IoT Device Management Using LwM2M

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

مدیریت دستگاه اینترنت اشیا با استفاده از LwM2M — تصویر: © اینترنت اشیا برای همه

در بازار امروز، دستگاه های اینترنت اشیا به اشکال و اشکال مختلف می آیند. هر دستگاه دارای یک پشته ارتباطی منحصر به فرد است که با یک ساختار بسته داده خاص و یک لایه مدیریت دستگاه طراحی شده است. اکنون تلاش یک توزیع کننده انرژی را تصور کنید که برندهای مختلف کنتورهای هوشمند را در طول سال ها برای اندازه گیری میزان مصرف برق در هزاران ساختمان به کار گرفته است. هر متر دارای ساختار داده متفاوتی است که باید فرمت شود. فرآیندهای خاصی برای مدیریت از راه دور دستگاه های مختلف باید پیاده سازی شوند و مکانیسم های خاصی برای به روز رسانی سیستم عامل دستگاه ها باید در نظر گرفته شود.

هنگامی که دستگاه‌ها از استاندارد LwM2M استفاده می‌کنند، ادغام‌کنندگان اینترنت اشیا می‌توانند مطمئن باشند که هر دستگاه به طور مشابه داده‌های خود را گزارش می‌کند. پیکربندی‌ها و میان‌افزار را می‌توان با استفاده از دستورات سرور مشابه مستقل از سخت‌افزار، نسخه میان‌افزار یا سنسورهای مورد استفاده به‌روزرسانی کرد. بیایید سه مؤلفه اساسی LwM2M را که قابلیت همکاری را تضمین می کند، بررسی کنیم: قالب استاندارد داده، معماری LwM2M، و عملیات LwM2M.

هنگامی که دستگاه‌ها از استاندارد LwM2M استفاده می‌کنند، ادغام‌کنندگان اینترنت اشیا می‌توانند مطمئن باشند که هر دستگاه به طور مشابه داده‌های خود را گزارش می‌کند.

-AVSystem

فرمت داده LwM2M

LwM2M یک پروتکل ارتباطی لایه کاربردی است که توسط OMA SpecWorks برای ساده سازی پیام رسانی و مدیریت دستگاه دستگاه های اینترنت اشیا. این پروتکل معنایی ارتباط، مکانیسم‌های مدیریت دستگاه، به‌روزرسانی‌های هوایی (FOTA) و جمع‌آوری داده‌های تله‌متری را تعریف می‌کند و برای دستگاه‌های دارای محدودیت منابع مناسب است. استاندارد LwM2M از اشیاء هوشمند IPSO برای نمایش پیکربندی‌ها، قابلیت‌ها و حسگرها برای تحقق قابلیت همکاری داده‌ها استفاده می‌کند. هنگام ساختاردهی اشیاء هوشمند IPSO به روشی خاص، زبانی ایجاد می شود که هم مشتری LwM2M و هم سرور LwM2M می توانند آن را درک کنند. این زبان شامل اشیا، نمونه های شی و منابع است.

شماره 1: اشیاء

اشیاء یک مؤلفه فیزیکی (حسگر، LED، یا محرک) یا یک موجودیت منطقی (مانند فناوری رادیویی ترجیحی، پیکربندی به‌روزرسانی میان‌افزار، یا اجرای امنیتی) را نشان می‌دهند. همه اشیا با شناسه شی تعریف می شوند. استاندارد LwM2M سه شی اجباری را تعریف می کند که برای اتصال و ارتباط دستگاه با سرور LwM2M ضروری هستند. اشیاء اجباری عبارتند از:

شناسه شی 0: امنیت LwM2M: حاوی اطلاعات محرمانه در مورد اتصالات به سرورهای LwM2M پیکربندی شده روی کلاینت است.
شناسه شی 1: سرور LwM2M: حاوی اطلاعات غیر محرمانه در مورد اتصالات به سرورهای LwM2M پیکربندی شده روی کلاینت است.
شناسه شی 3: دستگاه: حاوی اطلاعات اولیه در مورد دستگاه، مانند شماره سریال و نسخه سیستم عامل است.

