描述

背景

在客戶放棄概念證明( PoC )項(xiàng)目后，我在我桌子下面的盒子。

在過(guò)去幾年中，我構(gòu)建了一系列Windows 10 IoT Core現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序，用于將LoRa設(shè)備連接到Azure IoT 中心、Azure IoT Central和Adafruit.IO 。這些運(yùn)行良好，但現(xiàn)在我需要一個(gè)基于Microsoft Azure 云的解決方案，將連接到物聯(lián)網(wǎng) (TTN)的LoRaWAN設(shè)備連接到在Microsoft Azure中運(yùn)行的應(yīng)用程序。

我一直在為 .NET nanoFramework和GHI Electronics TinyCLR設(shè)備開(kāi)發(fā)庫(kù)的另一個(gè)項(xiàng)目，以啟用與RAK811 LPWAN 模塊（ PoC 的Wisduino外形）的LoRaWAN連接。

在新西蘭有兩個(gè)全國(guó)性的網(wǎng)絡(luò)（Spark IoT 、KotahiNet ），但我一直想探索 TTN 和The Things Industries的功能，它們看起來(lái)有足夠的診斷功能來(lái)滿足我的目的。

我假設(shè)如果您正在閱讀這個(gè)項(xiàng)目故事，那么您熟悉為 Microsoft Azure 開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，尤其是 IoT 服務(wù)。TTN 應(yīng)用程序和設(shè)備的配置在其他幾個(gè)Hackster.IO項(xiàng)目中已經(jīng)詳細(xì)介紹過(guò)，這里不再贅述。

這個(gè)項(xiàng)目是我博客上一系列帖子的總結(jié)，我在其中更詳細(xì)地介紹了解決方案的構(gòu)建。

在一開(kāi)始的時(shí)候

我最初連接了RAK WisGate 開(kāi)發(fā)者網(wǎng)關(guān)并配置了 RAK7200 Track Lite 設(shè)備。在 TTN 應(yīng)用程序設(shè)備數(shù)據(jù)選項(xiàng)卡中，我可以看到從設(shè)備接收到上行鏈路消息，并且大部分有效負(fù)載都被解碼，這是一個(gè)好的開(kāi)始。

建立聯(lián)系

我配置了我的 Arduino IDE，以便我可以訪問(wèn) Seeeduino、LoRaWAN 示例，然后編譯并將它們下載到我的設(shè)備。我使用本地網(wǎng)關(guān)測(cè)試了個(gè)性化激活 (ABP) 和空中激活 (OTAA)示例的修改版本，以確認(rèn)我的設(shè)備配置良好。在我記得我需要打開(kāi)我的Seeeduino Grove I2C 溫度和濕度傳感器連接器的電源之后，設(shè)備代碼第二次工作了。

反序列化 TTN 消息

我為我的一個(gè) TTN 應(yīng)用程序配置了TTN HTTP集成，因此它將上行鏈路消息發(fā)布到帶有 HTTP 觸發(fā)端點(diǎn)的 Azure 函數(shù)。

我使用JSON2Csharp和從 TTN 網(wǎng)站下載的示例上行鏈路有效負(fù)載來(lái)生成一些C#類的初始版本，以對(duì)上行鏈路消息進(jìn)行反序列化。

由于 JSON2CSharp 無(wú)法確定數(shù)字字段是整數(shù)還是無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整數(shù)，因此生成的代碼存在一些問(wèn)題。

TTN 文檔指出，在成功解碼上行鏈路消息時(shí)填充了 payload_fields 屬性。TTN 有一個(gè)內(nèi)置的Cayenne 低功耗有效負(fù)載 (LPP)消息解碼器，RAK7200 Wisnode 軌道燈部分支持該解碼器（還提供具有增強(qiáng)功能的定制解碼器/編碼器）。

我在我的Seeeduino LoRaWAN 設(shè)備上使用了第 3 方庫(kù)（來(lái)自 Electronic Cats 的 CayenneLPP 庫(kù)）來(lái)對(duì)包含溫度和濕度信息的有效載荷進(jìn)行編碼。

