モノのインターネット：Arduinoとクラウド

私たちの世紀では、多くの人が独自のスタートアップを作ることを考えてきました。 しかし、興味深く有用な製品を自分で開発することは、しばしば困難です。 節電のために、クラウドを使用できます。 特に、クラウド内のIoTプロジェクトの場合、十分な数のサービスを見つけることができます。 「モノのインターネット」とは何であり、どのように生産的に使用できますか？ カットの下でこれについてすべて読んでください。



注：Hacker誌の記事の完全版の出版物シリーズを継続します。 著者のスペルと句読点が保存されました。

モノのインターネットは、単なるスマートホームやスマートビジネスではありません。 専門家は、近い将来、数十億のデバイスがさまざまな分野のさまざまな問題を解決すると予測しています。 はい、彼らはすでに多くの問題を解決しています。

たとえば、最も一般的なタスクを分析してみましょう。センサーを搭載したデバイスは、このセンサーから取得したデータをクラウドに送信します。 次の写真に、光センサー（フォトレジスター）からデータを取得するデバイスの最も簡単な例を示します。



このデバイスは、マイクロUSBコネクタから給電できます。 搭載されているGenuino MKR1000は、統合Wi-Fiモジュールです。 料金は約35米ドルです。 通常、あるセンサーを別のセンサーに置き換えても、回路が特に複雑になることはありません。 ご覧のように、ピックアップされる信号を安定させ、さまざまな干渉が影響を与えないようにする抵抗が使用されています。 しかし、これについては非常に多くの専門文献があります。 今、何か他のものについて。

Azureクラウドで動作するデバイスの次の機能図を見てみましょう。これは一般的なものと呼ぶことができます。



その上で、デバイスはIoTハブと対話します。 IoTハブは、モノのインターネットのセンターとしてロシア語に翻訳されています。 原則として、このサービスはデバイスとの対話に使用されるため、この名前はその本質を非常に伝えています。 デバイスからデータを受信し、メッセージ/コマンドを送信できます。

モノのインターネットセンターに加えて、イベントハブと呼ばれる別のサービスがデバイスと対話できます。 これらのサービスの最大の違いは、IoT Hubは数百万台のデバイスで動作し、Event Hubは数千台のデバイスで動作しますが、1秒あたり数百万のメッセージを受信できることです。 2番目の大きな違いは、IoTハブはデバイスにコマンドを送信できるのに対し、イベントハブは送信できないことです。 一般に、IoTハブにはさらに多くのオプションがあります。 ただし、イベントハブは早期に廃止されます。 すでに書いたように、非常に高い帯域幅を持っています。 多くの場合、イベントハブは、デバイスと対話するためではなく、中間サービスとしてプロジェクトで使用されます。

Azure IoT CenterとAzure Event Hubsの詳細な比較については、 こちらをご覧ください 。

IoTハブは、MQTT、WebSocket経由のMQTT、AMQP、WebSocket経由のAMQP、HTTPなどのプロトコルをサポートしています。 イベントハブは、AMQP、WebSocket経由のAMQP、およびHTTPをサポートしています。

プロトコルのルールに従ってメッセージを生成して送信するコードを作成できますが、SDKを使用することをお勧めします。 ArduinoボードからHTTPプロトコルを使用するメッセージの形成はこの記事で既に議論されました。

このコードは機能しますが、理想からはほど遠いです。 同じ記事で、IoTハブの構成とデバイスのペアリングについて説明しました。

現在、新しい機能があり、SDKの使用を検討し、ハブの構成を少し異なる側面で再検討します。 さらに、他のAzure IoTサービスの構成を検討してください。

IoTハブの作成

1つのデバイスでIoTハブを作成します。 単一のデバイスを使用する場合、IoTハブは無料で使用できます。 私たちが思いつくハブの名前。

ヒント：IoTハブには、デバイスからファイルを受信する機能があります。 この機能は合法的なハックとして使用される場合があります。 複数のデバイスからのデータは1つのメインデバイスに転送され、特定のフォーマットのテキストファイルに既に保存されてクラウドに送信されます。

デバイスツインを作成してSASを取得する

次に、実際のデバイスに一致する仮想デバイスをAzureクラウドに作成する必要があります。 英語では、このデバイスはデバイスツインと呼ばれ、ダブルデバイスを意味します。

以前は、Windowsデスクトップユーティリティのデバイスエクスプローラーを使用して、このようなデバイスを作成できました。 次のリンクからダウンロードして、最新のSetupDeviceExplorer.msi SetupDeviceExplorer.msi見つけるか、iothub-explorerクロスプラットフォームユーティリティを使用できます。これは、NPM（Node.jsパッケージマネージャー）を使用してインストールできます。

気にする必要はありません。ハブ設定でデバイスエクスプローラーを見つけることで、Azureポータルでデバイスを二重に作成できます。



デバイスエクスプローラーで作成したデバイスをクリックすると、デバイス情報を開くことができます。 これらのうち、主キーである接続文字列を取得する必要があります。 Arduinoコードで使用します。

