IoT Hub のデバイスツインの理解と使用

[アーティクル]
02/22/2024

"デバイスツイン" は、デバイスの状態に関する情報 (メタデータ、構成、状態など) を格納する JSON ドキュメントです。 Azure IoT Hub は、IoT Hub に接続する各デバイスにデバイスツインを保持します。

Note

この記事で説明されている機能は、Standard レベルの IoT Hub でのみ使用できます。 Basic および Standard または Free レベルの IoT Hub の詳細については、ソリューションに適した IoT Hub のレベルの選択に関するページを参照してください。

この記事では、次の内容について説明します。

デバイスツインの構造: "タグ"、"必要なプロパティ"、"報告されるプロパティ"。
デバイスおよびバックエンドアプリケーションがデバイスツインに対して実行できる操作。

次の場合にデバイスツインを使用します。

デバイス固有のメタデータをクラウドに格納します。例: 自動販売機の場所。
デバイスアプリで利用できる機能や状態などの現在の状態に関する情報を報告する。たとえば、デバイスが携帯電話または WiFi を介して IoT ハブに接続されているかどうか。
デバイスアプリとバックエンドの間で実行時間の長いワークフローの状態を同期する。たとえば、ソリューションバックエンドがインストールする新しいファームウェアのバージョンを指定し、デバイスアプリが更新プロセスのさまざまな段階を報告する場合。
デバイスメタデータ、構成、または状態を照会する。

報告されるプロパティ、device-to-cloud メッセージ、またはファイルのアップロードの使用について詳しくは、「device-to-cloud 通信に関するガイダンス」を参照してください。

必要なプロパティ、ダイレクトメソッド、または cloud-to-device メッセージの使用について詳しくは、「cloud-to-device 通信に関するガイダンス」を参照してください。

デバイスツインが Azure IoT プラグアンドプレイデバイスで使用されるデバイスモデルとどのように関連しているかについては、「IoT プラグアンドプレイのデジタルツインを理解する」を参照してください。

デバイスツイン

デバイスツインには、デバイスに関連する次のような情報が格納されます。

デバイスの状態と構成を同期するために使用するデバイスとバックエンド。
実行時間の長い操作にクエリを行い、ターゲットを設定するために使用するソリューションバックエンド。

デバイスツインのライフサイクルは、対応するデバイス ID にリンクされます。 IoT Hub でデバイス ID を作成または削除したときに、デバイスツインは暗黙的に作成または削除されます。

デバイスツインは次の情報を含む JSON ドキュメントです。

タグ。ソリューションバックエンドで読み書きできる JSON ドキュメントのセクションです。タグは、デバイスアプリには表示されません。
必要なプロパティ。デバイスの構成や状態を同期するために、報告されるプロパティと共に使用します。ソリューションバックエンドは必要なプロパティを設定でき、デバイスアプリはそれらを読み取れます。デバイスアプリでは、必要なプロパティに対する変更を知らせる通知を受け取ることもできます。
報告されるプロパティ。デバイスの構成や状態を同期するために、必要なプロパティと共に使用します。デバイスアプリは報告されるプロパティを設定でき、ソリューションバックエンドはそれらを読み取りクエリを実行できます。
デバイス ID のプロパティ。デバイスツインの JSON ドキュメントのルートには、ID レジストリに格納される対応するデバイス ID の読み取り専用プロパティが含まれます。プロパティ connectionStateUpdatedTime と generationId は含まれません。

どのアプリケーションがどのデバイスツインのプロパティと対話するかを示す図。

次の例は、デバイスツインの JSON ドキュメントを示しています。

{
    "deviceId": "devA",
    "etag": "AAAAAAAAAAc=", 
    "status": "enabled",
    "statusReason": "provisioned",
    "statusUpdateTime": "0001-01-01T00:00:00",
    "connectionState": "connected",
    "lastActivityTime": "2015-02-30T16:24:48.789Z",
    "cloudToDeviceMessageCount": 0, 
    "authenticationType": "sas",
    "x509Thumbprint": {     
        "primaryThumbprint": null, 
        "secondaryThumbprint": null 
    }, 
    "version": 2, 
    "tags": {
        "deploymentLocation": {
            "building": "43",
            "floor": "1"
        }
    },
    "properties": {
        "desired": {
            "telemetryConfig": {
                "sendFrequency": "5m"
            },
            "$metadata" : {...},
            "$version": 1
        },
        "reported": {
            "telemetryConfig": {
                "sendFrequency": "5m",
                "status": "success"
            },
            "batteryLevel": 55,
            "$metadata" : {...},
            "$version": 4
        }
    }
}

