Desenvolvimento de dispositivo IoT

O diagrama a seguir mostra uma visão geral dos componentes em uma solução típica de IoT conectada à periferia. Este artigo se concentra nos dispositivos, ativos e conectores mostrados no diagrama:

Os ativos normalmente têm firmware interno que implementa protocolos padrão. Por exemplo, um braço robótico pode ser um cliente OPC UA e uma câmera de vídeo de segurança pode implementar ONVIF. Operações do Azure IoT inclui vários conectores que podem usar esses protocolos para se comunicar com ativos e converter mensagens dos ativos em mensagens MQTT. Alguns ativos podem receber mensagens permitindo que você execute operações neles, como:

• Painel ou inclinar uma câmera de segurança.
• Altere o nível de registro em um braço robótico.
• Inicie uma atualização de firmware.

Você pode criar seus próprios conectores personalizados para se conectar a ativos que usam protocolos sem suporte nativo por Operações do Azure IoT.

O diagrama a seguir mostra uma exibição de alto nível dos componentes em uma solução de IoT conectada à nuvem típica. Este artigo se concentra nos dispositivos e no gateway mostrados no diagrama:

Em IoT do Azure, um desenvolvedor de dispositivos grava o código a ser executado nos dispositivos na solução. Esse código normalmente:

• Estabelece uma conexão segura com um ponto de extremidade na nuvem.
• Envia a telemetria coletada de sensores anexados para a nuvem.
• Gerencia o estado do dispositivo e sincroniza esse estado com a nuvem.
• Responde aos comandos enviados da nuvem.
• Habilita a instalação de atualizações de software da nuvem.
• Permite que o dispositivo continue funcionando enquanto está desconectado da nuvem.

Os ativos de exemplo em uma solução conectada à edge incluem:

• Braços robóticos, correias transportadoras e elevadores.
• Máquinas CNC industriais, tornos mecânicos, serras e furadeiras.
• Máquinas de diagnóstico médico por imagens.
• Câmeras de vídeo de segurança.
• Controladores lógicos programáveis.

Esses ativos normalmente têm firmware interno que implementa protocolos padrão. Por exemplo, um braço robótico pode ser um cliente OPC UA e uma câmera de vídeo de segurança pode implementar o protocolo ONVIF. Em uma solução conectada à borda, você usa conectores especializados para se conectar a esses ativos e converter mensagens deles em um formato comum.

Para ativos, não há equivalente direto à função de desenvolvedor do dispositivo. Em vez disso, um operador pode configurar os conectores para se conectar aos ativos. No entanto, talvez seja necessário desenvolver conectores personalizados para se conectar a ativos que usam protocolos sem suporte nativo pela solução conectada à borda.

Os dispositivos de exemplo em uma solução conectada à nuvem incluem:

• Um sensor de pressão em uma bomba de óleo remota.
• Sensores de temperatura e umidade em uma unidade de ar-condicionado.
• Um acelerômetro em um elevador.
• Sensores de presença em uma sala.

Esses dispositivos normalmente são criados usando MCUs (microcontroladores) ou microprocessadores (MPUs):

• As MCUs são mais baratas e mais simples de operar do que as MPUs.
• Um MCU contém muitas das funções, como memória, interfaces e E/S no próprio chip. Um MPU acessa essa funcionalidade a partir de componentes em chips de suporte.
• Um MCU geralmente usa um sistema operacional em tempo real (RTOS) ou executa bare-metal (sem sistema operacional) e fornece respostas em tempo real e reações altamente determinísticas a eventos externos. As MPUs geralmente executam um sistema operacional de uso geral, como Windows, Linux ou macOS que fornece uma resposta não determinística em tempo real. Normalmente, não há garantia de quando uma tarefa é concluída.

Exemplos de hardware e sistemas operacionais especializados incluem:

Windows para IoT é uma versão inserida do Windows para MPUs com conectividade de nuvem que permite criar dispositivos seguros com fácil provisionamento e gerenciamento.

Eclipse ThreadX é um sistema operacional em tempo real para IoT e dispositivos de borda alimentados por MCUs. O Eclipse ThreadX foi projetado para suportar dispositivos altamente restritos alimentados por bateria e com menos de 64 KB de memória flash.

FreeRTOS é um sistema operacional em tempo real para dispositivos inseridos. Você pode usar o FreeRTOS com o middleware IoT do Azure para FreeRTOS para conectar dispositivos ao IoT do Azure. Para obter uma visão geral das opções RTOS para desenvolvimento de dispositivos, consulte Cenários de uso do SDK C e do SDK do C inserido.

Azure Sphere (Integrado) é uma plataforma de aplicativo segura e de alto nível com recursos internos de comunicação e segurança para dispositivos baseados na Internet. Ele compreende um MCU cruzado, seguro e conectado, um sistema operacional personalizado baseado em Linux de alto nível e um serviço de segurança baseado em nuvem que fornece segurança contínua e renovável.

Primitivos do dispositivo

Normalmente, um desenvolvedor de dispositivo implementa os seguintes primitivos no código do dispositivo para interagir com a nuvem:

• Mensagens do dispositivo para nuvem para enviar telemetria de série temporal para a nuvem. Por exemplo, dados de temperatura coletados de um sensor anexado ao dispositivo.
• Carregamentos de arquivos para arquivos de mídia, como imagens e vídeos capturados. Dispositivos conectados intermitentemente podem enviar lotes de telemetria. Os dispositivos podem compactar carregamentos para salvar a largura de banda.
• Dispositivos gêmeos para compartilhar e sincronizar dados de estado com a nuvem. Por exemplo, um dispositivo pode usar o dispositivo gêmeo para relatar o estado atual de uma válvula que ele controla para a nuvem e para receber uma temperatura de destino desejada da nuvem.
• Gêmeos digitais para representar um dispositivo no mundo digital. Por exemplo, um gêmeo digital pode representar a localização física de um dispositivo, seus recursos e suas relações com outros dispositivos.
• Métodos diretos para receber comandos da nuvem. Um método direto pode ter parâmetros e retornar uma resposta. Por exemplo, a nuvem pode chamar um método direto para solicitar a reinicialização do dispositivo em 30 segundos.
• Mensagens da nuvem para dispositivo para receber notificações unidirecionais da nuvem. Por exemplo, uma notificação de que uma atualização está pronta para ser baixada.

