随着万物互联时代快速到来，5G网络普及导致边缘设备产生的数据量快速增长。普通的边缘设备计算能力不足，因此传统方法会将边缘侧数据集中汇聚到云端数据中心进行处理，容易对响应实时性、网络稳定性以及数据安全性产生挑战。
为满足用户在大规模设备场景中更高的可用性需求，KubeEdge Device-IoT在1.12版本推出设备管理框架（Device Management Interface，DMI）。DMI整合设备管理接口，将管理面和业务面数据解耦，优化边缘计算场景下的设备管理能力，打造基于云原生技术的设备数字孪生管理平台。
在 1.15 版本中，我们根据边缘设备管理的用户需求迭代更新 v1beta1 版本的设备管理 API，并以此为基础完善 DMI 数据面功能，承载于南向的 Mapper 开发框架 Mapper-Framework 中。Mapper-Framework 提供了全新的 Mapper 自动生成框架，框架中集成了 DMI 设备管理面与数据面能力，能够自动生成 Mapper 工程，用户只需实现其中的设备驱动的功能即可使用 Mapper 管理边缘设备，简化用户设计开发 Mapper 的复杂度，提升开发效率。针对新版本 Device-IoT 领域的更新，我们计划推出一系列的文章对这些特性进行详细的介绍，大致的文章大纲为：
基于物模型的设备管理 API 设计与实现
DMI 数据面能力设计与实现
Mapper 开发框架 Mapper-Framework 设计与实现
如何使用 Mapper 完成视频流数据处理
如何使用 Mapper 实现设备数据写入
如何从头开发一个 Mapper（以 modbus 为例）
本篇文章是系列文章的第一篇，主要介绍基于物模型的设备管理 API。
为适应用户需求，在 v1.15.0 版本中，KubeEdge SIG Device-IoT 提出基于物模型的设备管理 API，将 Device Model 与 Device Instance从 v1alpha2 版本升级为 v1beta1 版本。新版本的设备管理 API 能够更全面的描述物理设备，新增了边缘设备数据处理的相关字段，能够适配 DMI 数据面能力增强功能。北向设备 API 结合南向的 DMI 接口，实现设备管理与设备数据处理，API 的主要更新包括：
▍1. Device ModelDevice Model 用以描述一类边缘设备共同的设备属性。按照物模型的定义，Device Model 中新增了设备属性描述、设备属性类型、设备属性取值范围、设备属性单位等字段，如下图所示：
// ModelProperty describes an individual device property / attribute like temperature / humidity etc. type ModelProperty struct { // Required: The device property name. // Note: If you need to use the built-in stream data processing function, you need to define Name as saveFrame or saveVideo Name string `json:"name,omitempty"` // The device property description. // +optional Description string `json:"description,omitempty"` // Required: Type of device property, ENUM: INT,FLOAT,DOUBLE,STRING,BOOLEAN,BYTES,STREAM Type PropertyType `json:"type,omitempty"` // Required: Access mode of property, ReadWrite or ReadOnly. AccessMode PropertyAccessMode `json:"accessMode,omitempty"` // +optional Minimum string `json:"minimum,omitempty"` // +optional Maximum string `json:"maximum,omitempty"` // The unit of the property // +optional Unit string `json:"unit,omitempty"` }上图展示了 Device Model 的核心 ModelProperty 字段，其中 Type 字段定义该属性的数据类型，AccessMode 定义该属性的访问方式，包括读写和只读两种。当访问方式设置为只读时，Mapper 会直接返回采集到的设备数据，反之当设置为读写后，Mapper 会对采集到的设备数据进行归一化等处理后再返回。Minimum 与 Maximum 则定义了设备属性的最大最小值，Unit 字段定义了设备属性的单位。下图展示了一个 Device Model 配置文件的示例：
apiVersion: devices.kubeedge.io/v1beta1 kind: DeviceModel metadata: name: beta1-model spec: properties: - name: temp # define device property description: beta1-model type: INT # date type of device property accessMode: ReadWrite maximum: "100" # range of device property (optional) minimum: "1" unit: "Celsius" # unit of device property protocol: modbus # protocol for device, need to be same with device instance ▍2. Device Instance一个 Device Instance 代表一个实际的设备对象。v1beta1 版本中，Device Instance 中内置的协议配置全部移除，包括 Modbus、OPC-UA、Bluetooth 等。用户可以通过可扩展的 Protocol 配置来设置设备协议，能够实现任何协议的设备接入。Modbus、OPC-UA、Bluetooth 等内置协议的 Mapper 仍会保留在 Mappers-go 仓库中，同时也会不断增加其他协议的内置 Mapper。
