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将 Raspberry Pi 连接到 Azure IoT 中心 (C)

在本教程中,首先学习有关使用运行 Raspberry Pi OS 的 Raspberry Pi 的基础知识。 然后将学习如何使用 Azure IoT 中心将设备无缝连接到云。 有关 Windows 10 IoT Core 的示例,请访问 Windows 开发人员中心

还没有工具包? 请尝试 Raspberry Pi 联机模拟器。 或在此处购买新工具包。

准备工作

  • 创建 IoT 中心。

  • 在 IoT 中心内为 Pi 注册设备。

  • 设置 Raspberry Pi。

  • 在 Pi 上运行示例应用程序,以将传感器数据发送到 IoT 中心。

将 Raspberry Pi 连接到创建的 IoT 中心。 然后,在 Pi 上运行示例应用程序,以从 BME280 传感器收集温度和湿度数据。 最后,将传感器数据发送到 IoT 中心。

学习内容

  • 如何创建 Azure IoT 中心以及如何获取新的设备连接字符串。

  • 如何通过 BME280 传感器连接 Pi。

  • 如何通过在 Pi 上运行示例应用程序来收集传感器数据。

  • 如何将传感器数据发送到 IoT 中心。

所需条件

What you need

  • Raspberry Pi 2 或 Raspberry Pi 3 电路板。

  • 一个有效的 Azure 订阅。 如果没有 Azure 帐户,只需几分钟时间就能创建一个免费的 Azure 试用帐户

  • 监视器、USB 键盘和连接到 Pi 的鼠标。

  • 运行 Windows 或 Linux 的 Mac 或 PC。

  • Internet 连接。

  • 16 GB 或更大内存的 microSD 卡。

  • USB-SD 适配器或 microSD 卡,用于将操作系统映像刻录到 microSD 卡中。

  • 带有 6 英尺微型 USB 电缆的 5 伏 2 安电源。

以下项是可选项:

  • 已装配的 Adafruit BME280 温度、压力和湿度传感器。

  • 试验板。

  • 6 根 F/M 跳线。

  • 散射的 10 毫米 LED 灯。

注意

上述项为可选项,因为代码示例支持模拟的传感器数据。

创建 IoT 中心

此部分介绍如何使用 Azure 门户创建 IoT 中心。

  1. 登录 Azure 门户

  2. 在 Azure 主页上,选择“+ 创建资源”按钮。

  3. 在“类别”菜单中,选择“物联网”,然后选择“IoT 中心”。

  4. 在“基本信息”选项卡上,按如下所示填写字段:

    • 订阅:选择要用于中心的订阅。

    • 资源组:选择资源组或新建资源组。 若要新建资源组,请选择“新建”并填写要使用的名称。 若要使用现有的资源组,请选择它。 有关详细信息,请参阅管理 Azure 资源管理器资源组

    • 区域:选择中心所在的区域。 选择最靠近你的位置。 某些功能(如 IoT 中心设备流)仅适用于特定区域。 对于这些受限功能,你必须选择受支持的区域之一。

    • IoT 中心名称:输入中心的名称。 此名称必须全局唯一,长度介于 3 到 50 个字母数字字符之间。 名称还可以包含短破折号 ('-') 字符。

    重要

    由于 IoT 中心将作为 DNS 终结点公开可发现,因此请务必避免在命名它时输入任何敏感信息或个人身份信息。

    Create a hub in the Azure portal.

  5. 在完成时选择“下一步:网络”,继续创建中心。

    选择设备可以用来连接到 IoT 中心的终结点。 可以选择默认设置“公共访问”,或者选择“专用访问”。 接受此示例的默认设置。

    Choose the endpoints that can connect.

  6. 在完成时选择“下一步:管理”,继续创建中心。

    Set the size and scale for a new hub using the Azure portal.

    可在此处接受默认设置。 如果需要,可以修改以下任何字段:

    • 定价和缩放层:选择的层。 可以根据你需要的功能数以及每天通过解决方案发送的消息数从多个层级中进行选择。 免费层适用于测试和评估。 允许 500 台设备连接到中心,每天最多可传输 8,000 条消息。 每个 Azure 订阅可以在免费层中创建一个 IoT 中心。

      如果你正在按照快速入门进行操作,请选择免费层级。

    • IoT 中心单元:每日每单位允许的消息数取决于中心的定价层。 例如,如果希望中心支持 700,000 条消息引入,请选择两个 S1 层单位。 有关其他层选项的详细信息,请参阅选择合适的 IoT 中心层

