Application Platforms for the Internet of Things: Theory, Architecture, Protocols, Data Formats, and Privacy

The Internet of Things (IoT) is the next industrial revolution: we will interact naturally with real and virtual devices as a key part of our daily life. This technology shift is expected to be greater than the Web and Mobile combined. As extremely different technologies are needed to build connected devices, the Internet of Things field is a junction between electronics, telecommunications and software engineering. Internet of Things application development happens in silos, often using proprietary and closed communication protocols. There is the common belief that only if we can solve the interoperability problem we can have a real Internet of Things. After a deep analysis of the IoT protocols, we identified a set of primitives for IoT applications. We argue that each IoT protocol can be expressed in term of those primitives, thus solving the interoperability problem at the application protocol level. Moreover, the primitives are network and transport independent and make no assumption in that regard. This dissertation presents our implementation of an IoT platform: the Ponte project. Privacy issues follows the rise of the Internet of Things: it is clear that the IoT must ensure resilience to attacks, data authentication, access control and client privacy. We argue that it is not possible to solve the privacy issue without solving the interoperability problem: enforcing privacy rules implies the need to limit and filter the data delivery process. However, filtering data require knowledge of how the format and the semantics of the data: after an analysis of the possible data formats and representations for the IoT, we identify JSON-LD and the Semantic Web as the best solution for IoT applications. Then, this dissertation present our approach to increase the throughput of filtering semantic data by a factor of ten.

Middleware per Internet of Things: Java Embedded come caso di studio

Grazie al progresso dell'elettronica, ai giorni nostri, è possibile costruire dispositivi elettronici molto piccoli, che col passare del tempo lo sono sempre più. Questo ci permette di poter imboccare nuove strade nel mondo dell'informatica, sfruttando proprio questo fatto. Le dimensioni ridotte dei dispositivi in commercio, come sensori, attuatori, tag e tanto altro, sono particolarmente adatte a nuovi scenari applicativi. Internet of Things è una visione in cui Internet viene esteso alle cose. Facendo largo uso di dispositivi come sensori e tag è possibile realizzare sistemi intelligenti che possono avere riscontri positivi nella vita di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati sull'ambiente per realizzare sistemi automatici (ad esempio regolare automaticamente la luce o la temperatura di una stanza) sono solo alcuni esempi. Internet of Things è la naturale evoluzione di Internet, ed è destinato a cambiare radicalmente la nostra vita futura, poichè la tecnologia sarà sempre più parte integrante della nostra vita, aumentando sempre più il nostro benessere e riducendo sempre più il numero delle azioni quotidiane da compiere. Sempre più sono middleware, le piattaforme e i sistemi operativi che nascono per cercare di eliminare o ridurre le problematiche relative allo sviluppo di sistemi di questo genere, e lo scopo di questa tesi è proprio sottolinearne l'importanza e di analizzare gli aspetti che questi middleware devono affrontare. La tesi è strutturata in questo modo: nel capitolo uno verrà fatta una introduzione a Internet of Things, analizzando alcuni degli innumerevoli scenari applicativi che ne derivano, insieme però alle inevitabili problematiche di tipo tecnologico e sociale. Nel secondo capitolo verranno illustrate le tecnologie abilitanti di Internet of Things, grazie alle quali è possibile realizzare sistemi intelligenti. Nel terzo capitolo verranno analizzati gli aspetti relativi ai middleware, sottolineandone l'importanza e prestando attenzione alle funzioni che devono svolgere, il tutto riportando anche degli esempi di middleware esistenti. Nel quarto capitolo verrà approfondito il middleware Java Embedded di Oracle.

Integrating wireless sensor networks and internet of things: A coap-based approach

L'obiettivo su cui è stata basata questa Tesi di Laurea è stato quello di integrare la tecnologia delle Wireless Sensor Networks (WSN) al contesto dell'Internet delle cose (IoT). Per poter raggiungere questo obiettivo, il primo passo è stato quello di approfondire il concetto dell'Internet delle cose, in modo tale da comprendere se effettivamente fosse stato possibile applicarlo anche alle WSNs. Quindi è stata analizzata l'architettura delle WSNs e successivamente è stata fatta una ricerca per capire quali fossero stati i vari tipi di sistemi operativi e protocolli di comunicazione supportati da queste reti. Infine sono state studiate alcune IoT software platforms. Il secondo passo è stato quindi di implementare uno stack software che abilitasse la comunicazione tra WSNs e una IoT platform. Come protocollo applicativo da utilizzare per la comunicazione con le WSNs è stato usato CoAP. Lo sviluppo di questo stack ha consentito di estendere la piattaforma SensibleThings e il linguaggio di programmazione utilizzato è stato Java. Come terzo passo è stata effettuata una ricerca per comprendere a quale scenario di applicazione reale, lo stack software progettato potesse essere applicato. Successivamente, al fine di testare il corretto funzionamento dello stack CoAP, è stata sviluppata una proof of concept application che simulasse un sistema per la rilevazione di incendi. Questo scenario era caratterizzato da due WSNs che inviavano la temperatura rilevata da sensori termici ad un terzo nodo che fungeva da control center, il cui compito era quello di capire se i valori ricevuti erano al di sopra di una certa soglia e quindi attivare un allarme. Infine, l'ultimo passo di questo lavoro di tesi è stato quello di valutare le performance del sistema sviluppato. I parametri usati per effettuare queste valutazioni sono stati: tempi di durata delle richieste CoAP, overhead introdotto dallo stack CoAP alla piattaforma Sensible Things e la scalabilità di un particolare componente dello stack. I risultati di questi test hanno mostrato che la soluzione sviluppata in questa tesi ha introdotto un overheadmolto limitato alla piattaforma preesistente e inoltre che non tutte le richieste hanno la stessa durata, in quanto essa dipende dal tipo della richiesta inviata verso una WSN. Tuttavia, le performance del sistema potrebbero essere ulteriormente migliorate, ad esempio sviluppando un algoritmo che consenta la gestione concorrente di richieste CoAP multiple inviate da uno stesso nodo. Inoltre, poichè in questo lavoro di tesi non è stato considerato il problema della sicurezza, una possibile estensione al lavoro svolto potrebbe essere quello di implementare delle politiche per una comunicazione sicura tra Sensible Things e le WSNs.

Tuning remoto di filtering, pre-processing e buffering per scenari internet of things

La tesi propone una soluzione middleware per scenari in cui i sensori producono un numero elevato di dati che è necessario gestire ed elaborare attraverso operazioni di preprocessing, filtering e buffering al fine di migliorare l'efficienza di comunicazione e del consumo di banda nel rispetto di vincoli energetici e computazionali. E'possibile effettuare l'ottimizzazione di questi componenti attraverso operazioni di tuning remoto.

Estensione del framework kura per internet of things tramite supporto distribuito coap

Realizzazione di un supporto CoAP per il framework Kura con le seguenti caratteristiche: 1. Ottima scalabilità, ad organizzazione gerarchica, con aggiunta e rimozione dinamica di nodi e gestione automatica delle disconnessioni. 2. Integrazione efficiente di tecnologie CoAP ed MQTT progettate appositamente per l’IoT tramite lo sviluppo di un pattern di comunicazione per la gestione degli scambi delle informazioni. 3. Un limitato uso di risorse con modifiche su entrambe le implementazioni standard dei protocolli usati in modo tale da adattarle agli obiettivi prefissati. Il tutto a un costo bassissimo, dato che si basa su tecnologie open e grazie alla possibilità di utilizzo su Raspberry Pi.

