An integration middleware for the Internet of Things

Abstract

Das Internet der Dinge (IoT) wird unseren Alltag durch intelligente Objekte verbessern. Diese sind mit Sensoren und Aktuatoren ausgestattet und werden in alltägliche Gegenstände integriert und universell vernetzt. Sie ermöglichen vielfältige Anwendungen in verschiedensten Bereichen wie beispielsweise Smart Grids, Logistik, Produktion, Verkehrsmanagement, Wohnen und Gebäude. Diese Bereiche werden zurzeit von einer Vielzahl proprietärer Heim- und Gebäudeautomationstechnologien beherrscht. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Integrations-Middleware für das IoT, bestehend aus einem Kommunikationsstack, einem Integrationskonzept und einer Service-orientierten Architektur (SoA) mit Fokus auf Heim- und Gebäudeautomationstechnologien. Eine Herausforderung ist in diesem Zusammenhang die Optimierung von Internet- und Web-Technologien für den energieeffizienten Einsatz innerhalb von intelligenten Objekten. Zahlreiche Funktionen, Interaktionsmuster und die Semantik von bestehenden Technologien müssen integriert und Anforderungen hinsichtlich Skalierbarkeit, Sicherheit und Privatsphäre berücksichtigt werden. Die vorgestellte SoA beinhaltet das Design einer zentralisierten Infrastruktur sowie einen generischen und dezentralisierten Datenschutzmechanismus. Dadurch können Sicherheit und umfassende Zugriffskontrolle in Szenarien gewährleistet werden, bei denen Geräte für Drittanbieter von Applikationen zur Verfügung gestellt werden. Weiters wird ein IoT-Kommunikationsstack präsentiert, der Interoperabilität zwischen intelligenten Objekten auf Basis von optimierten Internet- und Web-Technologien sicherstellt. Wesentliche Beiträge sind hier ein Peer-to-Peer Kommunikationsmodell aufbauend auf IPv6 Multicasting und das Konzept eines Web-basierten Tools, welches durch graphische Konfiguration die Realisierung von komplexen Kontrollszenarien ermöglicht. Letztlich wird ein Integrationskonzept für relevante Heim- und Gebäudeautomationstechnologien, Identifikationstechnologien, Smart Meter Protokolle und andere wichtige Informationsquellen im IoT-Kontext vorgestellt. Verglichen mit dem Stand der Technik und anderen verwandten Arbeiten ermöglicht der Datenpunkt-zentrische Integrationsansatz in Kombination mit einem generischen Informationsmodell und dem Peer-to-Peer Interaktionsmodell umfassende Interoperabilität und vermeidet domänenspezifische Informationsmodelle. Benutzerbarkeit, Performance, und Verfügbarkeit werden durch ein graphisches Konfigurationstool und der Vermeidung von zentralen Kontrollinstanzen signifikant verbessert. Zur Demonstration der Anwendbarkeit der vorgestellten Konzepte wird eine Implementierung durchgeführt, die als Open-Source Projekt mit dem Namen IoTSyS veröffentlicht wurde. Die Skalierbarkeit des Kommunikationsstacks und des Integrationskonzepts wird durch analytische Modelle und Simulation untersucht.

The Internet of Things (IoT) will improve our environment by means of smart objects that are equipped with sensors and actuators, embedded in everyday objects and linked in a ubiquitous way. They enable exciting application scenarios in heterogeneous application domains such as Smart Grids, logistics, factories, traffic management, homes, and buildings. In this context, proprietary communication stacks as well as the heterogeneity of existing home and building automation technologies lead to high integration costs and are an inhibitor for the realization of the IoT. This thesis presents an integration middleware for the IoT consisting of a communication stack, an integration approach, and a Service-oriented Architecture (SoA) with focus on home and building automation technologies. The main challenge is the optimization of Internet- and Web-technologies to enable energy efficient operation within smart objects. Heterogeneous features, interaction patterns, and semantics of existing technologies need to be supported. Finally, non-functional properties such as scalability, security, and privacy have to be taken into account. The SoA presented in this thesis includes the design of a centralized core-infrastructure as well as a generic and decentralized access-control concept. It can be used to provide security and fine-grained access control to ensure security and privacy in scenarios where appliances are made available to third-party application providers. Furthermore, an IoT communication stack is presented to offer interoperability between smart objects based on optimized Internet- and Web-technologies. Here, main contributions are a peer-to-peer communication model resting upon Internet Protocol Version 6 (IPv6) multicasting and the concept of a Web-based engineering tool that provides methods to create sophisticated control logic by graphical programming. Finally, an integration concept regarding the most relevant wireless and wired home and building automation technologies, identification technologies, smart meter protocols, and other important information sources in the context of the IoT is presented. Compared to the state of the art and related work, the datapoint-centric integration approach in combination with a generic information model and the peer-to-peer interaction model provides interoperability without the need for any domain-specific information models. The usability, performance, and availability can be significantly improved by the concept of a graphical logic editor and the avoidance of centralized controllers. A proof of concept implementation and a case study demonstrate the feasibility and applicability of the concepts. The implementation is released as open source project named IoTSyS. Scalability of the stack and the integration approach is analyzed by means of analytic models and simulation.