ルートオブジェクトには、デバイス ID プロパティと、tags のコンテナーオブジェクトと、reported と desired の両方のプロパティがあります。 properties コンテナーには、「デバイスツインのメタデータ」と「オプティミスティックコンカレンシー」セクションで説明しているいくつかの読み取り専用の要素 ($metadata と $version) が含まれています。

報告されるプロパティの例

前の例では、デバイスアプリによって報告される batteryLevel プロパティがデバイスツインに含まれています。このプロパティでは、最後に報告されたバッテリレベルに基づいて、デバイス上でクエリや操作を実行できます。別の例では、デバイスアプリにデバイスの報告機能や接続オプションが備わっています。

Note

ソリューションバックエンドにおける関心の対象が、最後に確認されているプロパティの値であるような状況では、報告されたプロパティを使用した方が簡単です。ソリューションバックエンドでタイムスタンプが付けられた連続するイベントの形式でデバイステレメトリ (時系列など) を処理する必要がある場合は、device-to-cloud メッセージを使用します。

必要なプロパティの例

上記の例では、ソリューションバックエンドとデバイスアプリが telemetryConfig デバイスツインの必要なプロパティと報告されたプロパティを使用して、デバイスのテレメトリ構成を同期しています。次に例を示します。

ソリューションバックエンドでは、必要なプロパティが必要な構成値で設定されます。以下は、ドキュメント内の必要なプロパティセットを使用した部分です。
```
"desired": {
    "telemetryConfig": {
        "sendFrequency": "5m"
    },
    ...
},
```
デバイスアプリには、デバイスが接続されている場合、変更がすぐに通知されます。接続されていない場合、デバイスアプリは接続時にデバイスの再接続フローに従います。その後、デバイスアプリが更新された構成 (またはエラー条件。status プロパティを使用) を報告します。報告されるプロパティの部分を次に示します。
```
"reported": {
    "telemetryConfig": {
        "sendFrequency": "5m",
        "status": "success"
    }
    ...
}
```
ソリューションバックエンドでは、デバイスツインにクエリを実行することによって、多数のデバイス間で行われる構成操作の結果を追跡します。

Note

上記のスニペットは、デバイス構成とその状態をエンコードするための例の 1 つであり、読みやすいように最適化されています。 IoT Hub は、デバイスツインの必要なプロパティや報告されたプロパティに対して、デバイスツイン用の特定のスキーマを強制しません。

重要

IoT プラグアンドプレイでは、いくつかの追加プロパティを使用して、必要なプロパティと報告されるプロパティに対する変更を同期するスキーマを定義します。ソリューションで IoT プラグアンドプレイを使用する場合は、ツインのプロパティを更新するときにプラグアンドプレイ規則に従う必要があります。詳細と例については、IoT プラグアンドプレイの書き込み可能なプロパティをご覧ください。

ファームウェアの更新など実行時間の長い操作は、デバイスツインを使って同期することができます。デバイス間の実行時間の長い操作を同期、追跡するためのプロパティの使用方法については、「必要なプロパティを使用してデバイスを構成する」を参照してください。

バックエンドの操作

ソリューションバックエンドは、HTTPS を介して公開される次のアトミック操作を使用して、デバイスツインを操作します。

デバイスツインを ID で取得する。この操作は、タグ、必要なシステムプロパティ、報告されるシステムプロパティを含むデバイスツインのドキュメントを返します。
デバイスツインを部分的に更新する。この操作では、ソリューションバックエンドがデバイスツインのタグまたは必要なプロパティを部分的に更新できます。部分的な更新は JSON ドキュメントとして表され、プロパティが追加または更新されます。 null に設定されたプロパティが削除されます。次の例では、{"newProperty": "newValue"} の値を持つ新しい必要なプロパティが作成され、existingProperty の既存の値が "otherNewValue" で上書きされ、otherOldProperty が削除されます。それ以外、既にある必要なプロパティまたはタグは変更されません。
```
{
     "properties": {
         "desired": {
             "newProperty": {
                 "nestedProperty": "newValue"
             },
             "existingProperty": "otherNewValue",
             "otherOldProperty": null
         }
     }
}
```
必要なプロパティの置換 この操作では、ソリューションバックエンドによって既存の必要なプロパティをすべて完全に上書きし、properties/desired の新しい JSON ドキュメントに置き換えられます。
タグの置換 この操作では、ソリューションバックエンドによって既存のタグをすべて完全に上書きし、tags の新しい JSON ドキュメントに置き換えられます。
ツイン通知の受信 この操作は、ソリューションバックエンドでツインが変更されたときに通知できるようにします。そのためには、IoT ソリューションでルートを作成し、データソースの値を twinChangeEvents に設定する必要があります。既定では、このようなルートは存在しないため、ツイン通知は送信されません。変化率が高すぎる場合、または内部エラーなどの理由のために、IoT Hub はすべての変更を含む 1 つの通知のみを送信する場合があります。そのため、アプリケーションに信頼性の高い監査とすべての中間状態のログ記録が必要な場合は、device-to-cloud メッセージを使用する必要があります。ツイン通知メッセージで返されるプロパティと本文の詳細については、非テレメトリイベントスキーマに関するページを参照してください。

