Integration der Gebäudeautomation in das Internet der Dinge

Abstract

Das Internet der Dinge (IoT) hat das Ziel, Komponenten der physischen Welt mit dem Cyberspace zu verbinden und Informationslücken zwischen der realen und virtuellenWelt zu minimieren. Durch die Entwicklung der Internet Protocol Version 6 (IPv6) können zirka 340 Sextillionen Geräte eindeutig identifiziert werden. IPv6 ist damit ein wichtiger Wegbereiter zur Realisierung der Vision des IoT.<br />Eine zukünftige Anwendungsdomäne im IoT betrifft die Gebäudeautomation mit Funktionen aus der Heizungs-, Lüftungs-, Klimatechnik (HLK), Beleuchtung und Verschattung. Das Zusammenwirken von Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung ermöglicht auch die Einführung von Energiemanagementsystemen. Zusätzlich besteht der Bedarf der Integration von Gebäudeautomationssystemen mit Geschäftsprozessen (z.B. Enterprise Resource Planning).<br />Web-Services sind eine Schlüsseltechnologie zur Gewährleistung von Interoperabilität zwischen unterschiedlichen Systemen. Ansätze, basierend auf dem Simple Object Access Protocol (SOAP), stellen allerdings zu hohe Ressourcenanforderungen an eingeschränkte Umgebungen im Umfeld von embedded Geräten und deren schmalbandige Kontrollnetzen.<br />Diese Arbeit präsentiert einen Protokollstack für das IoT, der Interoperabilität unterschiedlicher Gebäudeautomationssysteme gewährleistet und eine eindeutige Identifizierung der Geräte mittels IPv6-Adressen ermöglicht.<br />Der IoT-Protokollstack basiert auf dem oBIX-Web-Service-Standard und erreicht Interoperabilität durch generische Typdefinitionen (oBIX-Contracts) für zugrundeliegende Gerätschaften. Für die Optimierung hinsichtlich Effizienz des Übertragungsprotokolls wird im IoT-Stack das Constrained Application Protocol (CoAP) eingesetzt. Bezüglich Optimierung der Payloadgröße stehen unterschiedliche Kodierungsverfahren zu Verfügung.<br />Im Rahmen der Arbeit wird ein transparentes Gateway (IoT-Stack-Gateway) für eine RESTful Maschine-zu-Maschine-Kommunikation mit bestehenden Automationssystemen entwickelt. Eine Fallstudie für das Gebäudeautomationssystem KNX dient zur Validierung des IoT-Stacks und des Gateway-Konzeptes.<br />Evaluierungen untersuchen die Effizienz der Nutzdatenkodierungsverfahren und beziehen die Client/Gateway-Interaktion der vom IoT-Stack zur Verfügung stehenden HTTP- und CoAP-Bindings mit ein. Die Analyse zeigt deutlich, dass eine effiziente und interoperable Kommunikation durch den IoT-Stack ermöglicht wird.<br />

The Internet of Things (IoT) aims at connecting components of the physical world with the cyberspace in order to minimize information gaps between both worlds. Based on the development of the Internet Protocol Version 6 (IPv6), it is possible to uniquely identify approximately 3.4*10 38 devices. This makes IPv6 an essential component to realize the vision of IoT.<br />A future application field of IoT deals with building automation systems such as heating, ventilation and air conditioning, lighting, and shading. The co-operation of components within the technical building services enables also the introduction of energy management systems. In addition, there is a need to integrate building automation systems into business processes (e.g., Enterprise Resource Planning).<br />Web-services are a key technology to guarantee interoperability among different systems. However, approaches based on the Simple Object Access Protocol (SOAP) require too much resources for limited environments in the field of networked embedded systems with their narrowband control networks.<br />This work presents a protocol stack for the IoT which assures both the interoperability of different building automation systems, as well as the unique identification of devices via IPv6 addresses.<br />The IoT-protocol-stack is built upon the Open Building Information Exchange (oBIX) webservice standard and gains interoperability through generic typ definitions (oBIX-contracts) for underlying devices.<br />Additionally, the Constrained Application Protocol (CoAP) is integrated into the IoT-stack in order to reach efficiency in terms of limiting protocol overhead. For the optimization of the payload size, there are different encodings available.<br />Within the scope of this work, a proof of concept of a transparent gateway (IoT-stack-gateway) is developed for a RESTful machine-to-machine communication with established automation systems.<br />For the validation of the IoT-stack and the gateway concept, the building automation system KNX served as a case study.<br />Experiments investigate the efficiency of the data encoding and include a client/gateway interaction of the HTTP- and CoAP-bindings provided by the IoT-stack. The evaluation illustrates that the IoT-stack enables a more efficient and interoperable communication.