A proof of concept for an interoperable IoT platform

Abstract

Das Internet der Dinge (IoT) ist im Moment ein schnell wachsendes Themengebiet. Es ndet Anwendung in vielen verschiedenen Bereichen wie zum Beispiel dem Smart Home, der Smart City, dem Gesundheitswesen [1]. Analysten prognostizieren, dass 50 Milliarden IoT Geräte im Jahr 2022 im Umlauf sein werden [2]. Es ist zu erwarten, dass diese große Anzahl von Geräten erzeugt eine sehr große Menge an Daten. Die generierten Daten müssen daher e zient verwaltet werden, um die Daten in angemessener Zeit verarbeiten und übertragen zu können. Gegenwärtige Open-Source IoT Plattformen sind vertikal entworfen und decken die IoT Geräte Hersteller SDKs sowie auch Datenauswertungs- und Darstellungsdiensten ab. Indes decken gegenwärtige Plattformen nicht die Interoperabilität zwischen der eigenen und anderen Plattformen ab. Aus der fehlenden Interoperabilität kann gefolgert werden, dass die Daten nur innerhalb der eigenen Plattform gespeichert und verwertbar sind. Der Zugri auf die Daten wird so jedoch nicht problemlos von außerhalb möglich. Es gibt auch IoT Plattformen, die einen Ansatz zur Interoperabilität enthalten. Doch meist konzentrieren sich die interoperablen Plattformen nur darauf, die Kommunikation von IoT Geräten untereinander zu gewährleisten. Diese Bachelorthesis schlägt ein interoperables IoT Plattformkonzept vor, welches durch sein Design die Eigenschaft der Interoperabilität unterstützt. Das Konzept besteht aus zwei Strukturelementen, zum einen die Kernkomponenten und zum anderen die „Connected Services“. Die Kernkomponenten sind die Management-, Registry- und Gatewaykomponente. Außerdem werden mehrere Interfaces für eine einheitliche Schnittstellenbeschreibung eingeführt. „Connected Services“ werden im Folgenden als „Objekte“ 1 bezeichnet. Diese Objekte sind „Services“2 auf einer höheren Ebene, die Daten verarbeiten, speichern und, oder diese präsentieren. 1Objekte nicht im Kontext einer objektorientierten Programmiersprache. 2Services als angebotene Dienste, die Daten von Objekten nutzen. Die in dieser Thesis vorgestellte Registry kann ihre Einträge mit einer anderen Registry teilen. Diese verteilten Registryeinträge und die angestrebte Plattform führen zu einer Hierarchie der IoT Plattformen, deren Daten auf jeder freigegebenen Ebene verfügbar sind. Dieser Ansatz fördert somit einem heterogenen und o enen Plattformdesign. Außerdem braucht eine interoperable Plattform eine Objektsuchfunktion. Die vorgestellte Suchfunktion benötigt eine generische Beschreibungssprache. Die in dieser Thesis vorgestellte Beschreibungssprache ist objektorientiert. Zu dem werden in dieser Thesis die Ergebnisse aus einer Proof of Concept Simulation in OMNeT++ [3] bereitgestellt und ausgewertet. Es zeigt sich, dass die Komplexität der Objektbeschreibung minimiert wird, da nur wenige Merkmale beschrieben werden müssen. Jedoch besteht durch den erweiterbaren Aufbau der Objektbeschreibung eine e ektivere Möglichkeit der Beschreibung. Auch die vorgeschlagenen Kommunikationsmuster in dieser Thesis sollen das Nachrichtenaufkommen reduzieren und eine Priorisierung von Nachrichten ermöglichen [2]. Teil dieser Bachelorthesis ist die Analyse von Anforderungen an eine IoT Plattform, mit anschließender Analyse einiger bestehender Plattformen. Des Weiteren werden Kommunikationsmuster de niert und die Objektbeschreibungssprache wird designt. Am Ende wird ein Entwurf der Plattform angeboten und mit OMNet++ demonstriert und evaluiert.

The Internet of Things (IoT) is currently a fast developing subject. It takes place in areas like smart home, smart city, health care and many more [1]. Analysts predict an amount of 50 billion IoT devices by 2022[2]. This tremendous amount of devices is generating even bigger amounts of data then the ones today. The produced data has to be processed in an e cient way, to be able to compute the data in a proper time. Current open source IoT platforms are vertical designed and cover everything from sensor platform SDKs up to data evaluation and presentation services. But current IoT platforms do not cover interoperability between itself and any other platform. This means the data is stored and accessible only from within the system. Thus, there is no convenient way to access the data from a di erent platform. There are also approaches heading to an interoperable platform design. However, they mostly only focus on platform intercommunication and not on an interoperable discovery of IoT devices (further also referred to as objects) and data. This bachelor thesis proposes an IoT platform concept which is interoperable by design. The concept consists of two types of components, rst the core components and second the connected services. The proposed core components are the management-, registry- and gateway component. Also several interface speci cations are introduced, as displayed in Figure 6.1. Connected services are here referred to as objects, upper level services like data processing and data bases or presenting services. Furthermore registries can share their dictionaries with other registries. Shared dictionaries and the resulting platform are leading to a stacked IoT platform that can be accessed at any level. This approach counteracts a closed and monolithic platform design. Furthermore an interoperable platform needs an object discovery functionality. The proposed discovery mechanism needs a generic description scheme, that proposed description scheme is an object oriented description scheme. Moreover, this thesis discusses the experimental results of a proof of concept simulation in OMNeT++ [3]. Also this thesis describes the results which were made with a proof of concept simulation in OMNeT++. The object description scheme uses some required description elds and the descriptions can be adapted by some optional descriptions. The communication pattern, that are proposed, reduce the messages [2] and use di erent priorities for data processing [2]. The rst step of this thesis is to de ne some requirements for an interoperable IoT platform and afterwards some existing platforms are compared against the requirements. The second step is to design the communication patterns and the object description scheme is designed. The third step is to design the platform, to implement a simulation in OMNet++ and to evaluate the simulation results.