    • Microsoft Defender for IoT:启用此功能可为 IoT 和设备添加额外的一层威胁防护。 此选项不可用于免费层的中心。 详细了解针对 Defender for IoT 中的 IoT 中心的安全建议

    • 基于角色的访问控制:选择如何管理对 IoT 中心的访问,是否允许共享的访问策略,或者,是否只支持基于角色的访问控制。 有关详细信息,请参阅使用 Azure Active Directory 控制对 IoT 中心的访问

    • 设备到云的分区:此属性会将设备到云的消息与这些消息的同步读取器的数量关联起来。 大多数中心只需要 4 个分区。

  7. 在完成时选择“下一步:标记”继续到下一屏幕。

    标记是名称/值对。 可以为多个资源和资源组分配相同的标记,以便对资源进行分类并合并计费。 在本文档中,不会添加任何标记。 有关详细信息,请参阅使用标记来组织 Azure 资源

    Assign tags for the hub using the Azure portal.

  8. 在完成时选择“下一步:查看+创建”可查看选择。 你会看到类似于此屏幕的内容,但其中包含创建中心时选择的值。

    Review information for creating the new hub.

  9. 选择“创建”,以启动新中心的部署。 创建中心时,部署将持续几分钟。 部署完成后,选择“转到资源”以打开新的中心。

在 IoT 中心内注册新设备

本部分在 IoT 中心的标识注册表中创建设备标识。 设备无法连接到中心,除非它在标识注册表中具有条目。 有关详细信息,请参阅 IoT 中心开发人员指南

  1. 在 IoT 中心导航菜单中,打开“设备”,然后选择“添加设备”,以在 IoT 中心中添加设备。

    Screen capture that shows how to create a device identity in the portal

  2. 在“创建设备”中,提供新设备的名称(例如 myDeviceId),然后选择“保存”。 此操作会为 IoT 中心创建设备标识。 让“自动生成密钥”保持选中状态,这样将自动生成主密钥和辅助密钥。

    Screen capture that shows how to add a new device

    重要

    收集的日志中可能会显示设备 ID 用于客户支持和故障排除,因此,在为日志命名时,请务必避免包含任何敏感信息。

  3. 在创建了设备后,在“设备”窗格的列表中打开该设备。 复制“主连接字符串”。 设备代码使用此连接字符串与中心通信。

    默认情况下,密钥和连接字符串进行了掩码处理,因为它们是敏感信息。 如果单击眼睛图标,则会显示它们。 使用“复制”按钮进行复制时,无需显示它们。

    Screen capture that shows the device connection string

注意

IoT 中心标识注册表只存储设备标识,以启用对 IoT 中心的安全访问。 它存储设备 ID 和密钥用作安全凭据,以及可用于禁用单个设备访问的启用/禁用标志。 如果应用程序需要存储其他特定于设备的元数据,则应使用特定于应用程序的存储。 有关详细信息,请参阅 IoT 中心开发人员指南

设置 Raspberry Pi

现在设置 Raspberry Pi。

安装 Raspberry Pi OS

准备用于安装 Raspberry Pi OS 映像的 microSD 卡。

  1. 下载 Raspberry Pi OS。

    1. 下载 Raspberry Pi OS with Desktop(.zip 文件)。

    2. 将映像解压缩到计算机的某个文件夹中。

  2. 将 Raspberry Pi OS 安装到 microSD 卡。

    1. 下载并安装 Etcher SD 卡刻录机实用工具

    2. 运行 Etcher 并选择已在步骤 1 中解压缩的 Raspberry Pi OS 映像。

    3. 选择 microSD 卡驱动器。 注意,Etcher 可能已选择了正确的驱动器。

    4. 单击“Flash”,将 Raspberry Pi OS 安装到 microSD 卡。

    5. 在安装完成后,从计算机中移除 microSD 卡。 可以安全地直接移除 microSD 卡,因为在完成时 Etcher 会自动弹出或卸载 microSD 卡。

    6. 将 microSD 卡插入到 Pi 中。

启用 SSH 和 SPI

  1. 将 Pi 连接到监视器、键盘和鼠标,启动 Pi,然后通过将 pi 用作用户名并将 raspberry 用作密码来登录 Raspberry Pi OS。

  2. 依次单击 Raspberry 图标 >“首选项”>“Raspberry Pi 配置”。

    The Raspberry Pi OS Preferences menu

  3. 在“接口”选项卡上,将“SPI”和“SSH”设置为“启用”,并单击“确定”。 如果没有物理传感器并且想要使用模拟的传感器数据,则此步骤是可选的。

    Enable SPI and SSH on Raspberry Pi

注意

若要启用 SSH 和 SPI,可在 raspberrypi.orgRASPI-CONFIG 中找到更多参考文档。

将传感器连接到 Pi

使用试验板和跳线,将 LED 灯和 BME280 连接到 Pi,如下所示。 如果没有该传感器,请跳过此部分

The Raspberry Pi and sensor connection

BME280 传感器可收集温度和湿度数据。 如果设备和云之间有通信,LED 将闪烁。

对于传感器引脚,请使用以下接线:

