تطوير أصول وأجهزة IoT

يوضح الرسم التخطيطي التالي طريقة عرض عالية المستوى للمكونات في حل IoT نموذجي قائم على الحافة. تركز هذه المقالة على الأصول والموصلات الموضحة في الرسم التخطيطي:

تحتوي الأصول عادة على برامج ثابتة مضمنة تنفذ بروتوكولات قياسية. على سبيل المثال، قد يكون الذراع الروبوتي عميل OPC UA وقد تقوم كاميرا فيديو الأمان بتنفيذ ONVIF. تتضمن عمليات Azure IoT موصلات مختلفة يمكنها استخدام هذه البروتوكولات للتواصل مع الأصول وترجمة الرسائل من الأصول إلى رسائل MQTT. يمكن أن تتلقى بعض الأصول رسائل تمكنك من تنفيذ عمليات عليها مثل:

• تحريك كاميرا أمان أو إمالتها.
• تغيير مستوى التسجيل على ذراع آلية.
• بدء تحديث البرنامج الثابت.

يمكنك إنشاء موصلات مخصصة خاصة بك للاتصال بالأصول التي تستخدم بروتوكولات غير مدعومة أصلا من قبل عمليات Azure IoT.

يوضح الرسم التخطيطي التالي طريقة عرض عالية المستوى للمكونات في حل IoT نموذجي قائم على السحابة. تركز هذه المقالة على الأجهزة والبوابة الموضحة في الرسم التخطيطي:

في Azure IoT، يكتب مطور الجهاز التعليمات البرمجية لتشغيلها على الأجهزة في الحل. عادة ما تكون هذه التعليمة البرمجية:

• إنشاء اتصال آمن بنقطة نهاية سحابية.
• يرسل بيانات تتبع الاستخدام التي تم جمعها من أدوات الاستشعار المرفقة إلى السحابة.
• إدارة حالة الجهاز ومزامنة هذه الحالة مع السحابة.
• يستجيب للأوامر المرسلة من السحابة.
• تمكين تثبيت تحديثات البرامج من السحابة.
• تمكين الجهاز من الاستمرار في العمل أثناء قطع الاتصال بالسحابة.

تتضمن أصول المثال في حل قائم على الحافة ما يلي:

• الأسلحة الروبوتية والأحزمة الناقلة والمصاعد.
• آلات CNC الصناعية والمخربلات والمناشير والحفر.
• أجهزة التصوير التشخيصية الطبية.
• كاميرات فيديو الأمان.
• مكونات البرامج أو البرامج
• وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة.

تحتوي هذه الأصول عادة على برامج ثابتة مضمنة تنفذ بروتوكولات قياسية. على سبيل المثال، قد يكون الذراع الروبوتي عميل OPC UA وقد تنفذ كاميرا فيديو الأمان بروتوكول ONVIF. في حل قائم على الحافة، يمكنك استخدام موصلات متخصصة للاتصال بهذه الأصول وترجمة الرسائل منها إلى تنسيق مشترك.

بالنسبة للأصول، لا يوجد مكافئ مباشر لدور مطور الجهاز. بدلا من ذلك، يمكن للمشغل تكوين الموصلات للاتصال بالأصول. ومع ذلك، قد تحتاج إلى تطوير موصلات مخصصة للاتصال بالأصول التي تستخدم بروتوكولات غير مدعومة أصلا من قبل الحل المستند إلى الحافة.

تتضمن أمثلة الأجهزة في الحل المستند إلى السحابة ما يلي:

• مستشعر ضغط على مضخة زيت عن بعد.
• أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة في وحدة تكييف هواء.
• مقياس تسارع في مصعد.
• أجهزة استشعار التواجد في غرفة.

عادة ما يتم إنشاء هذه الأجهزة باستخدام متحكمات دقيقة (MCUs) أو معالجات دقيقة (MPUs):

• وحدات MCUs أقل تكلفة وأبسط للعمل من وحدات MPUs.
• يحتوي MCU على العديد من الوظائف، مثل الذاكرة والواجهات والإدراق/الإخراج على الشريحة نفسها. يصل MPU إلى هذه الوظيفة من المكونات في رقائق الدعم.
• غالبا ما يستخدم MCU نظام تشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS) أو يعمل بنظام تشغيل بلا نظام تشغيل (بدون نظام تشغيل) ويوفر استجابات في الوقت الحقيقي وردود فعل حتمية للغاية للأحداث الخارجية. تشغل وحدات MPUs بشكل عام نظام تشغيل للأغراض العامة، مثل Windows أو Linux أو macOS الذي يوفر استجابة غير محددة في الوقت الفعلي. لا يوجد عادة ما يضمن متى ستكتمل المهمة.

تتضمن أمثلة الأجهزة وأنظمة التشغيل المتخصصة ما يلي:

Windows for IoT هو إصدار مضمن من Windows لوحدات MPUs مع اتصال سحابي يتيح لك إنشاء أجهزة آمنة مع توفير وإدارة سهلة.

Eclipse ThreadX هو نظام تشغيل في الوقت الحقيقي ل IoT وأجهزة الحافة التي تعمل بوحدات MCUs. تم تصميم Eclipse ThreadX لدعم الأجهزة المقيدة للغاية التي تعمل بالبطارية والتي تحتوي على أقل من 64 كيلوبايت من الذاكرة الفلاشة.

FreeRTOS هو نظام تشغيل في الوقت الحقيقي للأجهزة المضمنة. يمكنك استخدام FreeRTOS مع Azure IoT Middleware ل FreeRTOS لتوصيل الأجهزة ب Azure IoT. للحصول على نظرة عامة على خيارات RTOS لتطوير الجهاز، راجع سيناريوهات استخدام C SDK وC SDK المضمنة.

Azure Sphere (متكامل) هو نظام أساسي آمن وعالي المستوى للتطبيق مع ميزات اتصال وأمان مدمجة للأجهزة المتصلة بالإنترنت. وهو يتألف من وحدة تحكم مركزية آمنة ومتصلة ومتداخلة، ونظام تشغيل مخصص عالي المستوى يستند إلى Linux، وخدمة أمان مستندة إلى السحابة توفر أمانا مستمرا ومتجددا.

بدائيات الجهاز

يقوم مطور الجهاز عادة بتنفيذ البدائيات التالية في التعليمات البرمجية للجهاز للتفاعل مع السحابة:

• رسائل من جهاز إلى سحابة لإرسال بيانات تتبع الاستخدام للسلسلة الزمنية إلى السحابة. على سبيل المثال، بيانات درجة الحرارة التي تم جمعها من أداة استشعار متصلة بالجهاز.
• تحميلات الملفات لملفات الوسائط مثل الصور الملتقطة والفيديو. يمكن للأجهزة المتصلة بشكل متقطع إرسال دفعات بيانات تتبع الاستخدام. يمكن للأجهزة ضغط التحميلات لحفظ النطاق الترددي.
• توائم الجهاز لمشاركة بيانات الحالة ومزامنتها مع السحابة. على سبيل المثال، يمكن للجهاز استخدام توأم الجهاز للإبلاغ عن الحالة الحالية للم صمام يتحكم فيه إلى السحابة ولاستلام درجة الحرارة المستهدفة المطلوبة من السحابة.
• التوائم الرقمية لتمثيل جهاز في العالم الرقمي. على سبيل المثال، يمكن أن يمثل التوأم الرقمي الموقع الفعلي للجهاز وقدراته وعلاقاته مع الأجهزة الأخرى.
• أساليب مباشرة لتلقي الأوامر من السحابة. يمكن أن يكون للأسلوب المباشر معلمات وإرجاع استجابة. على سبيل المثال، يمكن للسحابة استدعاء أسلوب مباشر لطلب إعادة تشغيل الجهاز في 30 ثانية.
• رسائل من السحابة إلى الجهاز لتلقي إعلامات أحادية الاتجاه من السحابة. على سبيل المثال، إعلام بأن التحديث جاهز للتنزيل.

لمعرفة المزيد، راجع إرشادات الاتصالات من جهاز إلى سحابة وإرشادات الاتصالات من السحابة إلى الجهاز.

SDKs والمكتبات

توفر SDKs للجهاز تجريدات عالية المستوى تتيح لك استخدام البدائيات دون معرفة بروتوكولات الاتصالات الأساسية. تتعامل SDKs للجهاز أيضا مع تفاصيل إنشاء اتصال آمن بالسحابة ومصادقة الجهاز.

بالنسبة لأجهزة MPU، تتوفر حزم SDK للجهاز للغات التالية:

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

بالنسبة لأجهزة MCU، راجع:

• Eclipse ThreadX
• البرنامج الوسيط FreeRTOS
• Azure SDK ل Embedded C

عينات وإرشادات

تتضمن جميع SDKs للجهاز عينات توضح كيفية استخدام SDK للاتصال بالسحابة وإرسال القياس عن بعد واستخدام البدائيات الأخرى.

يتضمن موقع تطوير جهاز IoT برامج تعليمية وإرشادات إرشادية توضح لك كيفية تنفيذ التعليمات البرمجية لمجموعة من أنواع الأجهزة والسيناريوهات.

يمكنك العثور على المزيد من العينات في متصفح نموذج التعليمات البرمجية.

تطوير الجهاز بدون SDK لجهاز

على الرغم من أنه يوصى باستخدام أحد SDKS للجهاز، فقد تكون هناك سيناريوهات تفضل عدم استخدامها. في هذه السيناريوهات، يجب أن تستخدم التعليمات البرمجية لجهازك مباشرة أحد بروتوكولات الاتصال التي يدعمها IoT Hub وخدمة توفير الأجهزة (DPS).

