IoT-eszköz- és eszközfejlesztés

Az alábbi ábra egy tipikus élalapú IoT-megoldás összetevőinek magas szintű nézetét mutatja be. Ez a cikk a diagramon látható eszközökre és összekötőkre összpontosít:

Az eszközök általában beépített belső vezérlőprogrammal rendelkeznek, amely szabványos protokollokat implementál. Egy robotkar lehet például OPC UA-ügyfél, és egy biztonsági videokamera implementálhatja az ONVIF-et. Az Azure IoT Operations különböző összekötőket tartalmaz, amelyek ezen protokollok használatával kommunikálhatnak az eszközökkel, és MQTT-üzenetekké alakíthatják az eszközökről érkező üzeneteket. Egyes objektumok olyan üzeneteket fogadhatnak, amelyek lehetővé teszik a műveletek végrehajtását rajtuk, például:

• Biztonsági kamera pásztázása vagy billentése.
• Módosítsa a naplózási szintet egy robotkaron.
• Belső vezérlőprogram-frissítés kezdeményezése.

Létrehozhat saját, egyéni összekötőket az Azure IoT Operations által natív módon nem támogatott protokollokat használó eszközökhöz való csatlakozáshoz.

Az alábbi ábra egy tipikus felhőalapú IoT-megoldás összetevőinek magas szintű nézetét mutatja be. Ez a cikk a diagramon látható eszközökre és átjárókra összpontosít:

Az Azure IoT-ben egy eszközfejlesztő megírja a kódot a megoldásban lévő eszközökön való futtatáshoz. Ez a kód általában a következő:

• Biztonságos kapcsolatot hoz létre egy felhővégponttal.
• A csatlakoztatott érzékelőkről gyűjtött telemetriát küld a felhőbe.
• Kezeli az eszköz állapotát, és szinkronizálja azt a felhővel.
• Válaszol a felhőből küldött parancsokra.
• Lehetővé teszi a szoftverfrissítések telepítését a felhőből.
• Lehetővé teszi, hogy az eszköz továbbra is működjön, miközben leválasztja a felhőről.

Peremhálózat-alapú megoldások például a következők:

• Robotkarok, futószalagok és liftek.
• Ipari CNC gépek, esztergák, fűrészek és fúrók.
• Orvosi diagnosztikai képalkotó gépek.
• Biztonsági videokamerák.
• Szoftver- vagy szoftverösszetevők
• Programozható logikai vezérlők.

Ezek az eszközök általában beépített belső vezérlőprogrammal rendelkeznek, amely szabványos protokollokat implementál. Egy robotkar lehet például OPC UA-ügyfél, és egy biztonsági videokamera implementálhatja az ONVIF protokollt. Egy peremhálózati megoldásban speciális összekötőkkel csatlakozhat ezekhez az objektumokhoz, és az üzeneteket lefordíthatja belőlük egy közös formátumba.

Az eszközök esetében nincs közvetlen egyenértékű az eszközfejlesztői szerepkörével. Ehelyett egy operátor konfigurálhatja az összekötőket az eszközökhöz való csatlakozáshoz. Előfordulhat azonban, hogy az edge-alapú megoldás által natív módon nem támogatott protokollokat használó eszközökhöz való csatlakozáshoz egyéni összekötőket kell fejlesztenie.

Felhőalapú megoldásban például az eszközök a következők:

• Egy nyomásérzékelő egy távoli olajszivattyún.
• Hőmérséklet- és páratartalom-érzékelők egy légkondicionáló egységben.
• Gyorsulásmérő egy liftben.
• Jelenlétérzékelők egy szobában.

Ezek az eszközök általában mikrovezérlők (MCU-k) vagy mikroprocesszorok (MPU-k) használatával készülnek:

• Az MCU-k olcsóbbak és egyszerűbbek, mint az MPU-k.
• Az MCU számos funkciót tartalmaz, például memóriát, interfészeket és I/O-t a chipen. Az MPU ezt a funkciót a támogató chipek összetevőitől éri el.
• Az MCU gyakran valós idejű operációs rendszert (RTOS) használ, vagy operációs rendszer nélküli operációs rendszert futtat, és valós idejű válaszokat és rendkívül determinisztikus reakciókat biztosít a külső eseményekre. Az MPU-k általában egy általános célú operációs rendszert futtatnak, például Windowst, Linuxot vagy macOS-t, amely nemdeterminisztikus valós idejű választ ad. Általában nincs garancia arra, hogy mikor fejeződik be egy feladat.

