Desenvolvimento de dispositivos IoT

O diagrama seguinte mostra uma visão geral dos componentes numa solução IoT típica conectada à borda. 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 o ONVIF. O Operações IoT do Azure inclui vários conectores que podem usar estes protocolos para comunicar com ativos e traduzir mensagens desses ativos para mensagens MQTT. Alguns ativos podem receber mensagens que permitem realizar operações neles, como:

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

Pode criar os seus próprios conectores personalizados para ligar a ativos que utilizam protocolos não suportados nativamente pelo Operações IoT do Azure.

O diagrama seguinte mostra uma visão geral dos componentes numa solução IoT típica ligada à cloud. Este artigo se concentra nos dispositivos e gateway mostrados no diagrama:

No Azure IoT, um programador de dispositivos escreve o código para ser executado nos dispositivos da solução. Este código normalmente:

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

Exemplos de ativos numa solução ligada à periferia incluem:

• Braços robóticos, correias transportadoras e elevadores.
• Máquinas CNC industriais, tornos, serras e furadeiras.
• Máquinas de diagnóstico médico por imagem.
• Câmaras 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. Numa solução conectada na periferia, usam-se conectores especializados para se conectar a estes ativos e traduzir mensagens provenientes dos mesmos para um formato comum.

Para ativos, não há equivalente direto à função de desenvolvedor de dispositivo. Em vez disso, um operador pode configurar os conectores para se conectar aos ativos. No entanto, pode ser necessário desenvolver conectores personalizados para se conectar a ativos que utilizem protocolos não suportados nativamente pela sua solução conectada à edge.

Exemplos de dispositivos numa solução ligada à cloud incluem:

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

Estes dispositivos são normalmente construídos usando microcontroladores (MCUs) ou microprocessadores (MPUs):

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

Exemplos de hardware e sistemas operacionais especializados incluem:

Windows para IoT é uma versão embutida do Windows para MPUs com conectividade cloud que permite criar dispositivos seguros com fácil provisionamento e gestão.

O Eclipse ThreadX é um sistema operacional em tempo real para dispositivos IoT e edge 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 embarcados. Pode usar o FreeRTOS com o middleware Azure IoT para FreeRTOS para ligar dispositivos ao Azure IoT. Para obter uma visão geral das opções de RTOS para desenvolvimento de dispositivos, consulte Cenários de uso do C SDK e do Embedded C SDK.

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

Primitivos do dispositivo

Um desenvolvedor de dispositivo normalmente implementa as seguintes primitivas no código do dispositivo para interagir com a nuvem:

• Mensagens de dispositivo para nuvem para enviar telemetria de séries cronológicas para a nuvem. Por exemplo, dados de temperatura coletados de um sensor conectado ao dispositivo.
• Carregamento de arquivos de mídia, tais como imagens e vídeos capturados. Dispositivos conectados intermitentemente podem enviar lotes de telemetria. Os dispositivos podem compactar uploads para economizar largura de banda.
• Gémeos de dispositivo para partilhar e sincronizar o estado com a nuvem. Por exemplo, um dispositivo pode usar o dispositivo gêmeo para relatar o estado atual de uma válvula que controla para a nuvem e para receber uma temperatura alvo 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, suas capacidades e seus relacionamentos 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 que o dispositivo seja reinicializado em 30 segundos.
• Mensagens da nuvem para o dispositivo para receber notificações unidirecionais da nuvem. Por exemplo, uma notificação de que uma atualização está pronta para download.

Para saber mais, consulte Diretrizes de comunicações de dispositivo para nuvem e Diretrizes de comunicações de nuvem para dispositivo.

SDKs e bibliotecas

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

Para dispositivos MPU, os SDKs de dispositivo estão disponíveis para os seguintes idiomas:

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

Para dispositivos MCU, consulte:

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

Amostras e orientações

Todos os SDKs de dispositivo incluem exemplos que demonstram como usar o SDK para se conectar à nuvem, enviar telemetria e usar as outras primitivas.

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

Desenvolvimento de dispositivos sem um SDK de dispositivo

Embora seja recomendável usar um dos SDKs de dispositivo, pode haver cenários em que você prefira não fazê-lo. Nestes cenários, o código do seu dispositivo deve usar diretamente um dos protocolos de comunicação que o Hub IoT e o Device Provisioning Service (DPS) suportam.

Para obter mais informações, consulte:

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

Numa solução de conexão de borda, um operador configura conectores para ligar 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 IDs de nó OPC UA para pontos de dados e eventos em uma mensagem JSON trocada com o broker 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 outra parte da solução, um operador pode consultar diretamente as tags Temperatura e Tag 10 sem precisar saber os detalhes dos IDs do nó OPC UA.

Numa solução ligada à cloud, o IoT Plug and Play permite aos criadores de soluções integrar dispositivos IoT com as suas soluções sem qualquer configuração manual. No cerne do IoT Plug and Play está um modelo de dispositivo que o dispositivo utiliza para anunciar as suas capacidades a uma aplicação com IoT Plug and Play, como o IoT Central. Este modelo está 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 de apenas leitura e uma temperatura de alvo em um termostato pode ser uma propriedade editável.
• Telemetria que são os dados emitidos por um dispositivo, quer os dados sejam um fluxo regular de leituras do 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 reiniciar um gateway ou tirar uma foto usando uma câmera remota.

Você pode agrupar esses elementos em interfaces para reutilizar entre modelos para facilitar a colaboração e acelerar o desenvolvimento.

O modelo é especificado utilizando a Linguagem de Definição de Gémeos Digitais (DTDL).

A utilização de IoT Plug and Play, modelação e DTDL é opcional. Pode usar as primitivas dos dispositivos IoT sem usar IoT Plug and Play ou modelagem. O serviço Azure Digital Twins também utiliza modelos DTDL para criar grafos gémeos baseados em modelos digitais de ambientes como edifícios ou fábricas.

Como desenvolvedor de dispositivos, quando 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 as primitivas disponíveis nos SDKs de dispositivo.

O Operações IoT do Azure containeriza todos os seus conectores, brokers e outros componentes que correm na edge. O Operações IoT do Azure é implementado num cluster Kubernetes, que é uma plataforma de orquestração de contentores. Implante todos os conectores personalizados ou outros componentes criados no cluster do Kubernetes.

Pode visualizar uma solução que utiliza o Azure IoT Edge como gateway da periferia para o Hub IoT, como sendo uma solução híbrida que inclui elementos tanto de soluções conectadas à periferia como à cloud.

Se você usar contêineres, como no Docker, para executar o código do dispositivo, poderá implantar código em seus dispositivos usando os recursos da infraestrutura de contêiner. Os contêineres também permitem definir um ambiente de tempo de execução para seu código com todas as versões de biblioteca e pacote necessárias instaladas. Os contêineres facilitam a implantação de atualizações e o gerenciamento do ciclo de vida de seus dispositivos IoT.

Azure IoT Edge executa código de dispositivo em contentores. Pode usar o Azure IoT Edge para implementar módulos de código nos seus dispositivos. Para saber mais, consulte Desenvolva os seus próprios módulos de IoT Edge.