设备孪生入门 (Java)

项目
06/02/2023

设备孪生是存储设备状态信息（包括元数据、配置和条件）的 JSON 文档。 IoT 中心为连接到它的每台设备保留一个设备孪生。

注意

本文所述的功能只能用于 IoT 中心的标准层。有关 IoT 中心基本层和标准/免费层的详细信息，请参阅选择适合你的解决方案的 IoT 中心层。

使用设备克隆可以：

存储来自解决方案后端的设备元数据。
通过设备应用报告当前状态信息，例如可用功能和条件（例如，使用的连接方法）。
同步设备应用和后端应用之间长时间运行的工作流（例如固件和配置更新）的状态。
查询设备的元数据、配置或状态。

设备孪生旨在执行同步以及查询设备的配置和条件。有关设备孪生的详细信息（包括何时使用设备孪生），请参阅了解设备孪生。

IoT 中心存储包含以下元素的设备孪生：

标记。只能由解决方案后端访问的设备元数据。
所需属性。可以由解决方案后端修改以及由设备应用观察的 JSON 对象。
报告属性。可以由设备应用修改以及由解决方案后端读取的 JSON 对象。

标记和属性不能包含数组，但可以包含嵌套对象。

下图显示了设备孪生组织：

Screenshot of a device twin concept diagram.

此外，解决方案后端可以根据上述所有数据查询设备孪生。有关设备孪生的详细信息，请参阅了解设备孪生。有关查询的详细信息，请参阅 IoT 中心查询语言。

在本文中，将创建两个 Java 控制台应用：

add-tags-query：一个后端应用，用于添加标记并查询设备孪生。
simulated-device：一个模拟设备应用，用于连接到 IoT 中心并报告其连接状况。

备注

有关可用于生成设备和后端应用的 SDK 工具的详细信息，请参阅 Azure IoT SDK。

先决条件

IoT 中心。使用 CLI 或 Azure 门户创建一个。
已注册的设备。在 Azure 门户中注册一个。
Java SE 开发工具包 8。请确保在“长期支持”下选择“Java 8”以获取 JDK 8 的下载。
Maven 3
确保已在防火墙中打开端口 8883。本文中的设备示例使用 MQTT 协议，该协议通过端口 8883 进行通信。在某些公司和教育网络环境中，此端口可能被阻止。有关解决此问题的更多信息和方法，请参阅连接到 IoT 中心(MQTT)。

获取 IoT 中心连接字符串

在本文中，你将创建一项后端服务，该服务将所需的属性添加到设备孪生，然后查询标识注册表，从而查找具有已相应更新的报告属性的所有设备。服务需要“服务连接”权限才能修改设备孪生的所需属性，并且需要“注册表读取”权限才能查询标识注册表。没有仅包含这两个权限的默认共享访问策略，因此需要创建一个。

若要创建授予“服务连接”和“注册表读取”权限的共享访问策略并获取此策略的连接字符串，请执行以下步骤：

在 Azure 门户中，选择“资源组”。选择中心所在的资源组，然后从资源列表中选择中心。
在中心的左侧窗格上，选择“共享访问策略”。
在策略列表上方的顶部菜单中，选择“添加共享策略访问策略”。
在右侧的“添加共享访问策略”窗格中，为策略输入一个描述性名称，例如 serviceAndRegistryRead。在“权限”下，选择“注册表读取”和“服务连接”，然后选择“添加”。
从策略列表中选择新策略。
选择“主连接字符串”的复制图标并保存值。

有关 IoT 中心共享访问策略和权限的详细信息，请参阅访问控制和权限。

创建更新报告的属性的设备应用

在本部分中，将创建一个 Java 控制台应用作为 myDeviceId 连接到中心，然后更新其设备孪生的报告属性，以确认它使用手机网络进行连接。

在 iot-java-twin-getstarted 文件夹中，通过命令提示符使用以下命令创建名为 simulated-device 的 Maven 项目：

mvn archetype:generate -DgroupId=com.mycompany.app -DartifactId=simulated-device -DarchetypeArtifactId=maven-archetype-quickstart -DinteractiveMode=false

在命令提示符下，导航到 simulated-device 文件夹。
使用文本编辑器，打开 simulated-device 文件夹中的 pom.xml 文件，并在 dependencies 节点中添加以下依赖项。通过此依赖项可以使用应用中的 iot-device-client 包来与 IoT 中心进行通信。
```
<dependency>
  <groupId>com.microsoft.azure.sdk.iot</groupId>
  <artifactId>iot-device-client</artifactId>
  <version>1.17.5</version>
</dependency>
```
注意

可以使用 Maven 搜索检查是否有最新版本的 iot-device-client。
将以下依赖项添加到 dependencies 节点。此依赖项为 Apache SLF4J 日志记录外观配置 NOP，设备客户端 SDK 使用它实现日志记录。此配置是可选的，但是如果省略此配置，则在运行该应用时，可能会在控制台中看到警告。有关设备客户端 SDK 中的日志记录的详细信息，请参阅适用于 Java 的 Azure IoT 设备 SDK 示例自述文件中的日志记录。
```
<dependency>
  <groupId>org.slf4j</groupId>
  <artifactId>slf4j-nop</artifactId>
  <version>1.7.28</version>
</dependency>
```