启动(传感器和 LED 灯) 结束(开发板) 线缆颜色
LED VDD(引脚 5G) GPIO 4(引脚 7) 白线
LED GND(引脚 6G) GND(引脚 6) 黑线
VDD(引脚 18F) 3.3 伏 PWR(引脚 17) 白线
GND(引脚 20F) GND(引脚 20) 黑线
SCK(引脚 21F) SPI0 SCLK(引脚 23) 橙色电缆
SDO(引脚 22F) SPI0 MISO(引脚 21) 黄色电缆
SDI(引脚 23F) SPI0 MOSI(引脚 19) 绿色电缆
CS(引脚 24F) SPI0 CS(引脚 24) 蓝线

单击以查看 Raspberry Pi 2 和 3 引脚映射以供参考。

成功将 BME280 连接到 Raspberry Pi 后,它应如下图所示。

Connected Pi and BME280

将 Pi 连接到网络

通过使用微型 USB 电缆和电源为 Pi 通电。 使用以太网电缆将 Pi 连接到有线网络,或者按照 Raspberry Pi Foundation 中的说明将 Pi 连接到无线网络。 将 Pi 成功连接到网络后,需要记下 Pi 的 IP 地址

Connected to wired network

在 Pi 上运行示例应用程序

登录到 Raspberry Pi

  1. 使用主计算机的以下任一 SSH 客户端连接到 Raspberry Pi。

    Windows 用户

    1. 下载并安装 PuTTY for Windows。
    2. 将 Pi 的 IP 地址复制到主机名(或 IP 地址)部分,并选择 SSH 作为连接类型。

    PuTTy

    Mac 和 Ubuntu 用户

    使用 Ubuntu 或 macOS 上的内置 SSH 客户端。 可能需要运行 ssh pi@<ip address of pi>,以通过 SSH 连接 Pi。

    注意

    默认用户名是 pi,密码是 raspberry

配置示例应用程序

  1. 通过运行以下命令,克隆示例应用程序:

    git clone https://github.com/Azure-Samples/iot-hub-c-raspberrypi-client-app.git
    
  2. 安装脚本随示例一起提供,用于准备开发环境并生成示例。 运行安装脚本:

    cd ./iot-hub-c-raspberrypi-client-app
    sudo chmod u+x setup.sh
    sudo ./setup.sh
    

    注意

    如果没有物理 BME280,可使用“--simulated-data”作为命令行参数来模拟温度和湿度数据。 sudo ./setup.sh --simulated-data

生成并运行示例应用程序

  1. 安装脚本应已生成示例。 但是,如果要进行更改并需要重新生成示例应用程序,请运行以下命令:

    cmake . && make
    

    Build output

  2. 通过运行以下命令,生成示例应用程序:

    sudo ./app '<DEVICE CONNECTION STRING>'
    

    注意

    确保将设备连接字符串复制并粘贴到单引号中。

应看到以下输出,该输出显示传感器数据和发送到 IoT 中心的消息。

Output - sensor data sent from Raspberry Pi to your IoT hub

读取 IoT 中心收到的消息

若要监视 IoT 中心从设备收到的消息,一种方法是使用适用于 Visual Studio Code 的 Azure IoT Tools。 若要了解详细信息,请参阅使用适用于 Visual Studio Code 的 Azure IoT Tools 在设备和 IoT 中心之间发送和接收消息

若要了解如何通过更多方式来处理设备发送的数据,请转到下一部分。

清理资源

可以将在本主题中创建的资源用于本文档集中的其他教程和快速入门。 如果打算继续学习其他快速入门或相关教程,请不要清理在本主题中创建的资源。 如果不打算继续,请在 Azure 门户中执行以下步骤来删除本主题创建的所有资源。

  1. 在 Azure 门户的左侧菜单中选择“所有资源”,然后选择你创建的 IoT 中心。
  2. 在 IoT 中心概述窗格顶部,单击“删除”。
  3. 输入中心名称,然后再次单击“删除”以确认永久删除 IoT 中心。

后续步骤

此时已运行示例应用程序,以收集传感器数据并将其发送到 IoT 中心。

若要继续了解 Azure IoT 中心入门知识并浏览所有扩展的 IoT 方案,请参阅: