将物联网设备连接到云服务

谈到物联网 （IoT），云在允许开发人员在边缘设备和远程数字服务之间分配计算方面发挥着重要作用。这种架构为多种解决方案开辟了潜力，其中设备和云服务使用高效协议在当今的高速通信通道上协同工作。当然，支持所有这些需要从物理层到应用层的强大双向通信。

在本博客中，我们将简要回顾有助于促进 IoT 通信的常见传输层和应用层协议，然后了解如何让 IoT 边缘设备与 Microsoft Azure 和 AWS IoT 进行通信。

物联网连接协议

无论边缘到云的物联网通信变得多么复杂，这一切都归结为设备和远程服务之间通过互联网进行的双向数据通信。

从传输层开始，设备到云的通信通常通过 TCP（传输控制协议）或 UDP（用户数据报协议）通道进行。TCP 是面向连接且可靠的，这意味着发送的每个数据包都需要确认它已被接收。但是，高可靠性带来了巨大的开销，有时对于物联网应用程序，TCP 标头可能大于有效负载本身。另一方面，UDP 是无连接且不可靠的，这意味着它允许丢失数据包以提高速度。TCP 用于数据必须通过的地方，而 UDP 用于可以接受一些数据丢失的地方（例如，当流式传输视频时）。

在应用层，HTTP（超文本传输协议）已经成为基于网络的通信最标准化的协议之一。它是作为客户端-服务器时代的请求-响应模型开发的，其中客户端（例如，浏览器）打开 TCP 连接以将请求发送到返回响应的服务器（例如，Web 服务器）。TLS 通常用于保护 TCP 上的 HTTP 通信，而 DTLS 通过 UDP 执行类似的功能。IoT 设备可以使用此设置与使用 RESTful/SOAP Web 服务的 Web 服务器进行通信。

例如，设备可以使用 HTTP GET/POST 方法通过 TCP/IP 连接与服务器通信，并以 XML、JSON 或其他格式传送有效负载。每个步骤（TCP/IP、HTTP、XML/JSON）都会不断增加负载的开销，这是最终应用程序正在寻找的唯一相关信息。

因此，另一种应用层协议MQTT（消息队列遥测传输）在物联网中变得流行起来。它是一种轻量级协议，代码占用空间小，适用于嵌入式物联网设备等受限环境。最值得注意的是，它适用于发布-订阅模型，该模型通过中央 MQTT“代理”促进设备之间的一对多通信——这正是物联网通常需要的通信类型！

了解了这些底层协议后，现在让我们看看边缘到云的通信是如何工作的。在本博客中，我们将以Qualcomm® MDM9206 LTE 调制解调器和Qualcomm® Snapdragon™ 移动平台为例，因为它们说明了制造商从硬件级别一直到 API 通信堆栈的支持如何促进物联网到云的开发。

将 MDM9206 LTE 调制解调器物联网设备连接到 Azure

MDM9206 是一种相当专业的设备，通常与另一个处理器一起用作调制解调器。

为了促进通信，您可以使用Qualcomm® LTE for IoT SDK，它支持 TLS、DTLS、MQTT 和 HTTP，并提供“垫片层”用于连接到Azure IoT Hub。

此填充层包括 Azure 输入/输出 （I/O） 和平台填充层库，作为用户空间中ThreadX平台上的 Azure 应用程序开发包的一部分。Azure 应用程序使用 Microsoft Azure SDK 定义的 API 与 Azure IoT SDK C 模块进行交互。Azure IoT SDK C 模块使用适配器层与 ThreadX IoT 堆栈进行交互。下图展示了 ThreadX IoT 设备上的 Azure 应用架构：

ThreadX 设备上 Azure 应用程序的体系结构。

此 shim 层还包括许多脚本，这些脚本设置构建环境来为您的设备构建应用程序。 

使用 MDM9206 LTE 调制解调器将 IoT 设备连接到 AWS IoT

该开发工具包还可用于使用 MQTT 消息与 AWS IoT 进行通信。GitHub 上有一个演示和项目，提供了一些很棒的资源：IoT Merchandise Cart和Merchandise -cart-aws-iot 项目。

将您的设备连接到 AWS IoT 所涉及的关键步骤是：

创建 EC2 实例并启用正确的端口

将应用程序添加到 EC2 实例

从 AWS IoT 获取应用程序的证书和私钥

构建设备端应用程序并将其与证书和私钥以及任何其他支持文件一起传输到设备

使用设备设置传感器地图以跟踪产品库存水平

启动浏览器并导航到您的 AWS IoT 应用程序

在设备上运行应用程序

如果您有兴趣了解更多信息，请查看项目的示例应用程序模块，以通过 MQTT 将库存水平发布到 EC2。您还可以通过查看aws_iot_mqtt*.c 文件来了解 MQTT 通信的工作原理。

将在 Snapdragon 平台上运行的基于 Linux 的 IoT 设备连接到 AWS IoT

Snapdragon 移动平台为物联网解决方案提供了更广泛的功能。它们还使开发人员能够集成以各种编程语言编写的更高级别的 SDK 和库。

使用 MQTT 的基于 Snapdragon 的设备和 AWS IoT 之间的通信可以通过其中一个 AWS IoT SDK（例如AWS IoT Device SDK for Python） 来完成。

连接到 AWS IoT 所涉及的关键步骤是：

1. 在 AWS 中创建一个项目

创造一个“东西”

将“事物”连接到设备

选择编程语言

生成证书和策略并将它们添加到项目中

2. 在客户端/设备上安装 AWS IoT 所需的 SDK

3. 使用以下实现创建设备端应用程序：

将 AWS 模块添加到客户端代码

在传递私钥和证书的代码中实例化客户端

开始连接

订阅主题并指定回调以接收回信息

根据您的应用要求发布消息

结论

通过标准 OSI 模型协议工作的设备到云通信为云服务提供了支柱。物联网设备到云的连接可以在 MDM9206 LTE 调制解调器等专用硬件和 Snapdragon 移动平台等更通用的设备上实现。

更一般地说，这种设备到云架构提供了一组丰富的选项，用于在物联网设备和/或云上进行处理。然而，归根结底，关键在于您可以如何通过互联网在设备和远程服务之间实现双向数据通信。

审核编辑：郭婷