A speciális hardverek és operációs rendszerek például a következők:

A Windows for IoT a Windows for MPU-k beágyazott verziója felhőalapú kapcsolattal, amely lehetővé teszi biztonságos eszközök létrehozását egyszerű üzembe helyezéssel és felügyelettel.

Az Eclipse ThreadX egy valós idejű operációs rendszer az MCU-k által működtetett IoT- és peremeszközökhöz. Az Eclipse ThreadX az akkumulátorral működő és 64 KB-nál kevesebb flashmemóriával rendelkező, erősen korlátozott eszközök támogatására lett tervezve.

A FreeRTOS egy valós idejű operációs rendszer beágyazott eszközökhöz. A FreeRTOS-t az Azure IoT Middleware for FreeRTOS használatával csatlakoztathatja az eszközöket az Azure IoT-hez. Az eszközfejlesztés RTOS-lehetőségeinek áttekintéséért tekintse meg a C SDK és a Embedded C SDK használati forgatókönyveit.

Az Azure Sphere (integrált) egy biztonságos, magas szintű alkalmazásplatform, amely beépített kommunikációs és biztonsági funkciókkal rendelkezik az internetkapcsolattal rendelkező eszközökhöz. Ez egy biztonságos, csatlakoztatott, crossover MCU-t, egy egyéni magas szintű Linux-alapú operációs rendszert és egy felhőalapú biztonsági szolgáltatást tartalmaz, amely folyamatos, megújuló biztonságot nyújt.

Eszközprimitívek

Az eszközfejlesztők általában a következő primitíveket implementálják az eszközkódban a felhővel való interakcióhoz:

• Eszközről felhőbe irányuló üzenetek az idősor telemetriai adatainak felhőbe küldéséhez. Például az eszközhöz csatlakoztatott érzékelőből gyűjtött hőmérsékleti adatok.
• Médiafájlok, például rögzített képek és videók fájlfeltöltései . Az időszakosan csatlakoztatott eszközök telemetriai kötegeket küldhetnek. Az eszközök tömöríthetik a feltöltéseket a sávszélesség megtakarítása érdekében.
• Ikereszközök az állapotadatok felhővel való megosztásához és szinkronizálásához. Egy eszköz például az ikereszköz használatával jelentheti az általa vezérelt szelep aktuális állapotát a felhőnek, és megkaphatja a kívánt célhőmérsékletet a felhőből.
• Digitális ikerpéldányok , amelyek egy eszközt képviselnek a digitális világban. A digitális ikerpéldányok például az eszköz fizikai helyét, képességeit és más eszközökkel való kapcsolatait jelölhetik.
• Közvetlen metódusok a felhőből érkező parancsok fogadásához. A közvetlen metódusok paraméterekkel rendelkezhetnek, és választ adhatnak vissza. A felhő például meghívhat egy közvetlen metódust, amely 30 másodperc alatt kéri az eszköz újraindítását.
• Felhőről eszközre irányuló üzenetek a felhőből érkező egyirányú értesítések fogadásához. Például egy értesítés arról, hogy egy frissítés készen áll a letöltésre.

További információkért tekintse meg az eszközök közötti kommunikációra vonatkozó útmutatót és az eszközök közötti kommunikációval kapcsolatos útmutatást.

SDK-k és kódtárak

Az eszköz SDK-jai magas szintű absztrakciókat biztosítanak, amelyek lehetővé teszik a primitívek használatát az alapul szolgáló kommunikációs protokollok ismerete nélkül. Az eszközoldali SDK-k a felhőhöz való biztonságos kapcsolat létrehozásának és az eszköz hitelesítésének részleteit is kezelik.

MPU-eszközök esetén az eszközoldali SDK-k a következő nyelveken érhetők el:

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

MCU-eszközök esetén lásd:

• Eclipse ThreadX
• FreeRTOS Middleware
• Azure SDK for Embedded C

Minták és útmutató

Az eszköz SDK-jai olyan mintákat tartalmaznak, amelyek bemutatják, hogyan használható az SDK a felhőhöz való csatlakozásra, a telemetriai adatok küldésére és a többi primitív használatára.

Az IoT-eszközfejlesztési webhely oktatóanyagokat és útmutatókat tartalmaz, amelyek bemutatják, hogyan implementálhat kódokat különböző eszköztípusokhoz és forgatókönyvekhez.

További mintákat a kód mintaböngészőjében talál.