type ProtocolConfig struct { // Unique protocol name // Required. ProtocolName string `json:"protocolName,omitempty"` // Any config data // +optional // +kubebuilder:validation:XPreserveUnknownFields ConfigData *CustomizedValue `json:"configData,omitempty"` } type CustomizedValue struct { Data map[string]interface{} `json:"-"` } 此外，为增强 DMI 数据面功能，本次更新在 Device Instance 的设备属性中增加了设备数据处理的相关配置，例如设备上报频率、数据推送频率、属性是否上报云端、设备数据推送方式，如下图所示。 type DeviceProperty struct { ... // Define how frequent mapper will report the value. // +optional ReportCycle int64 `json:"reportCycle,omitempty"` // Define how frequent mapper will collect from device. // +optional CollectCycle int64 `json:"collectCycle,omitempty"` // whether be reported to the cloud ReportToCloud bool `json:"reportToCloud,omitempty"` // PushMethod represents the protocol used to push data, // please ensure that the mapper can access the destination address. // +optional PushMethod *PushMethod `json:"pushMethod,omitempty"` }ReportCycle 字段定义了 Mapper 向用户数据库、用户应用推送数据的频率；
CollectCycle 字段定义了 Mapper 向云端上报数据的频率；
ReportToCloud 字段定义了 Mapper 采集到的设备数据是否需要上报云端；
PushMethod 字段定义了 Mapper 推送设备数据的方式。
目前提供 HTTP、MQTT 以及 OpenTelemetry 等方式向用户应用推送数据，并内置集成 InfluxDB、MySQL、Redis、TDengine 数据库。用户能够通过配置文件控制Mapper 向用户应用、用户数据库中定时推送设备数据，也能够通过 API 主动拉取设备数据，实现设备数据处理方式的多样化，相比于将所有数据推送至云端再行处理的传统方法，能够有效减少云边通信阻塞的风险。
下图展示了一个 Device Instance 配置文件的示例：
apiVersion: devices.kubeedge.io/v1beta1 kind: Device ... spec: properties: - name: temp collectCycle: 2000 # The frequency of reporting data to cloud, 2 seconds reportCycle: 2000 # The frequency of data push to user applications or databases, 2 seconds reportToCloud: true # Decide whether device data needs to be pushed to the cloud pushMethod: mqtt: # Define the MQTT config to push device data to user app address: tcp://127.0.0.1:1883 topic: temp qos: 0 retained: false visitors: # Define the configuration required by the mapper to access device properties (e.g. register address) protocolName: modbus configData: register: "HoldingRegister" offset: 2 limit: 1 protocol: # Device protocol. The relevant configuration of the modbus protocol is defined in the example. protocolName: modbus configData: serialPort: '/dev/ttyS0' baudRate: 9600基于 v1beta1版本的设备管理 API，我们以 Kubernetes CRD 的形式将 Device Model 与 Device Instance 引入 KubeEdge 集群。如需要更多详细的信息，可以参考设备管 API 的 proposal 文件[1] 以及相关 PR[2]。在本系列的下一篇文章中，我们会对 DMI 数据面能力的支持进行详细的介绍。
▍相关链接 [1] docs/proposals/device-crd-v1beta1.md：https://github.com/kubeedge/kubeedge/blob/master/docs/proposals/device-crd-v1beta1.md [2] 相关PR：device crd v1beta1 and API definition：https://github.com/kubeedge/kubeedge/pull/4983【更多KubeEdge资讯推荐】玩转KubeEdge保姆级攻略——环境搭建篇
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《玩转KubeEdge保姆级攻略——环境搭建篇》课程主要介绍如何通过华为云服务快速搭建一套KubeEdge边缘计算开发平台及部署Sedna、EdgeMesh等KubeEdge生态组件。
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