон камеры безопасности.
• Измените уровень ведения журнала 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 ресурсов и устройств

Решение Интернета вещей может содержать множество типов ресурсов и устройств. Обычно устройства находятся в облачных решениях и ресурсах в пограничных решениях. Также можно использовать гибридные решения, содержащие как устройства, так и ресурсы.

Решение на основе пограничных вычислений

Примеры ресурсов в пограничном решении:

• Роботизированные руки, конвейерные пояса и лифты.
• Промышленные машины CNC, отложенные, пилы и детализации.
• Медицинские диагностические компьютеры для визуализации.
• Камеры безопасности.
• Компоненты программного обеспечения или программного обеспечения
• 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 пограничном решении вы используете специализированные соединители для подключения к этим ресурсам и перевода сообщений из них в общий формат.

Для ресурсов 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 собственным решением на основе пограничных вычислений.

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 обращается к этой функции из компонентов в поддержке микросхем.
• MCU часто использует ОС в режиме реального времени или работает без операционной системы (без ОС) и предоставляет ответы в режиме реального времени и высоко 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 нет гарантии того, что задача завершится.

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 в режиме реального времени для устройств Интернета вещей и пограничных устройств, работающих на основе MCUs. 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 ПО промежуточного слоя Интернета вещей Azure для FreeRTOS для подключения устройств к Azure IoT. Общие сведения о вариантах ОСРВ для разработки устройств см . в сценариях использования пакета SDK для C и внедренного 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 из устройства в облако для отправки телеметрии временных рядов в облако. Например, данные температуры, собранные с датчика, подключенного к устройству.
• Отправка файлов для файлов мультимедиа, таких как захваченные изображения и видео. Периодически подключенные устройства могут отправлять пакеты телеметрии. Устройства могут сжимать передачи для сохранения пропускной способности.
• Двойники устройств для совместного использования и синхронизации данных состояния с облаком. Например, устройство может использовать двойник устройства, чтобы сообщить о текущем состоянии клапана, который он управляет облаком, и получить нужную 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 в руководстве по обмену данными между 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 для устройств устройств доступны на следующих языках:

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

Для устройств MCU см. следующие сведения:

• Eclipse ThreadX
• ПО промежуточного слоя 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.

Дополнительные примеры можно найти в браузере кода.

Разработка устройств без пакета SDK для устройств

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

Дополнительные сведения см. в разделе:

• Использование протокола MQTT напрямую (как устройство)
• 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 пограничных вычислений

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

В другом месте решения оператор может обращаться непосредственно к тегам Temperature и Tag 10 без необходимости знать сведения об идентификаторах узла OPC UA.

Облачное решение

В облачном решении IoT самонастраивающийся позволяет разработчикам решений интегрировать устройства Интернета вещей с их решениями без настройки вручную. В основе самонастраивающийся Интернета вещей — это модель устройства, которая используется устройством для объявления его возможностей в приложении с поддержкой Интернета вещей самонастраивающийся, 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 (DTDL).

Использование IoT самонастраивающийся, моделирования и DTDL является необязательным. Примитивы устройств Интернета вещей можно использовать без использования самонастраивающийся Интернета вещей 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 устройства самонастраивающийся устройства Интернета вещей существует набор 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 Самонастраивающийся Интернета вещей?
• Руководство моделирования IoT Plug and Play

Контейнеризация

Контейнеризация — это способ упаковки и запуска кода в упрощенной изолированной среде. Контейнеры переносятся и могут выполняться на любой платформе, поддерживающей среду выполнения контейнера. 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 пограничных вычислений

Операции Интернета вещей Azure контейнеризуют все свои соединители, брокеры и другие компоненты, которые выполняются на пограничном сервере. 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 пограничного шлюза для Центр Интернета вещей в качестве гибридного решения, включающее элементы как пограничных, так и облачных решений.

Облачное решение

При использовании контейнеров, таких как в Docker, для запуска кода устройства можно развернуть код на устройствах с помощью возможностей 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. Azure IoT Edge можно использовать 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, 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:

Средство	Description
Центр Интернета вещей Azure (расширение VS Code)	Это расширение VS Code позволяет управлять ресурсами и устройствами Центр Интернета вещей из VS Code.
Обозреватель Интернета вещей Azure	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.