Vending Machines avanzate basate su principi di Physical Web e Internet of Things

La costante evoluzione tecnologica sta portando alla luce nuove possibilità, che un tempo non erano nemmeno immaginabili. Uno dei settori che si è rivoluzionato maggiormente negli ultimi anni è quello delle telecomunicazioni e questo ha portato sia a una riduzione dei costi per le connessioni a Internet, sia ad un aumento delle loro capacità e prestazioni; di conseguenza queste connessioni sono diventate più accessibili e affidabili permettendo alle persone e alle cose di accedere a Internet quasi ininterrottamente. Questo sviluppo sta portando innumerevoli benefici, ma come ciascuna innovazione tecnologica, tuttavia, i benefici si accompagnano a nuove sfide. In questo elaborato viene dapprima analizzato lo stato dell’arte, i benefici, le problematiche e gli attuali interessi da parte di alcuni dei maggiori player verso l’Internet of Things. Vengono poi prese in considerazione due problematiche: l'individuazione e l'interazione con gli oggetti connessi a Internet, portando come esempio l'utilizzo e la ricerca di una vending machine, un distributore automatico. Proponendo una soluzione, in primo luogo è stato effettuato lo sviluppo di un ecosistema che sfrutta le potenzialità del Physical Web, implementando ad hoc ogni componente, dall'emissione del beacon Eddystone-URL alla visualizzazione della pagina ad esso associata. In secondo luogo questa è stata creata un'applicazione Android che sfrutta l'altro tipo di frame offerto dalla piattaforma beacon di Google, l'Eddystone-UID. Queste due applicazioni vengono quindi analizzate e messe a confronto, per individuare i punti forti e le mancanze delle rispettive piattaforme.

Piattaforme per Internet of Things: Windows IoT Core come caso di studio

Questa tesi si pone l'obiettivo di esplorare alcuni aspetti di uno dei settori più in crescita in questi anni (e nei prossimi) in ambito informatico: \textbf{Internet of Things}, con un occhio rivolto in particolar modo a quelle che sono le piattaforme di sviluppo disponibili in questo ambito. Con queste premesse, si coglie l'occasione per addentrarsi nella scoperta della piattaforma realizzata e rilasciata da pochi mesi da uno dei colossi del mercato IT: Microsoft. Nel primo capitolo verrà trattato Internet of Things in ambito generale, attraverso una panoramica iniziale seguita da un'analisi approfondita dei principali protocolli sviluppati per questa tecnologia. Nel secondo capitolo verranno elencate una serie di piattaforme open source disponibili ad oggi per lo sviluppo di sistemi IoT. Dal terzo capitolo verrà incentrata l'attenzione sulle tecnologie Microsoft, in particolare prima si tratterà Windows 10 in generale, comprendendo \emph{UWP Applications}. Di seguito, nel medesimo capitolo, sarà focalizzata l'attenzione su Windows IoT Core, esplorandolo dettagliatamente (Windows Remote Arduino, Modalità Headed/Headless, etc.). Il capitolo a seguire concernerà la parte progettuale della tesi, comprendendo lo sviluppo del progetto \textbf{Smart Parking} in tutte le sue fasi (dei Requisiti fino ad Implementazione e Testing). Nel quinto (ed ultimo) capitolo, saranno esposte le conclusioni relative a Windows IoT Core e i suoi vantaggi/svantaggi.

Internet of things e integrazione nel web: Web of things

Internet of Things (IoT): tre parole che sintetizzano al meglio come la tecnologia abbia pervaso quasi ogni ambito della nostra vita. In questa tesi andrò a esplorare le soluzioni hardware e soprattutto software che si celano dietro allo sviluppo di questa nuova frontiera tecnologica, dalla cui combinazione con il web nasce il Web of Things, ovvero una visione globale, accessibile da qualsiasi utente attraverso i comuni mezzi di navigazione, dei servizi che ogni singolo smart device può offrire. Sarà seguito un percorso bottom-up partendo dalla descrizione fisica dei device e delle tecnologie abilitanti alla comunicazione thing to thing ed i protocolli che instaurano fra i device le connessioni. Proseguendo per l’introduzione di concetti quali middleware e smart gateway, sarà illustrata l’integrazione nel web 2.0 di tali device menzionando durante il percorso quali saranno gli scenari applicativi e le prospettive di sviluppo auspicabili.

Integration of Internet of Things and Cloud computing. A case study on vital signs monitoring.

Il progresso scientifico e le innovazioni tecnologiche nei campi dell'elettronica, informatica e telecomunicazioni, stanno aprendo la strada a nuove visioni e concetti. L'obiettivo della tesi è quello d'introdurre il modello del Cloud computing per rendere possibile l'attuale visione di Internet of Thing. Nel primo capitolo si introduce Ubiquitous computing come un nuovo modo di vedere i computer, cercando di fare chiarezza sulla sua definizione, la sua nascita e fornendo un breve quadro storico. Nel secondo capitolo viene presentata la visione di Internet of Thing (Internet delle “cose”) che si avvale di concetti e di problematiche in parte già considerate con Ubiquitous computing. Internet of Thing è una visione in cui la rete Internet viene estesa agli oggetti di tutti i giorni. Tracciare la posizione degli oggetti, monitorare pazienti da remoto, rilevare dati ambientali sono solo alcuni esempi. Per realizzare questo tipo di applicazioni le tecnologie wireless sono da considerare necessarie, sebbene questa visione non assuma nessuna specifica tecnologia di comunicazione. Inoltre, anche schede di sviluppo possono agevolare la prototipazione di tali applicazioni. Nel terzo capitolo si presenta Cloud computing come modello di business per utilizzare su richiesta risorse computazionali. Nel capitolo, vengono inizialmente descritte le caratteristiche principali e i vari tipi di modelli di servizio, poi viene argomentato il ruolo che i servizi di Cloud hanno per Internet of Thing. Questo modello permette di accelerare lo sviluppo e la distribuzione di applicazioni di Internet of Thing, mettendo a disposizione capacità di storage e di calcolo per l'elaborazione distribuita dell'enorme quantità di dati prodotta da sensori e dispositivi vari. Infine, nell'ultimo capitolo viene considerato, come esempio pratico, l'integrazione di tecnologie di Cloud computing in una applicazione IoT. Il caso di studio riguarda il monitoraggio remoto dei parametri vitali, considerando Raspberry Pi e la piattaforma e-Health sviluppata da Cooking Hacks per lo sviluppo di un sistema embedded, e utilizzando PubNub come servizio di Cloud per distribuire i dati ottenuti dai sensori. Il caso di studio metterà in evidenza sia i vantaggi sia le eventuali problematiche che possono scaturire utilizzando servizi di Cloud in applicazioni IoT.

INSPECTOR-PI: Progettazione e Sviluppo di un Sistema Mobile per il Controllo e il Monitoraggio basato su Tecnologie Embedded e Internet of Things

La nostra sfida è stata sviluppare un dispositivo che potesse riunire differenti funzionalità, dalla telepresenza alla visione dei dati on demand, e fosse in grado di portare innovazione nel panorama attuale. Abbiamo quindi deciso di creare un device che potesse svolgere attività d’ispezione e monitoraggio, concentrandoci nel corso dell’implementazione su alcuni possibili campi di utilizzo. Il sistema che abbiamo realizzato è open-source, modulare e dinamico, in grado di rispondere a esigenze diverse e facilmente riadattabile. Il prototipo progettato è in grado di comunicare con uno smartphone, grazie al quale viene guidato dall’utente primario, e di trasmettere in rete i dati rilevati dai diversi sensori integrati. Le informazioni generate sono gestibili attraverso una piattaforma online: il device utilizza il Cloud per storicizzare i dati, rendendoli potenzialmente accessibili a chiunque. Per la configurazione hardware abbiamo usato la kit-board Pi2Go e la piattaforma Raspberry Pi, alle quali abbiamo unito una videocamera e alcuni sensori di prossimità, temperatura e umidità e distanza. È nato così il prototipo InspectorPi, un veicolo telecomandato tramite dispositivo mobile in grado di esplorare ambienti ostili in cui vi sono difficoltà fisiche o ambientali alle quali sovvenire.

Smart shower: un sistema intelligente basato su internet of things per la gestione delle docce in impianti sportivi e piscine

La seguente tesi ha come scopo la progettazione e la realizzazione di un sistema intelligente per la gestione e il monitoraggio dell'acqua in impianti facenti uso di docce attraverso 'l'Internet Of Things', con l'obiettivo di ridurre gli sprechi favorendo cosi un risparmio sia di tipo energetico sia di tipo idrico. Stabiliti i requisiti si passa alla fase di progettazione dove vengono analizzate tutte le funzionalità che il sistema deve soddisfare. Segue la fase di implementazione, il cui scopo e realizzare concretamente le funzionalità producendo un prototipo iniziale. Quest'ultimo sara sottoposto ad eventuali test per verificare il corretto funzionamento del sistema e delle singole parti che lo costituiscono.

A Routing Protocol Based on Energy and Link Quality for Internet of Things Applications

The Internet of Things (IoT) is attracting considerable attention from the universities, industries, citizens and governments for applications, such as healthcare, environmental monitoring and smart buildings. IoT enables network connectivity between smart devices at all times, everywhere, and about everything. In this context, Wireless Sensor Networks (WSNs) play an important role in increasing the ubiquity of networks with smart devices that are low-cost and easy to deploy. However, sensor nodes are restricted in terms of energy, processing and memory. Additionally, low-power radios are very sensitive to noise, interference and multipath distortions. In this context, this article proposes a routing protocol based on Routing by Energy and Link quality (REL) for IoT applications. To increase reliability and energy-efficiency, REL selects routes on the basis of a proposed end-to-end link quality estimator mechanism, residual energy and hop count. Furthermore, REL proposes an event-driven mechanism to provide load balancing and avoid the premature energy depletion of nodes/networks. Performance evaluations were carried out using simulation and testbed experiments to show the impact and benefits of REL in small and large-scale networks. The results show that REL increases the network lifetime and services availability, as well as the quality of service of IoT applications. It also provides an even distribution of scarce network resources and reduces the packet loss rate, compared with the performance of well-known protocols.

An Application-Layer RESTful Sleepy Nodes Implementation For Internet of Things Systems

Two of the main issues in wireless industrial Internet of Things applications are interoperability and network lifetime. In this work we extend a semantic interoperability platform and introduce an application-layer sleepy nodes protocol that can leverage on information stored in semantic repositories. We propose an integration platform for managing the sleep states and an application layer protocol based upon the Constraint Application Layer protocol. We evaluate our system on windowing based task allocation strategies, aiming for lower overall energy consumption that results in higher network lifetime.