在 dependencies 节点后添加以下 build 节点。此配置指示 Maven 使用 Java 1.8 来生成应用：

<build>
  <plugins>
    <plugin>
      <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
      <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
      <version>3.3</version>
      <configuration>
        <source>1.8</source>
        <target>1.8</target>
      </configuration>
    </plugin>
  </plugins>
</build>

保存并关闭 pom.xml 文件。
使用文本编辑器打开 simulated-device\src\main\java\com\mycompany\app\App.java 文件。

在该文件中添加以下 import 语句：

import com.microsoft.azure.sdk.iot.device.*;
import com.microsoft.azure.sdk.iot.device.DeviceTwin.*;

import java.io.IOException;
import java.net.URISyntaxException;
import java.util.Scanner;

将以下类级变量添加到 App 类。将 {yourdeviceconnectionstring} 替换为在 IoT 中心注册设备时看到的设备连接字符串：
```
private static String connString = "{yourdeviceconnectionstring}";
private static IotHubClientProtocol protocol = IotHubClientProtocol.MQTT;
private static String deviceId = "myDeviceId";
```
本示例应用在实例化 DeviceClient 对象时使用 protocol 变量。

将以下方法添加到 App 类以输出有关孪生更新的信息：

protected static class DeviceTwinStatusCallBack implements IotHubEventCallback {
    @Override
    public void execute(IotHubStatusCode status, Object context) {
      System.out.println("IoT Hub responded to device twin operation with status " + status.name());
    }
  }

将 main 方法中的代码替换为以下代码，以便可：

创建用来与 IoT 中心通信的设备客户端。
创建一个 Device 对象用于存储设备孪生属性。

DeviceClient client = new DeviceClient(connString, protocol);

// Create a Device object to store the device twin properties
Device dataCollector = new Device() {
  // Print details when a property value changes
  @Override
  public void PropertyCall(String propertyKey, Object propertyValue, Object context) {
    System.out.println(propertyKey + " changed to " + propertyValue);
  }
};

将以下代码添加到 main 方法，创建 connectivityType 报告属性并将其发送到 IoT 中心：

try {
  // Open the DeviceClient and start the device twin services.
  client.open();
  client.startDeviceTwin(new DeviceTwinStatusCallBack(), null, dataCollector, null);

  // Create a reported property and send it to your IoT hub.
  dataCollector.setReportedProp(new Property("connectivityType", "cellular"));
  client.sendReportedProperties(dataCollector.getReportedProp());
}
catch (Exception e) {
  System.out.println("On exception, shutting down \n" + " Cause: " + e.getCause() + " \n" + e.getMessage());
  dataCollector.clean();
  client.closeNow();
  System.out.println("Shutting down...");
}

将以下代码添加到 main 方法的末尾。按 Enter 键，等待一段时间让 IoT 中心报告设备孪生操作的状态。

System.out.println("Press any key to exit...");

Scanner scanner = new Scanner(System.in);
scanner.nextLine();

dataCollector.clean();
client.close();

修改 main 方法的签名，包含如下所示的异常：

public static void main(String[] args) throws URISyntaxException, IOException

保存并关闭 simulated-device\src\main\java\com\mycompany\app\App.java 文件。
生成 simulated-device 应用并更正任何错误。在命令提示符下，导航到 simulated-device 文件夹并运行以下命令：
```
mvn clean package -DskipTests
```

创建更新所需属性和查询孪生的服务应用

本部分将创建一个 Java 应用，用于将位置元数据作为标记添加到 IoT 中心内与 myDeviceId 关联的设备孪生。该应用在 IoT 中心查询位于美国的设备，然后查询报告已建立移动电话网络连接的设备。

在开发计算机上，创建名为 iot-java-twin-getstarted 的空文件夹。

在 iot-java-twin-getstarted 文件夹中，通过命令提示符使用以下命令创建名为 add-tags-query 的 Maven 项目：

mvn archetype:generate -DgroupId=com.mycompany.app -DartifactId=add-tags-query -DarchetypeArtifactId=maven-archetype-quickstart -DinteractiveMode=false

在命令提示符下，导航到 add-tags-query 文件夹。
使用文本编辑器打开 add-tags-query 文件夹中的 pom.xml 文件，并在 dependencies 节点中添加以下依赖项。通过此依赖项可以使用应用中的 iot-service-client 包来与 IoT 中心通信：
```
<dependency>
  <groupId>com.microsoft.azure.sdk.iot</groupId>
  <artifactId>iot-service-client</artifactId>
  <version>1.17.1</version>
  <type>jar</type>
</dependency>
```
注意

可以使用 Maven 搜索检查是否有最新版本的 iot-service-client。

在 dependencies 节点后添加以下 build 节点。此配置指示 Maven 使用 Java 1.8 来生成应用。

<build>
  <plugins>
    <plugin>
      <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
      <artifactId>maven-compiler-plugin</artifactId>
      <version>3.3</version>
      <configuration>
        <source>1.8</source>
        <target>1.8</target>
      </configuration>
    </plugin>
  </plugins>
</build>