در کنار اشیاء اجباری، اشیاء اضافی را می توان پیاده سازی کرد. نمونه هایی از اشیاء غیر اجباری عبارتند از:

شناسه شی 4: نظارت بر اتصال: اطلاعاتی در مورد وضعیت اتصال دستگاه، مانند قدرت سیگنال و نوع شبکه ارائه می دهد.
شناسه شی 5: به روز رسانی سیستم عامل: اجازه می دهد تا به روز رسانی سیستم عامل از راه دور انجام شود.
شناسه شی 6: مکان: اطلاعاتی در مورد موقعیت جغرافیایی دستگاه مانند طول و عرض جغرافیایی آن ارائه می دهد.
شناسه شی 11: نمایه اتصال LwM2M APN: دستگاه را قادر می سازد تا به یک APN متصل شود.
شناسه شی 3303: دما: اندازه گیری دما را گزارش می دهد.
شناسه شی 3313: شتاب سنج: نشان دهنده یک شتاب سنج 1-3 محوری است.

شماره 2: نمونه های شی

برخی از اشیا ممکن است چندین نمونه شی داشته باشند. نمونه هایی از چنین اشیایی شامل شی ای است که اتصالات به سرورهای LwM2M را مدیریت می کند، زیرا چندین سرور LwM2M را می توان پیکربندی کرد یا دستگاه هایی که حاوی چندین هستند. سیم کارت با پروفایل های مختلف APN. هنگامی که دستگاه ها دارای چندین حسگر یکسان هستند، از نمونه های شی برای تشخیص سنسورهای مختلف استفاده می شود.

شماره 3: منابع

منابع ویژگی های خاصی از یک شی را نشان می دهند که می توان آنها را خواند، نوشت یا اجرا کرد. هر منبع با یک شناسه منبع منحصر به فرد شناسایی می شود. به عنوان مثال، یک شی دما دارای دمای فعلی منبع، یک واحد اندازه گیری و یک مهر زمانی است. به طور مشابه، شی دستگاه دارای منابعی مانند نام سازنده، شماره سریال و نسخه سیستم عامل است. شی مکان دارای عرض جغرافیایی، طول و ارتفاع منبع است. تمام جزئیات اشیاء و منابع در تعریف شده است ثبت OMA. همچنین اگر ویژگی یا حسگر خاصی در رجیستری OMA فهرست نشده باشد، امکان تعریف شی سفارشی شما وجود دارد.

هر منبع حاوی یک شناسه، یک نوع (float، string، int، opaque) و عملیات مجاز سرور (مانند READ، WRITE یا EXECUTE) است. بیایید به چند نمونه نگاهی بیندازیم.

مثال ها

شی دستگاه با شناسه 3 نشان داده می شود و منابع عبارتند از:

شناسه منبع	نام منبع	عملیات سرور	نوع
0	سازنده	خواندن	رشته
1	شماره مدل	خواندن	رشته
3	نسخه نرم افزار	خواندن	رشته
4	راه اندازی مجدد	قابل اجرا	-
13	زمان فعلی	قابل نوشتن	زمان

شی دستگاه

شی دما با شناسه نشان داده می شود 3303و منابع عبارتند از:

شناسه منبع	نام منبع	عملیات سرور	نوع
5700	ارزش سنسور	خواندن	شناور
5701	واحدهای حسگر	خواندن	رشته
5518	TIMESTAMP	خواندن	زمان

جسم دما

هنگام ارسال داده، هر پیام به صورت زیر قالب بندی می شود: / / =

برای ارسال آخرین داده های دما، می تواند چیزی شبیه به این باشد: 3303/0/5700 = 23.5

برای بهینه‌سازی پهنای باند، داده‌ها معمولاً روی یک بار باینری با فضای کارآمد کدگذاری می‌شوند. اگرچه داده ها را می توان با JSON ساده ارسال کرد، اما رایج تر استفاده از CBOR یا SenML برای کاهش اندازه بار است.