لمزيد من المعلومات، راجع:

• استخدام بروتوكول MQTT مباشرة (كجهاز)
• استخدام بروتوكول AMQP مباشرة (كجهاز)

في حل قائم على الحافة، يقوم عامل التشغيل بتكوين الموصلات للاتصال بالأصول. يتضمن هذا التكوين تعيينا بين بيانات الأصل ومخطط السحابة. على سبيل المثال، يتيح موصل OPC UA للمشغل تعيين معرفات عقدة OPC UA للعلامات والأحداث في رسالة JSON المتبادلة مع وسيط MQTT. تظهر لقطة الشاشة التالية مثالا في واجهة مستخدم الويب لتجربة العمليات الرقمية التي تحدد تعيينين من هذا القبيل لأحد الأصول:

في مكان آخر في الحل، يمكن للمشغل الرجوع مباشرة إلى علامات Temperature و Tag 10 دون الحاجة إلى معرفة تفاصيل معرفات عقدة OPC UA.

في الحل المستند إلى السحابة، يتيح IoT أجهزة التوصيل و التشغيل لمنشئي الحلول دمج أجهزة IoT مع حلولهم دون أي تكوين يدوي. في جوهر أجهزة التوصيل و التشغيل IoT، هو نموذج جهاز يستخدمه الجهاز للإعلان عن قدراته لتطبيق IoT الممكن أجهزة التوصيل و التشغيل مثل IoT Central. يتم تنظيم هذا النموذج على أنه مجموعة من العناصر التي تحدد:

• الخصائص التي تمثل حالة القراءة فقط أو القابلة للكتابة لجهاز أو كيان آخر. على سبيل المثال، قد يكون الرقم التسلسلي للجهاز خاصية للقراءة فقط وقد تكون درجة حرارة الهدف على منظم الحرارة خاصية قابلة للكتابة.
• بيانات تتبع الاستخدام هي البيانات المنبعثة من الجهاز، سواء كانت البيانات عبارة عن دفق منتظم من قراءات المستشعر، أو خطأ عرضي، أو رسالة معلومات.
• الأوامر التي تصف وظيفة أو عملية يمكن إجراؤها على جهاز. على سبيل المثال، يمكن للأمر إعادة تشغيل بوابة أو التقاط صورة باستخدام كاميرا بعيدة.

يمكنك تجميع هذه العناصر في واجهات لإعادة استخدامها عبر النماذج لتسهيل التعاون وتسريع التطوير.

يتم تحديد النموذج باستخدام لغة تعريف التوائم الرقمية (DTDL).

استخدام أجهزة التوصيل و التشغيل IoT والنمذجة وDTDL اختياري. يمكنك استخدام البدائيات لجهاز IoT دون استخدام أجهزة التوصيل و التشغيل IoT أو النمذجة. تستخدم خدمة Azure Digital Twins أيضا نماذج DTDL لإنشاء رسوم بيانية مزدوجة استنادا إلى نماذج رقمية للبيئات مثل المباني أو المصانع.

كمطور جهاز، عند تنفيذ جهاز IoT أجهزة التوصيل و التشغيل هناك مجموعة من الاصطلاحات التي يجب اتباعها. توفر هذه الاصطلاحات طريقة قياسية لتنفيذ نموذج الجهاز في التعليمات البرمجية باستخدام البدائيات المتوفرة في حزم SDK للجهاز.

لمعرفة المزيد، راجع:

• ما المقصود ب IoT أجهزة التوصيل و التشغيل؟
• دليل نمذجة أجهزة التوصيل و التشغيل IoT

تقوم عمليات Azure IoT بتعبئة جميع الموصلات والسماسرة والمكونات الأخرى التي تعمل على الحافة. يتم نشر عمليات Azure IoT إلى مجموعة Kubernetes، وهي نظام أساسي لتنسيق الحاوية. نشر أي موصلات مخصصة أو مكونات أخرى تقوم بإنشائها إلى مجموعة Kubernetes.

يمكنك عرض حل يستخدم Azure IoT Edge كبوابة مستندة إلى الحافة إلى IoT Hub كحل مختلط يتضمن عناصر من كل من الحلول المستندة إلى الحافة والقائمة على السحابة.

إذا كنت تستخدم حاويات، كما هو الحال في Docker، لتشغيل التعليمات البرمجية لجهازك، يمكنك نشر التعليمات البرمجية على أجهزتك باستخدام قدرات البنية الأساسية للحاوية. تتيح لك الحاويات أيضا تحديد بيئة وقت التشغيل للتعليمات البرمجية الخاصة بك مع تثبيت جميع إصدارات المكتبة والحزمة المطلوبة. تسهل الحاويات نشر التحديثات وإدارة دورة حياة أجهزة IoT الخاصة بك.

يقوم Azure IoT Edge بتشغيل رمز الجهاز في حاويات. يمكنك استخدام Azure IoT Edge لنشر وحدات التعليمات البرمجية على أجهزتك. لمعرفة المزيد، راجع تطوير وحدات IoT Edge الخاصة بك.