上述の操作はすべてオプティミスティックコンカレンシーをサポートしており、「IoT Hub へのアクセスの制御」で定義されているとおり、ServiceConnect アクセス許可を必要とします。

これらの操作の他に、ソリューションバックエンドでは以下を実行できます。

SQL に似た IoT Hub クエリ言語を使用して、デバイスツインを照会します。
ジョブを使用して、大量のデバイスツインで操作を実行します。

デバイスの操作

デバイスアプリは、次のアトミック操作を使用して、デバイスツインを操作します。

デバイスツインを取得する。この操作によって、必要なシステムプロパティと報告されるシステムプロパティを含む、現在接続されているデバイスのデバイスツインのドキュメントが返されます。 (タグは、デバイスアプリには表示されません。)
報告されるプロパティの部分的な更新 この操作では、現在接続されているデバイスの報告されるプロパティを部分的に更新できます。この操作には、必要なプロパティを部分的に更新する際にソリューションバックエンドで使用されるものと同じ JSON 更新フォーマットが使用されます。
必要なプロパティの監視 現在接続されているデバイスでは、必要なプロパティの更新が行われたときに通知をするように設定できます。デバイスは、ソリューションバックエンドによって実行される更新 (部分的または完全な置換) と同じフォームを受け取ります。

「IoT Hub へのアクセスの制御」に定義されているように、上述の操作にはすべて DeviceConnect アクセス許可が必要です。

Azure IoT device SDK を使用すると、多数の言語とプラットフォームで上述の操作を簡単に使用できます。必要なプロパティを同期させるための IoT Hub プリミティブの詳細については、「デバイスの再接続フロー」を参照してください。

タグやプロパティの形式

タグ、必要なプロパティ、報告されるプロパティは JSON オブジェクトであり、次のような制限があります。

キー: JSON オブジェクト内のすべてのキーは UTF-8 でエンコードされ、大文字と小文字が区別され、最大 1 KB の長さです。 UNICODE 制御文字列 (セグメント C0 と C1)、.、$、SP は使用できません。

Note

メッセージルーティングで使用される IoT Hub クエリでは、キー名に空白文字や ()<>@,;:\"/?={} の各文字はどれも使用できません。
値:JSON オブジェクトのすべての値には、ブール値、数値、文字列、オブジェクトの JSON 型を使用できます。配列もサポートされています。
- 使用できる整数の範囲は、-4503599627370496 (最小値) から 4503599627370495 (最大値) までです。
- 文字列値は UTF-8 でエンコードされ、最大長は 4 KB です。

深さ: タグ、必要なプロパティ、およびレポートされるプロパティにおける JSON オブジェクトの深さは最大で 10 です。たとえば、次のオブジェクトは有効です。

{
     ...
     "tags": {
         "one": {
             "two": {
                 "three": {
                     "four": {
                         "five": {
                             "six": {
                                 "seven": {
                                     "eight": {
                                         "nine": {
                                             "ten": {
                                                 "property": "value"
                                             }
                                         }
                                     }
                                 }
                             }
                         }
                     }
                 }
             }
         }
     },
     ...
}

デバイスツインのサイズ

IoT Hub では tags の値に 8 KB のサイズ制限が適用され、properties/desired と properties/reported の値にそれぞれ 32 KB のサイズ制限が適用されます。これらの合計には、$version や $metadata/$lastUpdated などの読み取り専用の要素は含まれません。

ツインのサイズは、次のように計算されます。

IoT Hub では、JSON ドキュメント内のプロパティごとに、プロパティのキーと値の長さを累積的に計算して追加します。
プロパティキーは、UTF8 でエンコードされた文字列と見なされます。
単純なプロパティ値は、UTF8 でエンコードされた文字列、数値 (8 バイト)、またはブール値 (4 バイト) と見なされます。
UTF8 でエンコードされた文字列のサイズは、UNICODE 制御文字 (セグメント C0 と C1) を除くすべての文字をカウントして計算されます。
複合プロパティ値 (入れ子になったオブジェクト) は、プロパティキーの合計サイズと、そこに含まれるプロパティ値に基づいて計算されます。