ارسال طول و عرض جغرافیایی با استفاده از قالب داده LwM2M

نمونه های منابع

در برخی موارد، منابع دارای چندین نمونه از منابع هستند. برای مثال، شی Device 3 شامل منبع 6: منابع انرژی موجود است. نمونه های مختلف منابع انرژی مختلف را توصیف می کنند:

0: برق DC
1: باتری داخلی
2: باتری خارجی
3: پیل سوختی
4: قدرت از طریق اترنت
5: USB
6: برق AC (برق).
7: خورشیدی

برای توصیف در دسترس بودن انرژی خورشیدی، قالب پیام به این صورت می شود: 3/0/6/7.

معماری LwM2M: مشتری و سرور

معماری LwM2M شامل مشتری LwM2M و سرور LwM2M است. این ارتباط مستقل از فناوری (بی سیم) مورد استفاده کار می کند و می تواند در بالای شبکه های IP و غیر IP اجرا شود. فن آوری های IP محبوب شامل WiFi و تلفن همراه است. غیر IP شامل بلوتوث، LoRaWAN یا Wirepas است. شبکه های غیر IP را می توان با استفاده از شبکه های IEEE 802.15.4 (6LoWPAN) آدرس دهی کرد. به عنوان مثال، با اجرای یک رشته از طریق بلوتوث.

استاندارد LwM2M از پروتکل CoAP استفاده می کند تا دستگاه ها به راحتی با ابر ارتباط برقرار کنند. CoAP را به عنوان پروتکل HTTP در نظر بگیرید، اما برای دستگاه های با محدودیت منابع طراحی شده است. CoAP اغلب با MQTT مقایسه می شود زیرا هر دو پروتکل معمولاً در برنامه های IoT استفاده می شوند. تفاوت اصلی این است که CoAP به طور پیش فرض از UDP استفاده می کند در حالی که MQTT به TCP متکی است. سربار کوچک UDP اغلب به عنوان یک مزیت در مقایسه با TCP دیده می شود. اگر چه CoAP را می توان با TCP استفاده کرد، UDP اغلب زمانی که استفاده کارآمد از منابع شبکه در اولویت است، انتخاب ارجح است.

مشتریان محبوب LwM2M عبارتند از Anjay (نگهداری توسط AVSystem) و Zephyr LwM2M Client (نگهداری توسط Zephyr Project). سرور LwM2M ارائه شده توسط AVSystem Coiote نام دارد و می تواند برای پردازش داده ها، پیکربندی ها و به روز رسانی سیستم عامل دستگاه استفاده شود.

LwM2M Client روی دستگاه پایانی اجرا می شود و با استفاده از یک اتصال امن با سرور LwM2M ارتباط برقرار می کند. کلاینت سرور را در مورد اشیاء و منابع پشتیبانی شده در طول اولین اتصال خود و همچنین در طول به روز رسانی وضعیت دوره ای مطلع می کند. در طول عمر دستگاه، کلاینت اعلانی را با داده های تله متری فرمت شده طبق استاندارد LwM2M به سرور ارسال می کند. تمام داده‌ها توسط سرور LwM2M جمع‌آوری و ذخیره می‌شوند، جایی که می‌توان آن‌ها را بیشتر پردازش کرد یا به پایگاه‌های داده خاصی از پلتفرم‌هایی مانند Azure IoT Hub یا AWS IoT Core ارسال کرد.

عملیات LwM2M

سومین ویژگی اصلی پروتکل LwM2M عملیاتی است که می تواند هم از کلاینت و هم از سرور شروع شود. عملیات کلاینت برای اطلاع رسانی به سرور در مورد داده های تله متری یا وضعیت دستگاه ها استفاده می شود. عملیات سرور برای خواندن یا نوشتن داده ها یا برای به روز رسانی از راه دور پیکربندی دستگاه یا سیستم عامل در طول زمان استفاده می شود. دو رابط را می توان متمایز کرد: رابط گزارش اطلاعات، و رابط مدیریت دستگاه.