超越自己

解壓payload_fields 屬性讓我有些痛苦。我嘗試了許多不同的方法，但都失敗了。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后，我發(fā)現(xiàn)使用C# 對(duì)象是最簡(jiǎn)單的方法（盡管該字段的后處理更為復(fù)雜）。

public class PayloadV4
{
   public string app_id { get; set; }
   public string dev_id { get; set; }
   public string hardware_serial { get; set; }
   public int port { get; set; }
   public int counter { get; set; }
   public bool is_retry { get; set; }
   public string payload_raw { get; set; }
   //public JsonObject payload_fields { get; set; }
   //public JObject payload_fields { get; set; }
   //public JToken payload_fields { get; set; }
   //public JContainer payload_fields { get; set; }
   //public dynamic payload_fields { get; set; }
   public Object payload_fields { get; set; }
   public MetadataV4 metadata { get; set; }
   public string downlink_url { get; set; }
}

我還必須在我的 PoC 應(yīng)用程序中添加一些代碼來(lái)解壓縮具有嵌套字段的 RAK Wisnode 7200 Tracker 加速度計(jì)、陀螺儀和位置值。

然后，我使用Microsoft.Azure.Devices.Client庫(kù)連接到Azure IoT Hub或Azure IoT Central （使用 DPS-KeyGen 生成連接字符串）并上傳了我可以在Azure IoT explorer中看到的遙測(cè)消息。

使用 Azure 存儲(chǔ)隊(duì)列處理消息和失敗

對(duì)于我的HTTP 集成，我需要可靠地將上行鏈路消息轉(zhuǎn)發(fā)到Azure IoT 中心或Azure IoT Central ，因此我使用Azure 存儲(chǔ)隊(duì)列在我的Azure Function HTTPTrigger端點(diǎn)和消息處理器之間提供彈性緩沖區(qū)。

我的解決方案需要強(qiáng)大且不會(huì)丟失任何消息，即使系統(tǒng)的某些部分由于故障或入站流量突然激增而無(wú)法使用。

用于接收物聯(lián)網(wǎng) (TTN) HTTP 集成 JSON 消息的代碼使用了 Azure 函數(shù) HTTPTrigger。（使用APIKey 保護(hù)），然后將它們放入Azure 存儲(chǔ)隊(duì)列以進(jìn)行處理。

這段代碼故意保持盡可能小和盡可能簡(jiǎn)單，這樣就不會(huì)出錯(cuò)。經(jīng)過(guò)一些實(shí)驗(yàn)，只用了不到兩打 C# 行就創(chuàng)建了一個(gè)安全端點(diǎn)來(lái)接收上行鏈路消息并將它們放入Azure 存儲(chǔ)隊(duì)列。

通過(guò)存儲(chǔ)來(lái)自 TTN 的原始上行鏈路事件 JSON，應(yīng)用程序可以在無(wú)法反序列化時(shí)恢復(fù)（消息格式已更改或生成類問(wèn)題）當(dāng)隊(duì)列處理器無(wú)法處理上行鏈路事件消息時(shí)（引發(fā)異常）重試幾次后，它將最終進(jìn)入有毒消息隊(duì)列（以防故障是暫時(shí)的）。

上行鏈路消息隊(duì)列處理器使用Azure 函數(shù)隊(duì)列觸發(fā)器從隊(duì)列中提取消息，并在需要時(shí)預(yù)配設(shè)備，檢索 Azure IoT 中心/Azure IoT 中央連接字符串或使用緩存的 DeviceClient。

“自動(dòng)”供應(yīng)

對(duì)于開(kāi)發(fā)和測(cè)試而言，能夠預(yù)配單個(gè)設(shè)備確實(shí)很有用，盡管對(duì)于Azure IoT Central來(lái)說(shuō)這并不容易（尤其是在棄用 DPS-KeyGen 的情況下）。通過(guò)Azure IoT Hub設(shè)備連接字符串在門戶中可用，這很方便，但可擴(kuò)展性不是很好。

