Écosystème Azure IoT – tout ce que vous devez savoir

L'Internet des objets est un réseau d'appareils physiques qui se connectent à des services et à d'autres appareils via Internet et échangent des données avec eux. L'écosystème Azure IoT joue un rôle important en facilitant efficacement ces connexions.

Microsoft Azure provides a suite of managed IoT services that facilitate secure, bi-directional communication between devices and cloud applications, enabling telemetry ingestion and remote device control. This article brings together practical insights and real-world experience with Azure IoT solutions.

Source : https://learn.microsoft.com/en-us/azure/iot/iot-introduction

Vue d'ensemble de l'écosystème Azure IoT

Azure propose une suite complète de services IoT qui forment un écosystème puissant pour la gestion des appareils connectés, le traitement des données et la facilitation de la transformation numérique. Les composants clés incluent :

• Azure IoT Hub – La passerelle cloud centrale pour gérer et communiquer avec les appareils IoT, offrant une messagerie sécurisée, évolutive et bidirectionnelle.
• Azure Event Hub – Une plateforme de streaming de données en temps réel entièrement gérée qui ingère des millions d'événements par seconde et permet l'intégration de divers appareils IoT à des fins d'analyse et de traitement.
• Azure Device Provisioning Service (DPS) – Aide à automatiser le provisionnement des appareils à grande échelle, réduisant l'intervention manuelle et les surcoûts de configuration.
• Azure IoT Plug and Play – Permet une intégration transparente des appareils à l'aide de modèles prédéfinis, simplifiant l'interopérabilité et réduisant les efforts de développement.
• Azure Digital Twins – Crée des représentations virtuelles d'appareils physiques, permettant une surveillance, une simulation et une analyse avancées.
• Azure IoT Central – Une plateforme applicative IoT managée qui simplifie la connectivité des appareils, la visualisation des données et le déploiement de solutions avec un effort de développement minimal.
• Azure Stream Analytics – Un service d'analyse en temps réel capable de traiter de grands flux de données, tels que la télémétrie provenant d'appareils IoT. Il permet aux utilisateurs de configurer des tableaux de bord en temps réel, des alertes et des solutions d'analyse intégrées.

Qu'est-ce qu'Azure IoT Hub ?

Azure IoT Hub is at the core of the Azure IoT ecosystem, serving as a fully managed cloud service that facilitates seamless communication between IoT devices and cloud applications. Acting as a message broker, it enables bi-directional communication, allowing devices to send telemetry data and receive remote commands from IoT applications.

By handling secure messaging, device state management, and telemetry processing, Azure IoT Hub simplifies complex operations so developers can focus on business logic. Once a device is connected, developers can use the Azure IoT SDK to check reported properties, update desired properties, process telemetry, and send cloud-to-device commands.

Lors de la conception des communications entre l'appareil et le cloud, les considérations clés incluent :

1. Quel protocole de communication (MQTT, AMQP, HTTP) correspond le mieux à vos besoins ?
2. Quel est le mécanisme le plus efficace pour envoyer des données entre l'appareil et le cloud ?
3. Comment équilibrer les exigences de sécurité avec les performances et les coûts ?

Choisir le bon mécanisme de communication

L'un des atouts les plus importants des solutions IoT est la capacité de communication entre les appareils et les applications. Azure IoT Hub permet la communication de l'appareil vers le cloud et du cloud vers l'appareil.

L'appareil peut transmettre des données au cloud via les mécanismes suivants :

• Message Device-to-Cloud (D2C)
• Mise à jour des propriétés signalées du Device Twin
• Envoyer des données via le mécanisme de téléchargement de fichiers d'IoT Hub

Le cloud peut communiquer avec l'appareil en utilisant :

• Message Cloud-to-Device (C2D)
• Mise à jour des propriétés souhaitées du Device Twin
• Appel de la méthode Direct exposée sur l'appareil

D2C messages are commonly used to send device telemetry data that changes over time, such as temperature or pressure sensor values. D2C messages can also be used to send device alerts or requests to the cloud to perform some action. It is worth mentioning that D2C messages are counted and aligned to 4 KB size, for example, if a message size is 6 KB, it is counted as 2 messages. The maximum size of an Azure IoT Hub Device-to-Cloud message is 256 KB.

Cas d'usage pour les messages D2C : un capteur de température envoie des données en temps réel toutes les 10 secondes. Si la valeur dépasse un seuil, une alerte est déclenchée dans le cloud.

Device Twin is typically used to exchange information between device and cloud that does not change often and can be treated as configuration, such as frequency of telemetry data sent by device, information about device location, or number of connected sensors. Each device in the Azure IoT Hub has a device twin record in the registry, and this device twin has a reported properties section that can be updated by the device, and a desired properties section that can be updated by the cloud backend. Note that the total size of the device twin – including tags, desired properties, reported properties and metadata – cannot exceed 64KB.

