Analysis, design and prototypical implementation of a performant and secure IoT system for novel martial arts equipment

Abstract

Evaluating sports data in a performant and secure manner is challenging and technically complex, even more so in a spatially distributed system. Recent advancements in both science and technology enable efficient and precise sensor-based tracking which lead to a surge in adoption across various domains ranging from health to entertainment. Such developments also create opportunities in the martial arts domain where computer-based systems for expert support are still a novel concept with few established technological standards. This includes support for athletes, coaches and people involved in sports events such as referees to facilitate quick insight. Multiple sets of prototypes of novel IoT-boxing-gloves have been provided for use as data sources within this work. These generate continuous real-time data in a spatially distributed fashion. This data has to be collected, evaluated and presented. Any delay in evaluating such data would lead to degradation of the quality of the results which is crucial to use cases such as competitions, live transmissions and medical implications. Given the circumstances, research questions about the feasibility of a system which enables time-critical and secure transmission, processing and live presentation of data in the martial arts domain emerge. To answer these questions, a methodological process consisting of domain expert interviews, modeling, a prototypical implementation, laboratory experiments, measurements (using state-of-the-art tools) and quantitative analysis of a software system has been conducted. The requirements for this include considerations of an adequate level of technical performance, less than 300 ms on average, and security of the implementation, requiring zero critical vulnerabilities, as well as secure transmission of the biomedical and personal data. Hence, a state-of-the-art software system is presented which is capable of transmitting data from an edge device all the way to the live presentation in a web browser in an average time of 207.57 ms with a standard deviation of 80.95 ms using a Wi-Fi connection or 262.19 ms with a standard deviation of 110.18 ms using a cellular connection. In regards to security, all critical vulnerabilities found through static analysis have been mitigated. The presented results prove the feasibility of the use cases. Furthermore, prospects on future directions are provided including the exploration of additional possible use cases as well as areas of potential improvements.

Das schnelle und sichere Auswerten von Sportdaten ist eine komplexe technische Herausforderung, besonders dann, wenn Datenaufzeichnung und -verarbeitung räumlich verteilt stattfinden. Der technische Fortschritt über verschiedene Domänen hinweg ermöglicht nun die präzise und effiziente Erfassung sowie Übertragung bewegungsspezifischer Daten. Im Kampfsportbereich ist dies jedoch noch ein verhältnismäßig neues Konzept und es gibt nur wenige etablierte Lösungen und technische Standards, die Sportler:innen, deren Trainer:innen und eventuelle weitere Sportveranstaltungsbeteiligte wie Schiedsrichter:innen unterstützen. In dieser Arbeit wurden mehrere Exemplare neuartiger sensorbesetzter IoT-Boxhandschuh-Prototypen eingesetzt. Diese emittieren Daten über Bewegungen und Schlagkraft der Träger:innen. Daraus ergibt sich die Forschungsfrage, ob ein zeitgemäßes System, das derartige Daten in einer definierten Zeitspanne unter Einhaltung von Sicherheitsmaßnahmen übertragen und anzeigen kann, im Kampfsportbereich realisierbar ist. Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein wissenschaftlicher methodischer Vorgang bestehend aus Expert:innenbefragung, Modellierung, prototypischer Implementierung, Laborexperimenten sowie Messung davon (mit Hilfe von State-of-the-Art Werkzeugen) und quantitative Analyse eines Software-Systems durchgeführt. Die Anforderungen dafür berücksichtigen Aspekte die notwendig sind zur zeitkritischen und sicheren Übertragung von sensiblen biometrischen Messdaten. Diese wurden auf Basis von in wissenschaftlicher Literatur vorgegebenen Referenzwerten überprüft. Für die Latenz wurde ein Zielwert von weniger als durchschnittlich 300 ms festgelegt. Die Sicherheit der Implementierung und die dafür notwendige Zusammenstellung der Software-Komponenten darf keine kritischen Sicherheitslücken aufweisen. Das resultierende System bewältigt die Übertragung von einem Edge-Device bis hin zur Live-Anzeige in einem Webbrowser in durchschnittlich 207,57 ms bei einer WLAN-Verbindung mit einer Standardabweichung von 80,95 ms respektive 262,19 ms bei einer mobilen Datenverbindung mit einer Standardabweichung von 110,18 ms. Im Hinblick auf Sicherheit wurden alle, durch statische Analyse gefundenen, kritischen Sicherheitslücken beseitigt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anwendungsfälle unter diesen Bedingungen möglich sind. Abschließend werden weiterführende Einsatzmöglichkeiten und Verbesserungspotenziale vorgestellt.