保存并关闭 pom.xml 文件。
使用文本编辑器打开 add-tags-query\src\main\java\com\mycompany\app\App.java 文件。

在该文件中添加以下 import 语句：

import com.microsoft.azure.sdk.iot.service.devicetwin.*;
import com.microsoft.azure.sdk.iot.service.exceptions.IotHubException;

import java.io.IOException;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

将以下类级变量添加到 App 类。将 {youriothubconnectionstring} 替换为在获取 IoT 中心连接字符串中复制的 IoT 中心连接字符串。

public static final String iotHubConnectionString = "{youriothubconnectionstring}";
public static final String deviceId = "myDeviceId";

public static final String region = "US";
public static final String plant = "Redmond43";

更新 main 方法签名，以包含以下 throws 子句：

public static void main( String[] args ) throws IOException

将 main 方法中的代码替换为以下代码，以创建 DeviceTwin 和 DeviceTwinDevice 对象。 DeviceTwin 对象处理与 IoT 中心之间的通信。 DeviceTwinDevice 对象使用设备孪生的属性和标记来表示设备孪生：
```
// Get the DeviceTwin and DeviceTwinDevice objects
DeviceTwin twinClient = DeviceTwin.createFromConnectionString(iotHubConnectionString);
DeviceTwinDevice device = new DeviceTwinDevice(deviceId);
```

将以下 try/catch 块添加到 main 方法：

try {
  // Code goes here
} catch (IotHubException e) {
  System.out.println(e.getMessage());
} catch (IOException e) {
  System.out.println(e.getMessage());
}

若要更新设备孪生中的 region 和 plant 设备孪生标记，请在 try 块中添加以下代码：

// Get the device twin from IoT Hub
System.out.println("Device twin before update:");
twinClient.getTwin(device);
System.out.println(device);

// Update device twin tags if they are different
// from the existing values
String currentTags = device.tagsToString();
if ((!currentTags.contains("region=" + region) && !currentTags.contains("plant=" + plant))) {
  // Create the tags and attach them to the DeviceTwinDevice object
  Set<Pair> tags = new HashSet<Pair>();
  tags.add(new Pair("region", region));
  tags.add(new Pair("plant", plant));
  device.setTags(tags);

  // Update the device twin in IoT Hub
  System.out.println("Updating device twin");
  twinClient.updateTwin(device);
}

// Retrieve the device twin with the tag values from IoT Hub
System.out.println("Device twin after update:");
twinClient.getTwin(device);
System.out.println(device);

若要在 IoT 中心查询设备孪生，请将以下代码添加到 try 块（添加到上一步骤中添加的代码后面）。该代码运行两个查询。每个查询最多返回 100 个设备。

// Query the device twins in IoT Hub
System.out.println("Devices in Redmond:");

// Construct the query
SqlQuery sqlQuery = SqlQuery.createSqlQuery("*", SqlQuery.FromType.DEVICES, "tags.plant='Redmond43'", null);

// Run the query, returning a maximum of 100 devices
Query twinQuery = twinClient.queryTwin(sqlQuery.getQuery(), 100);
while (twinClient.hasNextDeviceTwin(twinQuery)) {
  DeviceTwinDevice d = twinClient.getNextDeviceTwin(twinQuery);
  System.out.println(d.getDeviceId());
}

System.out.println("Devices in Redmond using a cellular network:");

// Construct the query
sqlQuery = SqlQuery.createSqlQuery("*", SqlQuery.FromType.DEVICES, "tags.plant='Redmond43' AND properties.reported.connectivityType = 'cellular'", null);

// Run the query, returning a maximum of 100 devices
twinQuery = twinClient.queryTwin(sqlQuery.getQuery(), 3);
while (twinClient.hasNextDeviceTwin(twinQuery)) {
  DeviceTwinDevice d = twinClient.getNextDeviceTwin(twinQuery);
  System.out.println(d.getDeviceId());
}

保存并关闭 add-tags-query\src\main\java\com\mycompany\app\App.java 文件
生成 add-tags-query 应用并更正任何错误。在命令提示符下，导航到 add-tags-query 文件夹并运行以下命令：
```
mvn clean package -DskipTests
```

运行应用

现在可以运行控制台应用了。

在 add-tags-query 文件夹中的命令提示符下，运行以下命令以运行 add-tags-query 服务应用：
```
mvn exec:java -Dexec.mainClass="com.mycompany.app.App"
```
可以看到，plant 和 region 标记已添加到设备孪生。第一个查询返回设备，但第二个查询则不会。
在 simulated-device 文件夹中的命令提示符下，运行以下命令将 connectivityType 报告属性添加到设备孪生：
```
mvn exec:java -Dexec.mainClass="com.mycompany.app.App"
```
在 add-tags-query 文件夹中的命令提示符下，再次运行以下命令以运行 add-tags-query 服务应用：
```
mvn exec:java -Dexec.mainClass="com.mycompany.app.App"
```
现在，设备已将 connectivityType 属性发送到 IoT 中心，第二个查询返回了设备。