Azure IoT 中心與 Azure IoT Central集成，并且Azure IoT Central強(qiáng)制使用設(shè)備預(yù)配服務(wù) (DPS)。DPS 旨在支持管理 1000 臺(tái)設(shè)備，這些設(shè)備需要一些自定義應(yīng)用程序來(lái)進(jìn)行壓力和浸泡測(cè)試。

我的物聯(lián)網(wǎng)HTTP 集成(TTN)旨在支持許多設(shè)備并與Azure IoT Central集成。DPS 支持使用可信平臺(tái)模塊 (TPM)進(jìn)行設(shè)備認(rèn)證，但這種方法不適用于我的應(yīng)用程序。我的 TTN 應(yīng)用程序集成使用具有對(duì)稱密鑰證明的組注冊(cè)

Azure IoT 中心集成

盡管可以在Azure IoT 中心預(yù)配單個(gè)設(shè)備，但Azure 設(shè)備預(yù)配服務(wù) (DPS)是首選方法。

scopeID 和主要/次要注冊(cè)密鑰在Azure Key Vault中配置，Azure QueueTrigger 函數(shù)可以安全地訪問(wèn)它們。

對(duì)于更復(fù)雜的部署，可以使用基于 applicationID（或 applicationID + 端口號(hào)）的不同 GroupEnrollment 密鑰來(lái)配置物聯(lián)網(wǎng) (TTN)設(shè)備。這方面的一個(gè)例子是卡車上的跟蹤設(shè)備報(bào)告位置數(shù)據(jù)，其中一個(gè)端口號(hào)和另一個(gè)端口號(hào)的貨物溫度和濕度，因此可以將遙測(cè)事件路由到正確的應(yīng)用程序。

然后，在處理設(shè)備的第一條上行鏈路消息時(shí)，它會(huì)在 DPS 和 Azure IoT Hub 中“自動(dòng)”創(chuàng)建。

Azure IoT 中心集成

物聯(lián)網(wǎng) (TTN) HTTP 集成上行鏈路消息必須進(jìn)行配置，然后進(jìn)行后處理，以便 Azure IoT Central 顯示它們。

第一步是從 Administration\Device 連接復(fù)制 IDScope 和一個(gè)主/輔助密鑰，并將它們存儲(chǔ)在Azure Key Vault中。

對(duì)于更復(fù)雜的部署，可以根據(jù)啟動(dòng)配置的第一個(gè)上行鏈路消息中的 applicationid（或 applicationID + 端口號(hào)）使用不同的GroupEnrollment密鑰來(lái)配置物聯(lián)網(wǎng) (TTN)設(shè)備。

在處理來(lái)自 TTN 設(shè)備的第一條上行鏈路消息后不久，它將在“未關(guān)聯(lián)設(shè)備”選項(xiàng)卡中列出。

然后可以將設(shè)備與Azure IoT Central Device Template關(guān)聯(lián)。

設(shè)備模板提供上行消息有效載荷字段到設(shè)備屬性的映射。在此示例中，有效載荷字段已由TTN 應(yīng)用集成 Cayenne 低功耗協(xié)議 (LPP)解碼器生成。許多LoRaWAN設(shè)備使用 LPP 來(lái)最小化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小。

一旦設(shè)備與模板相關(guān)聯(lián)，就可以配置用戶友好的設(shè)備名稱等。

Azure IoT Central 具有映射功能，可用于顯示設(shè)備的位置。

TTN LPP 解碼器生成的位置有效負(fù)載的格式與 Azure IoT Central 所需的格式不同。我添加了臨時(shí)代碼（“一種具有成本效益的加速部署修改”又名黑客）來(lái)格式化 TelemetryEvent 有效負(fù)載，以便顯示它。

if (token.First is JValue)
{
   // Temporary dirty hack for Azure IoT Central compatibility
   if (token.Parent is JObject possibleGpsProperty)
   {
      if (possibleGpsProperty.Path.StartsWith("GPS", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
      {
         if (string.Compare(property.Name, "Latitude", true) == 0)
         {
            jobject.Add("lat", property.Value);
         }
         if (string.Compare(property.Name, "Longitude", true) == 0)
         {
            jobject.Add("lon", property.Value);
         }
         if (string.Compare(property.Name, "Altitude", true) == 0)
         {
            jobject.Add("alt", property.Value);
         }
      }
   }
   jobject.Add(property.Name, property.Value);
}