Source : https://learn.microsoft.com/en-us/azure/iot-hub/iot-hub-devguide-device-twins

Le Téléversement de fichier mechanism can be used when there is a need to send large amounts of data from the device to the cloud. It allows up to 5GB of data to be sent with the cost of just a few small messages to negotiate the connection. It can be useful to send device logs or telemetry collected during internet connection failure.

méthodes directes AWS Timestream exposed on the device to be invoked by providing the device ID, method name and JSON payload. IoT Hub encapsulates all low-level details such as topic name format and message format in MQTT, providing developers with a powerful mechanism to execute commands (such as restart device) on the device or request some data (such as get installed sensors). The Azure IoT SDK allows developers to work with the device as if it were a server with an exposed, simple API.

Choosing the right communication protocol depends on the specific requirements of your devices and the environment in which they operate. The Azure IoT Hub architecture supports multiple protocols for device communication, each suitable for different scenarios.

• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) pour les appareils légers et à faible consommation dotés d'une connectivité intermittente
• AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) pour les applications d'entreprise nécessitant des fonctionnalités de messagerie robustes et un débit élevé
• HTTP pour les appareils qui ne peuvent pas maintenir une connexion persistante ou qui se trouvent derrière des pare-feu stricts
• AMQP via WebSockets pour les environnements d'entreprise où les appareils doivent traverser des pare-feu et des proxys
• MQTT via WebSockets pour les appareils légers qui doivent traverser les pare-feu et les proxys

MQTT est le choix le plus courant pour les déploiements IoT en raison de sa légèreté. Il est important de noter qu'Azure IoT Hub ne prend pas en charge toutes les fonctionnalités de MQTT version 3.1.1 et ne prend pas en charge MQTT version 5.

En résumé, MQTT est idéal pour les appareils IoT à faible consommation, AMQP est parfait pour la messagerie d'entreprise, et HTTP convient aux environnements contraints avec des restrictions de pare-feu.

4. Améliorer la fiabilité des systèmes autonomes

Limites d'évolutivité et de débit des messages

Scaling an IoT solution requires balancing performance, cost, and device provisioning complexity. Azure IoT Hub provides a Device Provisioning Service (DPS) that enables zero-touch device provisioning at scale, seamlessly and automatically, without any user interaction. You configure it once, and then each new device, when connected to the Internet, automatically connects to the DPS, authenticates, connects to the IoT Hub, and starts communicating with the cloud.

En matière d'évolutivité, il est important de considérer différents aspects tels que :

• Volume et croissance des appareils – Combien d'appareils actifs seront provisionnés et gérés ? Quelle est la croissance attendue au cours des 6 à 12 prochains mois ?
• Fréquence de télémétrie – À quelle fréquence les appareils doivent-ils envoyer des données de télémétrie au cloud ?
• Taille du transfert de données Méthodes d'ingestion pour les bases de données de séries temporelles
• Budget de maintenance – Quel est le budget alloué à la maintenance des appareils par mois ou par an ?

Azure IoT Hub offre des options de mise à l'échelle flexibles pour répondre à vos besoins, vous permettant ainsi d'optimiser efficacement à la fois les coûts et les performances.

Interaction utilisateur

• Mise à l'échelle horizontale – Augmentez le nombre d'unités IoT Hub. Par exemple, si une instance S1 traite jusqu'à 400 000 messages par jour et que votre volume de messages atteint 600 000 messages, vous pouvez effectuer une mise à l'échelle horizontale en ajoutant une unité S1 supplémentaire (passage de 1 à 2 instances).
• Mise à l'échelle verticale – Passer à un niveau de prix supérieur (par exemple de S1 à S2 ou S3) pour bénéficier d'une capacité de traitement et d'un débit accrus. Cette option offre de meilleures performances, mais à un coût plus élevé.
• Provisionnement automatisé – Utilisez Azure IoT Device Provisioning Service (DPS) pour rationaliser et automatiser le provisionnement des appareils sur plusieurs IoT Hubs, ce qui facilite la gestion d'un environnement distribué.

Voici un tableau présentant les limites et les quotas d'opérations par niveau :

Préoccupations de sécurité

Chaque appareil doit être authentifié avant de pouvoir communiquer avec l'IoT Hub. L'authentification peut être réalisée à l'aide d'une clé symétrique ou d'un certificat X.509, selon le sécurité exigences et capacités de l'appareil.