شماره 1: رابط گزارش اطلاعات

سرویس گیرنده LwM2M می تواند سرور را در مورد داده های تله متری یا تغییرات حالت در زمان واقعی، که توسط مشتری آغاز شده است، مطلع کند. سرور همچنین می‌تواند رفتار دستگاه را با درخواست از دستگاه برای ارسال داده در فواصل دوره‌ای، یا زمانی که مقادیر از آستانه معینی فراتر می‌رود، تعریف کند (مثلاً زمانی که دما از 30 درجه بالاتر می‌رود). این را می توان با استفاده از عملیات: مشاهده، ارسال و اطلاع رسانی انجام داد.

تماشا کردن: هنگامی که عملیات Observe فراخوانی می شود، Client شروع به ارسال پیام های NOTIFY به سرور در مورد داده ها یا وضعیت آن در فواصل زمانی قابل تنظیم می کند. عملیات OBSERVE را می توان در هنگام ارسال نیز لغو کرد لغو مشاهده.
ارسال: پیام SEND توسط مشتری برای ارسال داده ها به سرور بدون درخواست صریح استفاده می شود. بسته به سفت‌افزار برنامه، می‌توان از آن برای گزارش اندازه‌گیری‌های جدید یا اطلاع دادن به سرور در مورد تغییر داده‌ها یا وضعیت تله‌متری استفاده کرد.
اعلام کردن: در پاسخ به عملیات OBSERVE که از سرور آغاز شده است، سرویس گیرنده عملیات NOTIFY را با داده ارسال می کند. معمولاً سرور پهنای باندی را فراهم می کند که مشتری باید داده های خود را در آن ارسال کند. به عنوان مثال حداقل هر 1 ساعت، اما نه بیشتر از یک بار در هر 15 دقیقه.

شماره 2: رابط مدیریت دستگاه

رابط مدیریت دستگاه به سرور اجازه می دهد تا از راه دور با سرویس گیرنده LwM2M متصل شود و پیکربندی، نرم افزار، امنیت و غیره آن را مدیریت کند. این رابط دارای مجموعه ای از عملیات استاندارد شده است که همه آنها توسط سرور آغاز می شوند.

كشف كردن: بازیابی لیستی از اشیاء و منابع پشتیبانی شده توسط مشتری.
خواندن: بازیابی مقدار فعلی یک منبع خاص یا یک شی به عنوان یک کل.
نوشتن: تغییر مقدار یک منبع خاص یا یک شی به عنوان یک کل.
اجرا کردن: فراخوانی یک عمل یا عملیات روی یک منبع. برای مثال دستور دادن به دستگاه برای بازنشانی، راه‌اندازی مجدد یا ارتقاء سیستم عامل آن.
ايجاد كردن: ایجاد یک نمونه شی جدید.
حذف: حذف یک نمونه شی.

با LwM2M ساده کنید

چشم انداز اینترنت اشیا تکه تکه شده است و هنگام حفاری در فناوری های بی سیم، پروتکل های پیام رسانی و فرمت های داده، به راحتی گم می شود. LwM2M وعده می دهد که دنیای متصل را از طریق استانداردسازی و قابلیت همکاری ساده کند. این امر در نتیجه اشیاء هوشمند IPSO با شناسه‌های از پیش تعریف‌شده انجام می‌شود که امکان ایجاد یک نمایش دیجیتالی از دستگاه را فراهم می‌کند. فرمت استاندارد داده به هر سرور LwM2M اجازه می دهد تا به راحتی داده ها را تفسیر کند. معماری سرویس گیرنده-سرور نحوه جریان داده ها بین دستگاه های پایانی و وب را مشخص می کند. در نهایت، عملیات از پیش تعریف شده دستگاه ها را قادر می سازد تا داده ها را ارسال کرده و در طول زمان پیکربندی مجدد شوند.