IoT Hub は、tags、properties/desired、または properties/reported ドキュメントのサイズが制限を超えるすべての操作を拒否し、エラーを返します。

デバイスツインのメタデータ

IoT Hub は、各 JSON オブジェクトが最後に更新されたときのタイムスタンプを、デバイスツインの必要なプロパティと報告されるプロパティで保持します。タイムスタンプは UTC であり、ISO8601 形式の YYYY-MM-DDTHH:MM:SS.mmmZ でエンコードされます。

次に例を示します。

{
    ...
    "properties": {
        "desired": {
            "telemetryConfig": {
                "sendFrequency": "5m"
            },
            "$metadata": {
                "telemetryConfig": {
                    "sendFrequency": {
                        "$lastUpdated": "2016-03-30T16:24:48.789Z"
                    },
                    "$lastUpdated": "2016-03-30T16:24:48.789Z"
                },
                "$lastUpdated": "2016-03-30T16:24:48.789Z"
            },
            "$version": 23
        },
        "reported": {
            "telemetryConfig": {
                "sendFrequency": "5m",
                "status": "success"
            },
            "batteryLevel": "55%",
            "$metadata": {
                "telemetryConfig": {
                    "sendFrequency": {
                        "$lastUpdated": "2016-03-31T16:35:48.789Z"
                    },
                    "status": {
                        "$lastUpdated": "2016-03-31T16:35:48.789Z"
                    },
                    "$lastUpdated": "2016-03-31T16:35:48.789Z"
                },
                "batteryLevel": {
                    "$lastUpdated": "2016-04-01T16:35:48.789Z"
                },
                "$lastUpdated": "2016-04-01T16:24:48.789Z"
            },
            "$version": 123
        }
    }
    ...
}

この情報は、オブジェクトのキーによって削除される更新を保持するために、JSON の構造のリーフだけでなくすべてのレベルで保持されます。

オプティミスティックコンカレンシー

タグ、必要なプロパティ、報告されたプロパティはすべて、オプティミスティックコンカレンシーをサポートします。ツインプロパティの更新の順序を保証する必要がある場合は、次の更新を送信する前に、報告されたプロパティのコールバックを待って、アプリケーションレベルで同期を実装することを検討してください。

デバイスツインには、RFC7232 に従って、ツインの JSON 表現を表す ETag プロパティ etag があります。ソリューションバックエンドからの条件付き更新操作で etag プロパティを使用すると、一貫性を保持できます。このプロパティは、tags コンテナーを含む操作の一貫性を確保するための唯一のオプションです。

デバイスツインの必要なプロパティと報告されたプロパティにも、増分が保証された $version の値があります。 ETag と同様、更新側がバージョンを使用することで更新プログラムの一貫性を確保することができます。たとえば、報告されたプロパティ用のデバイスアプリ、または目的のプロパティのソリューションバックエンドです。

バージョンは、監視エージェント (必要なプロパティを監視するデバイスアプリなど) が取得操作に関する結果と更新の通知の間の競合を調整する場合に便利です。詳細については、「デバイスの再接続フロー」を参照してください。

デバイスの再接続フロー

IoT Hub では、必要なプロパティの更新通知は接続されていないデバイス用に保持されません。つまり、接続しているデバイスは必要なプロパティの完全なドキュメントを取得し、さらに更新通知にサブスクライブする必要があります。更新通知と完全取得で競合が発生する場合、次のフローを実行する必要があります。

デバイスアプリを IoT hub に接続する。
デバイスアプリを、必要なプロパティの更新通知にサブスクライブする。
デバイスアプリで、必要なプロパティの完全なドキュメントを取得する。

$version が取得された完全なドキュメントのバージョン以下の場合、デバイスアプリではすべての通知を無視できます。 IoT Hub ではバージョンが常に増分されるため、このようなアプローチが可能になります。

次のステップ

この記事で説明した概念を試すには、次の IoT Hub の記事をご覧ください。

次の方法で共有

IoT Hub のデバイスツインの理解と使用

デバイスツイン

報告されるプロパティの例

必要なプロパティの例

バックエンドの操作

デバイスの操作

タグやプロパティの形式

デバイスツインのサイズ

デバイスツインのメタデータ

オプティミスティックコンカレンシー

デバイスの再接続フロー

次のステップ

フィードバック

その他のリソース

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IoT Hub のデバイス ツインの理解と使用

デバイス ツイン

報告されるプロパティの例

必要なプロパティの例

バック エンドの操作

デバイスの操作

タグやプロパティの形式

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デバイス ツインのメタデータ

オプティミスティック コンカレンシー

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