Authentification par clé symétrique is ideal for devices with limited computing resources that cannot handle complex cryptographic operations. It offers quick and easy setup, making it suitable for test environments or small-scale deployments. This method is appropriate where security requirements are moderate, and the risk of key compromise is acceptable.

Qu'est-ce que l'écosystème Azure IoT ? provides a higher level of security, making it the preferred option when stronger authentication mechanisms are required. It is suitable for devices that can manage certificates and perform cryptographic operations. This method is often required to comply with stringent security standards and regulations and allows scalable certificate management through Certificate Authorities (CAs).

For production environments, X.509 certificates are strongly recommended due to their enhanced security and better scalability, while symmetric keys are more suitable for development or small-scale deployments. When using symmetric keys, regular key rotation is required to mitigate security risks.

Problèmes de latence et de connectivité

Depending on the requirements, different strategies and mechanisms can be chosen when designing the solution. For mission-critical applications that require real-time decisions independent of cloud connectivity, Azure IoT Edge enables local processing with cloud synchronisation. If possible, message delivery is acceptable, a retry mechanism can be used along with support for communication protocols such as message queuing or heartbeats.

L'IoT Hub utilise des jumeaux d'appareils pour synchroniser les états des appareils. Les appareils peuvent récupérer les configurations souhaitées lorsqu'ils se reconnectent, garantissant qu'ils sont toujours à jour.

Optimisation des coûts

En matière d'optimisation des coûts, il est important de prendre en compte des aspects tels que :

• Combien d'appareils actifs sont prévus pour être provisionnés et gérés, et quelle est la croissance potentielle
• À quelle fréquence les données de télémétrie doivent-elles être transmises des appareils vers le cloud
• Quelle est la taille de la charge utile prévue pour être envoyée par transfert de télémétrie
• Quel est le budget de maintenance des appareils par mois/année

Selon les réponses aux questions ci-dessus, Azure IoT Hub propose différentes options qui devraient aider les développeurs à trouver la solution la plus appropriée.

Qu'est-ce qui peut aider à optimiser une solution IoT ?

• Fréquence de télémétrie – Réduire la fréquence de transmission des données (par exemple, envoyer les données toutes les minutes au lieu de chaque seconde) peut réduire considérablement les coûts.
• Taille de la charge utile des données – Utilisez des charges utiles JSON compressées ou binaires pour minimiser les coûts de transfert de données.
• Traitement par lots des messages – L'agrégation des données avant envoi, plutôt que l'envoi fréquent de petits messages, améliore l'efficacité et réduit les coûts.
• Choisir le bon niveau de tarification – La surveillance de l'utilisation réelle permet d'éviter le surprovisionnement et de garantir une mise à l'échelle rentable.

Optimising telemetry frequency and payload size can significantly reduce costs without sacrificing critical insight. The general intention is to minimise the number of messages and the size of the payload to the minimum required to meet business needs. For example, if the business case is to know when the temperature changes, it may not be necessary to send the same temperature sensor value every minute.

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Réduction des coûts grâce à un téléchargement de fichiers efficace

In one of our projects, we had a requirement to minimise the overall cost of the solution where devices were collecting data every 15 seconds, but data needed to be sent to the cloud once an hour. In this case, sending telemetry would have been expensive because Azure IoT Hub counts messages in 4 KB chunks. We decided to use a file upload mechanism that sends 1 hour of collected telemetry in 1 file, which dramatically reduced the cost and allowed us to fit the solution into the budget.

Bonnes pratiques pour le développement Azure IoT

From a development perspective, it is important to have tools for developing IoT solutions. Azure provides an IoT SDK that handles low-level details, allowing both device and back-end developers to focus on high-level functionality. If there is a need to prove a business idea, Azure IoT Central can be a good starting point.

Azure Portal has monitoring tools that provide information on various metrics, such as the number of connected devices or the total number of messages sent by devices. IoT Hub has a device registry where it is possible to filter any device and check its Device Twin properties or call Direct Method from Azure Portal. Application Insights provides a comprehensive log analysis tool.

Azure IoT Explorer peut aider à suivre la télémétrie, ce qui peut être très utile pendant le développement, même avant que le développement du backend n'ait commencé. Tout cela offre aux développeurs des solutions prêtes à l'emploi qui simplifient le processus de développement.

En conclusion

Building an IoT solution from scratch can be a challenging task, but Azure IoT services and tools help developers build solid, reliable, scalable solutions more easily and quickly. There is no one-size-fits-all solution in IoT, but understanding the capabilities of Azure IoT allows developers to design scalable, secure, and cost-effective solutions tailored to their needs.

Si vous recherchez des conseils d'experts pour optimiser votre solution IoT, contactez notre équipe en remplissant le formulaire ci-dessous !

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