ArduinoボードファームウェアSSL証明書

Azure IoT認証として、ハブは2つのオプションを使用します：SSL + SASまたはSSL + X.509証明書。 しかし、Arduinoのリソースは最初のオプションにのみ十分です。 それでも、このデバイスは低電力であり、十分なコンピューティング能力がありません。

いずれにしても、SSL証明書でボードをフラッシュする必要があることがわかります。

これは、クロスプラットフォームユーティリティWiFi101 Firmware Updaterを使用するか、Arduino IDEに組み込まれている機能を使用して実行できます。

しかし、その前に、Arduino IDEでいくつかの準備をする必要があります。

WiFi101ライブラリをインストールする





IDEにインストールすると、このライブラリの使用例が表示されます。 FirmwareUpdaterと呼ばれるこれらの例の1つを開いて、ボードに書き込む必要があります。 最初に開く：



次に、ボードをインストールして選択します（IoT用のボードは、デフォルトではIDE配信パッケージにまだ含まれていません）。



ボードマネージャーを開き、必要なボードを探します。 私の場合、これはMKR1000です。



インストール後、同じメニュー項目で使用されているボードをマークする必要があります。



そして、それが配置されているポートを選択します。



[スケッチ-アップロード]メニューを連続してクリックすると、スケッチがボードにアップロードされます。 これでフラッシュできます。

最初のオプションは、IDEの[ツール]メニュー-WiFi101 FirmwareUpdaterを開き、[ドメインの追加]をクリックして、IoTハブURLを追加することです。



次に、「証明書をWiFiモジュールにアップロード」をクリックします。

または、別のWiFi101 Firmware Updaterユーティリティを開き、上部のテキストフィールドにハブアドレス（私の場合はArduinoAzureHub.azure-devices.net）を入力し、[フェッチ]ボタンをクリックします。

証明書がコンピューターにダウンロードされます。 その後、デバイスが接続されているCOMポートを選択し、表示される[証明書のアップロード]ボタンをクリックする必要があります。

Arduino用のAzure IoTライブラリのスケッチと使用

WiFi101ライブラリを最近インストールしたのと同じ方法で、次のライブラリをインストールします。

• AzureIoTHub
• AzureIoTUtility
• AzureIoTProtocol_HTTP
• RTCZero

ソースコードをダウンロードし、 examplesフォルダーにsimplesample_httpプロジェクトがありますsamd （Atmel SAMDベースのボード）のコードを見つけることができます。

ファイルiot_configs.h cで、 IOT_CONFIG_CONNECTION_STRING値を、Azureポータルで受信した接続文字列の値に割り当てます。 値IOT_CONFIG_WIFI_SSIDおよびIOT_CONFIG_WIFI_PASSWORD Wi-Fiアクセスポイントの名前とそのパスワードをそれぞれ入力します。

スケッチコードが動作可能になり、Arduinoにアップロードできます。

次のコードはモデルを説明しています。

 DECLARE_MODEL(ContosoAnemometer, WITH_DATA(ascii_char_ptr, DeviceId), WITH_DATA(int, WindSpeed), WITH_DATA(float, Temperature), WITH_DATA(float, Humidity), WITH_ACTION(TurnFanOn), WITH_ACTION(TurnFanOff), WITH_ACTION(SetAirResistance, int, Position) ); 

WITH_DATAは、デバイスから送信できるデータを示します。 WITH_ACTIONは、デバイスがコマンドWITH_ACTIONときに発生する可能性のあるイベントを示します。

もちろん、例はプロジェクトの出発点にすぎません。 要件に合わせて変更できるテンプレート。 作成したアクションを削除して、独自のアクションを作成することを好みます。 私の要点コードはgithubでホストされています。

デバイスの名前とセンサーから取得した番号および1つのイベントを格納する2つのフィールドを持つモデルがあります。

 BEGIN_NAMESPACE(IoTSample); DECLARE_MODEL (LightSensorDataModel, WITH_DATA(ascii_char_ptr, deviceId), WITH_DATA(int, iotdata), WITH_ACTION(DuckAction, int, light) ); END_NAMESPACE(IoTSample); 

私の場合のアクションコードはこれです：

 EXECUTE_COMMAND_RESULT DuckAction(LightSensorDataModel* device, int light) { digitalWrite(2, light); return EXECUTE_COMMAND_SUCCESS; } 

lightパラメーターの値によって整数1または0が受信されるかどうかに応じて、LEDをオンまたはオフにします。

次のJSONがボードに送信されると、イベントが発生します。

 {"Name" : "DuckAction", "Parameters" : {"light":1}} 

コードで次の変数を見つけた場合： unsigned int minimumPollingTime = 9; 、新しいメッセージのポーリング遅延を変更できます。 つまり、デバイスが新しいメッセージが表示されたかどうかを確認する頻度。 値は秒単位です。

void simplesample_http_run(void)コードに、次のコードを追加します。

 while (1) { myIoTdata->deviceId = "ArduinoAzureTwin"; myIoTdata->iotdata = analogRead(1); unsigned char* destination; size_t destinationSize; if (SERIALIZE(&destination, &destinationSize, myIoTdata->deviceId, myIoTdata->iotdata) != CODEFIRST_OK) { (void)printf("Failed to serializern"); } else { sendMessage(iotHubClientHandle, destination, destinationSize); } IoTHubClient_LL_DoWork(iotHubClientHandle); ThreadAPI_Sleep(1000); } DESTROY_MODEL_INSTANCE(myIoTdata); 