在配置設(shè)備模板、將一些設(shè)備與模板關(guān)聯(lián)并修改每個(gè)設(shè)備的屬性后，我可以創(chuàng)建一個(gè)儀表板來(lái)查看我的Seeeduino LoRaWAN 設(shè)備返回的溫度和濕度信息。

保守秘密

應(yīng)用程序集成配置包含敏感信息，例如設(shè)備預(yù)配服務(wù) (DPS) 組注冊(cè)對(duì)稱密鑰和Azure IoT 中心連接字符串。

Azure Key Vault旨在保護(hù)連接字符串等敏感信息，因此我在資源組中添加了一個(gè)。

我編寫了一個(gè)包裝器，它根據(jù)上行鏈路消息有效負(fù)載中的物聯(lián)網(wǎng) (TTN)應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)符和端口信息解析配置設(shè)置。resolve 方法首先查找 applicationId 和 port 的配置（由 – 分隔），然后是 applicationId，最后返回到默認(rèn)值。

此功能用于 AzureIoTHub 連接字符串、DPS IDScopes、DPS 注冊(cè)組對(duì)稱密鑰，也用于格式化緩存密鑰。

Azure 函數(shù)配置設(shè)置（如 Azure 存儲(chǔ)連接字符串）的值被替換為對(duì) Azure Key Vault 中機(jī)密的引用。

在 Azure Key Vault“訪問(wèn)策略”中，我配置了“應(yīng)用程序訪問(wèn)策略”，因此我的 Azure TTNAzureIoTHubMessageV2Processor 函數(shù)標(biāo)識(shí)可以檢索機(jī)密。

去大或回家

在我最初的實(shí)現(xiàn)中，我使用ConcurrentDictionary來(lái)存儲(chǔ)Azure IoT Hub連接，以減少對(duì)設(shè)備預(yù)配服務(wù) (DPS) 的調(diào)用次數(shù)。經(jīng)過(guò)一些測(cè)試后，我將其替換為 a. Net ObjectCache位于System.Runtime.Caching命名空間中。

我使用緩存來(lái)存儲(chǔ)Azure IoT Hub連接以減少對(duì)設(shè)備預(yù)配服務(wù) (DPS)的調(diào)用次數(shù)，但連接數(shù)仍然太高。

因此，經(jīng)過(guò)一番研究，我決定啟用高級(jí)消息隊(duì)列協(xié)議（AMQP）連接池。

return DeviceClient.Create(result.AssignedHub,
   authentication,
   new ITransportSettings[]
   {
      new AmqpTransportSettings(TransportType.Amqp_Tcp_Only)
      {
         PrefetchCount = 0,
         AmqpConnectionPoolSettings = new AmqpConnectionPoolSettings()
         {
            Pooling = true,
         }
      }
   }
);

在此之后，連接數(shù)顯著減少

“市場(chǎng)結(jié)構(gòu)”圖

哎呀我把自己畫到一個(gè)角落里

在對(duì)上行鏈路消息的處理進(jìn)行擴(kuò)展和浸泡測(cè)試后，我意識(shí)到我所做的一些設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)選擇意味著處理下行鏈路消息并不容易。

如果您的應(yīng)用程序只需要接收來(lái)自 LoRaWAN 設(shè)備的消息，此解決方案將是理想的。

為了支持下行消息，我很可能必須轉(zhuǎn)換到MQTT 數(shù)據(jù) API并刪除一些高級(jí)配置選項(xiàng)。

這將需要一段時(shí)間，所以如果您有興趣，請(qǐng)關(guān)注我的博客，我將在其中發(fā)布我的進(jìn)展。