Para saber mais, confira Orientação de comunicações de dispositivo para nuvem e Orientação de comunicações de nuvem para dispositivo.

SDKs e bibliotecas

Os SDKs do dispositivo fornecem abstrações de alto nível que permitem usar as primitivas sem conhecimento dos protocolos de comunicação subjacentes. Os SDKs do dispositivo também lidam com os detalhes do estabelecimento de uma conexão segura com a nuvem e da autenticação do dispositivo.

Para dispositivos MPU, os SDKs do dispositivo estão disponíveis para as seguintes linguagens:

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

Para dispositivos MCU, confira:

• Eclipse ThreadX
• middleware FreeRTOS
• SDK do Azure para C Embarcado

Exemplos e diretrizes

Todos os SDKs do dispositivo incluem exemplos que demonstram como usar o SDK para se conectar à nuvem, enviar telemetria e usar os outros primitivos.

Você pode encontrar mais exemplos no navegador de código de exemplo.

Desenvolvimento de dispositivo sem um SDK do dispositivo

Embora seja recomendável usar um dos SDKs do dispositivo, pode haver cenários em que você vai preferir não fazê-lo. Nesses cenários, o código do dispositivo deve usar diretamente um dos protocolos de comunicação que o Hub IoT e o DPS (Serviço de Provisionamento de Dispositivos) suportam.

Para obter mais informações, consulte:

• Usando o protocolo MQTT diretamente (como um dispositivo)
• Usando o protocolo AMQP diretamente (como um dispositivo)

Em uma solução conectada por meio de borda, um operador configura conectores para conectar-se a ativos. Essa configuração inclui um mapeamento entre os dados do ativo e um esquema de nuvem. Por exemplo, o conector OPC UA permite que o operador mapeie os IDs de nó OPC UA para pontos de dados e eventos em uma mensagem JSON trocada com o corretor MQTT. A captura de tela a seguir mostra um exemplo na interface do usuário da Web da experiência de operações digitais que define dois desses mapeamentos:

Em outro lugar da solução, um operador pode se referir diretamente às marcas Temperatura e Marca 10 sem precisar saber os detalhes das IDs do nó OPC UA.

Em uma solução conectada à nuvem, IoT Plug and Play permite que os construtores de soluções integrem dispositivos IoT com suas soluções sem nenhuma configuração manual. No núcleo de IoT Plug and Play, está um modelo de dispositivo que um dispositivo usa para anunciar seus recursos para um aplicativo habilitado para IoT Plug and Play, como o IoT Central. Esse modelo é estruturado como um conjunto de elementos que definem:

• Propriedades que representam o estado somente leitura ou gravável de um dispositivo ou outra entidade. Por exemplo, um número de série do dispositivo pode ser uma propriedade somente leitura e uma temperatura de destino em um termostato pode ser uma propriedade gravável.
• Telemetria, que são os dados emitidos por um dispositivo, sejam esses dados um fluxo regular de leituras de sensor, um erro ocasional ou uma mensagem informativa.
• Comandos que descrevem uma função ou operação que pode ser feita em um dispositivo. Por exemplo, um comando pode reinicializar um gateway ou tirar uma foto usando uma câmera remota.

É possível agrupar esses elementos em interfaces para reutilização entre modelos para facilitar a colaboração e acelerar o desenvolvimento.

O modelo é especificado usando o Digital Twins Definition Language (DTDL).

O uso de IoT Plug and Play, modelagem e DTDL é opcional. Você pode usar os primitivos do dispositivo IoT sem usar IoT Plug and Play ou modelagem. O serviço Gêmeos Digitais do Azure também usa modelos DTDL para criar grafos gêmeos com base em modelos digitais de ambientes, como edifícios ou fábricas.

Como desenvolvedor de dispositivos, quando você implementa um dispositivo IoT Plug and Play, há um conjunto de convenções a seguir. Essas convenções fornecem uma maneira padrão de implementar o modelo de dispositivo no código usando os primitivos disponíveis nos SDKs do dispositivo.

Operações do Azure IoT containeriza todos os seus conectores, brokers e outros componentes que são executados na borda. Operações do Azure IoT implanta em um cluster de Kubernetes, que é uma plataforma de orquestração de contêineres. Implante todos os conectores personalizados ou outros componentes que você criar no cluster do Kubernetes.

Você pode exibir uma solução que usa Azure IoT Edge como um gateway conectado à borda para Hub IoT como uma solução híbrida que inclui elementos de soluções conectadas à borda e conectadas à nuvem.

Se você usar contêineres, como o Docker, para executar o código do dispositivo poderá implantar o código em seus dispositivos usando os recursos da infraestrutura do contêiner. Os contêineres também permitem que você defina um ambiente de runtime para seu código com todas as versões necessárias de biblioteca e pacote instaladas. Os contêineres facilitam a implantação de atualizações e o gerenciamento do ciclo de vida de seus dispositivos IoT.

Azure IoT Edge executa o código do dispositivo em contêineres. Você pode usar Azure IoT Edge para implantar módulos de código em seus dispositivos. Para saber mais, consulte Desenvolver seus próprios módulos de IoT Edge.