ここでは、アナログデータはArduinoに接続されているアナログピン番号1から毎秒取得されます。 このデータは、ストリングdeviceId（デバイス名）としてクラウドに送信され、データ自体は整数iotdataとして送信されます。

他のAzureサービスに接続する

たとえば、SQL Serverデータベースにデータを保存しましょう。 Azureは多くのデータ形式をサポートしていますが、SQL Serverが最も一般的な形式だと思います。 ただし、JSONデータを大量に保存するには、おそらくNOSQL形式の方が適しています。 SQL Serverデータベースの価格は、月額5米ドルからです。 つまり、このお金で、完全に機能する2 Gbクラウドベースを取得できます。

データベース作成マニュアルは非常に膨大ですが、特別なニュアンスはありませんので、公式マニュアルへのリンクを残します。AzureポータルでAzure SQLデータベースを作成し、 SQL Server Data Toolsを使用してデータベースにテーブルを作成します 。

多くの場合、Visual Studioが既にインストールされている場合、追加のインストールは必要ありません。

データベースを編集用に開く最も簡単な方法は、Visual Studioメニューから[表示]-[サーバーエクスプローラー]を選択することです。 ここで、Azureサブスクリプションに接続し、SQL Serverオブジェクトエクスプローラーでデータベースを開くことができます。



さて、すでにこのウィンドウでテーブルを作成できます。



言及する必要がある1つのポイント。 既定では、セキュリティ上の理由から、AzureのSQL Serveryへのアクセス、およびそれに応じてそのデータベースへのアクセスはすべてのIPアドレスから閉じられます。 つまり、ユーザー名とパスワードを知っていても、データベースに接続できません。 Azureポータルにアクセスし、現在のIPを許可リストに追加する必要があります。



この場合、IoTでは文字Sがセキュリティを担当しているという事実についてのジョークは機能しません。

ストリーム分析

2番目に人気のあるAzure IoTサービスはStream Analyticsです。 IoTハブからデータベースにデータを保存する場合、このサービスが必要です。

非常に簡単に作成されます。 名前を考え出し、地域でリソースのグループを選択するだけで十分です。

結果は次のようなウィンドウです。



入力データのある正方形をクリックすると、入力データのエイリアスを見つけて、IoTハブをソースとして示すフォームに記入できます。



そして、それらのボックスをクリックして、同様に出力を構成する必要があります。



これで、IoTハブからデータベースにデータを転送するリクエストを作成できます。 これは、入力と出力の間の正方形です。 私の例では、クエリは非常に簡単です。

選択

イベント時間としてのiotdata、deviceId、System.Timestamp

データアウトへ

から

インデータ

ご覧のとおり、クエリ言語はSQLに非常に似ています。 この場合、データベースとArduinoコードの両方に、iotdata（整数）フィールドとdeviceId（文字列）フィールドがあります。 さらに、datetime型のeventtimeフィールドがデータベースに作成されます。 そして、このフィールドには、着信ソースから受信機への移動時に時間値が記録されます。

Power BI

無料のPower BIユーティリティをダウンロードしてインストールした後、SQL Serverデータベースに接続し、グラフまたはチャートの形式でこのデータの表現を取得できます。 ユーティリティ自体はExcelほど複雑ではありません。 タイトルには深刻な言葉が含まれていますが。 BIはビジネスインテリジェンスの略です。

さらに、説明とスクリーンショットの小さなマニュアル。

「データを取得」ボタン-「追加情報...」ボタン





サーバーのアドレスとデータベースの名前を入力します。 このデータは、SQL Serverデータベースの作成時に設定されます。



データベースにアクセスするためのユーザー名とパスワード。



必要なテーブルを選択します。



その結果、同様のスケジュールを取得できます。

おわりに

その結果、世界中のどこからでもボードから取得したデータにアクセスする方法の例が得られました。 必要に応じて、デバイスからデータを受信できるだけでなく、デバイスにデータ/コマンドを送信することもできます。

モノのインターネットのクラウドテクノロジーを使用すると、最小限のプログラミングでプロジェクトを作成できます。 ほとんどの場合、管理と構成です。

Arduinoプラットフォームや他のプラットフォームで作成されたローカルプロジェクトのさまざまな例がたくさんあります。 ただし、デバイスがwi-fiまたはBluetooth経由でのみ使用可能な場合、実行されるタスクはほとんど制限されます。 未来はモノのインターネットにあります。

これはハッカー誌の記事の完全バージョンであることを思い出します。 著者はAlexey Sommerです。