Semantic middleware development for the Internet of Things

After the extraordinary spread of the World Wide Web during the last fifteen years, engineers and developers are pushing now the Internet to its next border. A new conception in computer science and networks communication has been burgeoning during roughly the last decade: a world where most of the computers of the future will be extremely downsized, to the point that they will look like dust at its most advanced prototypes. In this vision, every single element of our “real” world has an intelligent tag that carries all their relevant data, effectively mapping the “real” world into a “virtual” one, where all the electronically augmented objects are present, can interact among them and influence with their behaviour that of the other objects, or even the behaviour of a final human user. This is the vision of the Internet of the Future, which also draws ideas of several novel tendencies in computer science and networking, as pervasive computing and the Internet of Things. As it has happened before, materializing a new paradigm that changes the way entities interrelate in this new environment has proved to be a goal full of challenges in the way. Right now the situation is exciting, with a plethora of new developments, proposals and models sprouting every time, often in an uncoordinated, decentralised manner away from any standardization, resembling somehow the status quo of the first developments of advanced computer networking, back in the 60s and the 70s. Usually, a system designed after the Internet of the Future will consist of one or several final user devices attached to these final users, a network –often a Wireless Sensor Network- charged with the task of collecting data for the final user devices, and sometimes a base station sending the data for its further processing to less hardware-constrained computers. When implementing a system designed with the Internet of the Future as a pattern, issues, and more specifically, limitations, that must be faced are numerous: lack of standards for platforms and protocols, processing bottlenecks, low battery lifetime, etc. One of the main objectives of this project is presenting a functional model of how a system based on the paradigms linked to the Internet of the Future works, overcoming some of the difficulties that can be expected and showing a model for a middleware architecture specifically designed for a pervasive, ubiquitous system. This Final Degree Dissertation is divided into several parts. Beginning with an Introduction to the main topics and concepts of this new model, a State of the Art is offered so as to provide a technological background. After that, an example of a semantic and service-oriented middleware is shown; later, a system built by means of this semantic and service-oriented middleware, and other components, is developed, justifying its placement in a particular scenario, describing it and analysing the data obtained from it. Finally, the conclusions inferred from this system and future works that would be good to be tackled are mentioned as well. RESUMEN Tras el extraordinario desarrollo de la Web durante los últimos quince años, ingenieros y desarrolladores empujan Internet hacia su siguiente frontera. Una nueva concepción en la computación y la comunicación a través de las redes ha estado floreciendo durante la última década; un mundo donde la mayoría de los ordenadores del futuro serán extremadamente reducidas de tamaño, hasta el punto que parecerán polvo en sus más avanzado prototipos. En esta visión, cada uno de los elementos de nuestro mundo “real” tiene una etiqueta inteligente que porta sus datos relevantes, mapeando de manera efectiva el mundo “real” en uno “virtual”, donde todos los objetos electrónicamente aumentados están presentes, pueden interactuar entre ellos e influenciar con su comportamiento el de los otros, o incluso el comportamiento del usuario final humano. Ésta es la visión del Internet del Futuro, que también toma ideas de varias tendencias nuevas en las ciencias de la computación y las redes de ordenadores, como la computación omnipresente y el Internet de las Cosas. Como ha sucedido antes, materializar un nuevo paradigma que cambia la manera en que las entidades se interrelacionan en este nuevo entorno ha demostrado ser una meta llena de retos en el camino. Ahora mismo la situación es emocionante, con una plétora de nuevos desarrollos, propuestas y modelos brotando todo el rato, a menudo de una manera descoordinada y descentralizada lejos de cualquier estandarización, recordando de alguna manera el estado de cosas de los primeros desarrollos de redes de ordenadores avanzadas, allá por los años 60 y 70. Normalmente, un sistema diseñado con el Internet del futuro como modelo consistirá en uno o varios dispositivos para usuario final sujetos a estos usuarios finales, una red –a menudo, una red de sensores inalámbricos- encargada de recolectar datos para los dispositivos de usuario final, y a veces una estación base enviando los datos para su consiguiente procesado en ordenadores menos limitados en hardware. Al implementar un sistema diseñado con el Internet del futuro como patrón, los problemas, y más específicamente, las limitaciones que deben enfrentarse son numerosas: falta de estándares para plataformas y protocolos, cuellos de botella en el procesado, bajo tiempo de vida de las baterías, etc. Uno de los principales objetivos de este Proyecto Fin de Carrera es presentar un modelo funcional de cómo trabaja un sistema basado en los paradigmas relacionados al Internet del futuro, superando algunas de las dificultades que pueden esperarse y mostrando un modelo de una arquitectura middleware específicamente diseñado para un sistema omnipresente y ubicuo. Este Proyecto Fin de Carrera está dividido en varias partes. Empezando por una introducción a los principales temas y conceptos de este modelo, un estado del arte es ofrecido para proveer un trasfondo tecnológico. Después de eso, se muestra un ejemplo de middleware semántico orientado a servicios; después, se desarrolla un sistema construido por medio de este middleware semántico orientado a servicios, justificando su localización en un escenario particular, describiéndolo y analizando los datos obtenidos de él. Finalmente, las conclusiones extraídas de este sistema y las futuras tareas que sería bueno tratar también son mencionadas.