Eszközfejlesztés eszköz SDK nélkül

Bár az eszköz SDKS-jének használata ajánlott, előfordulhatnak olyan helyzetek, amikor nem szeretné. Ezekben az esetekben az eszköz kódjának közvetlenül kell használnia az IoT Hub és a Device Provisioning Service (DPS) által támogatott kommunikációs protokollok egyikét.

További információk:

• Az MQTT protokoll közvetlen használata (eszközként)
• Az AMQP protokoll közvetlen használata (eszközként)

Egy peremhálózati megoldásban egy operátor konfigurálja az összekötőket az eszközökhöz való csatlakozáshoz. Ez a konfiguráció tartalmazza az eszköz adatai és a felhős séma közötti leképezést. Az OPC UA-összekötő például lehetővé teszi, hogy az operátor leképezhesse az OPC UA csomópontazonosítóit az MQTT-közvetítővel kicserélt JSON-üzenet címkéire és eseményeire. Az alábbi képernyőképen egy példa látható a digitális üzemeltetési felület webes felhasználói felületén, amely két ilyen leképezést határoz meg egy objektumhoz:

A megoldás más részein egy operátor közvetlenül hivatkozhat a Hőmérséklet és a 10 címke címkéjére anélkül, hogy ismernie kellene az OPC UA csomópontazonosítóinak részleteit.

Egy felhőalapú megoldásban az IoT Plug and Play lehetővé teszi, hogy a megoldáskészítők manuális konfiguráció nélkül integrálják az IoT-eszközöket a megoldásukkal. Az IoT Plug and Play alapja egy eszközmodell, amelyet az eszköz a képességeinek meghirdetésére használ egy IoT Plug and Play-kompatibilis alkalmazáson, például az IoT Centralon. Ez a modell a következőket meghatározó elemek készleteként van felépítve:

• Az eszköz vagy más entitás írásvédett vagy írható állapotát képviselő tulajdonságok . Az eszköz sorozatszáma lehet például írásvédett tulajdonság, a termosztát célhőmérséklete pedig írható tulajdonság.
• Az eszköz által kibocsátott adatok telemetriája , függetlenül attól, hogy az adatok rendszeres érzékelőolvasási adatfolyamok, alkalmi hibák vagy információs üzenetek.
• Az eszközön elvégezhető függvényt vagy műveletet leíró parancsok . Egy parancs például újraindíthat egy átjárót, vagy távoli kamerával készíthet képet.

Ezeket az elemeket a felületeken csoportosítva újra felhasználhatja a modelleket az együttműködés megkönnyítése és a fejlesztés felgyorsítása érdekében.

A modell a Digital Twins Definition Language (DTDL) használatával van megadva.

Az IoT Plug and Play, a modellezés és a DTDL használata nem kötelező. Az IoT-eszköz primitívjei IoT Plug and Play és modellezés nélkül is használhatók. Az Azure Digital Twins szolgáltatás DTDL-modelleket is használ ikergráfok létrehozásához, például épületek vagy gyárak digitális modelljei alapján.

Eszközfejlesztőként az IoT Plug and Play-eszköz implementálása során számos konvenciót kell követnie. Ezek a konvenciók szabványos módszert biztosítanak az eszközmodell kódban való implementálásához az eszköz SDK-kban elérhető primitívek használatával.

További információ:

• Mi az az IoT Plug and Play?
• IoT Plug and Play modellezési útmutató

Az Azure IoT Operations tárolóba helyezi a peremhálózaton futó összes összekötőt, közvetítőt és egyéb összetevőt. Az Azure IoT Operations egy Kubernetes-fürtön üzemel, amely egy tárolóvezénylési platform. Telepítse a Kubernetes-fürtben létrehozott egyéni összekötőket vagy egyéb összetevőket.

Az Azure IoT Edge-et az IoT Hub peremhálózati átjárójaként használó megoldás hibrid megoldásként tekinthető meg, amely a peremhálózati és a felhőalapú megoldások elemeit is tartalmazza.

Ha tárolókat használ, például a Dockerben, az eszközkód futtatásához kódot helyezhet üzembe az eszközökön a tárolóinfrastruktúra képességeinek használatával. A tárolók segítségével futtatókörnyezetet is definiálhat a kódhoz az összes szükséges kódtár- és csomagverzióval együtt. A tárolók megkönnyítik a frissítések üzembe helyezését és az IoT-eszközök életciklusának kezelését.

Az Azure IoT Edge tárolókban futtatja az eszközkódot. Az Azure IoT Edge használatával kódmodulokat helyezhet üzembe az eszközein. További információ: Saját IoT Edge-modulok fejlesztése.