Progettazione e implementazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili

Il progetto descritto in questo documento consiste fondamentalmente nell'integrazione di applicazioni context-aware su dispositivi mobili con reti di sensori e nello studio delle problematiche derivanti, vantaggi e potenziali utilizzi. La rete è stata costruita sfruttando l'insieme di protocolli per comunicazioni via radio Zigbee, particolarmente adatti per interazione tra dispositivi a basso consumo energetico e che necessitano di uno scarso tasso di trasferimento di dati. Le informazioni ottenute da sensori di varia natura sono processate da microcontrollori Arduino, scelti per la loro versatilità di utilizzo e design open source. Uno o più dispositivi sono designati per aggregare i dati rilevati dai singoli nodi in un unico pacchetto di informazioni, semanticamente correlate tra loro, quindi emetterle in broadcast su una diversa interfaccia di rete, in modo che diverse applicazioni esterne in ascolto possano riceverle e manipolarle. Viene utilizzato un protocollo specifico per la comunicazione tra i microcontrollori e le applicazioni che si interfacciano con la rete, costruito su misura per dispositivi con risorse limitate. L'applicazione context-aware che interagisce con la rete è stata sviluppata su piattaforma Android, la cui particolare flessibilità favorisce una migliore capacità di gestire i dati ottenuti. Questa applicazione è in grado di comunicare con la rete, manipolare i dati ricevuti ed eventualmente intraprendere azioni specifiche in totale indipendenza dal suo utilizzatore. Obiettivo del progetto è quello di costruire un meccanismo di interazione tra le tecnologie più adattivo e funzionale possibile.

Context-aware wireless networks

This thesis investigates context-aware wireless networks, capable to adapt their behavior to the context and the application, thanks to the ability of combining communication, sensing and localization. Problems of signals demodulation, parameters estimation and localization are addressed exploiting analytical methods, simulations and experimentation, for the derivation of the fundamental limits, the performance characterization of the proposed schemes and the experimental validation. Ultrawide-bandwidth (UWB) signals are in certain cases considered and non-coherent receivers, allowing the exploitation of the multipath channel diversity without adopting complex architectures, investigated. Closed-form expressions for the achievable bit error probability of novel proposed architectures are derived. The problem of time delay estimation (TDE), enabling network localization thanks to ranging measurement, is addressed from a theoretical point of view. New fundamental bounds on TDE are derived in the case the received signal is partially known or unknown at receiver side, as often occurs due to propagation or due to the adoption of low-complexity estimators. Practical estimators, such as energy-based estimators, are revised and their performance compared with the new bounds. The localization issue is addressed with experimentation for the characterization of cooperative networks. Practical algorithms able to improve the accuracy in non-line-of-sight (NLOS) channel conditions are evaluated on measured data. With the purpose of enhancing the localization coverage in NLOS conditions, non-regenerative relaying techniques for localization are introduced and ad hoc position estimators are devised. An example of context-aware network is given with the study of the UWB-RFID system for detecting and locating semi-passive tags. In particular a deep investigation involving low-complexity receivers capable to deal with problems of multi-tag interference, synchronization mismatches and clock drift is presented. Finally, theoretical bounds on the localization accuracy of this and others passive localization networks (e.g., radar) are derived, also accounting for different configurations such as in monostatic and multistatic networks.

Un'applicazione mobile di guida turistica context-aware basata su linked open data

In questo elaborato viene presentata Semantic City Guide, un'applicazione mobile di guida turistica basata su Linked Open Data. Si vogliono presentare i principali vantaggi e svantaggi derivati dall'interazione tra sviluppo nativo di applicazioni mobili e tecnologie del Semantic Web. Il tutto verrà contestualizzato esaminando alcuni progetti di aziende ed enti statali operativi nel settore turistico e dell'informatica.

Una applicazione context aware per il riconoscimento del tipo di mobilità

Con l'aumento del numero di sensori e ricevitori presenti sui dispositivi mobili attuali, è possibile lo sviluppo di nuove applicazioni in grado di fornire dati utili sul contesto in cui si trova un utente in un determinato momento. In questa tesi viene descritta la realizzazione di un servizio per dispositivi Android in grado di riconoscere il tipo di mobilità dell'utente. La motivazione principale di questo progetto è stata la scarsità di soluzioni specifiche per questo tipo di riconoscimento contestuale. Sono state quindi realizzate una libreria Java e un'applicazione Android in grado di fornire tale funzionalità. La tecnica impiegata per il riconoscimento è derivata da una ricerca dei dottori Luca Bedogni e Marco Di Felice e del professore Luciano Bononi, dell'Università di Bologna. Tale tecnica sfrutta le misurazioni di accelerometro e giroscopio del dispositivo per rilevare pattern di movimento e associarli ai vari tipi di mobilità dell'utente. Per mostrare un possibile impiego di questo servizio, è stata realizzata un'applicazione che sfrutta i dati forniti dal servizio di riconoscimento per la gestione dello stato di alcune funzionalità del dispositivo. Inoltre, è stata effettuata una analisi statistica della precisione effettiva di questo sistema di riconoscimento, per evidenziarne i punti di forza e i limiti rispetto alle soluzioni già esistenti. E' stato osservato che il consumo energetico di questo sistema è minore rispetto ad applicazioni basate su servizi di geolocalizzazione, e che la sua precisione è accettabile rispetto ad altre soluzioni già esistenti.

Context-Aware Computing e Tecnologie Wearable

Quest' ultimo ventennio ha visto una vera e propria rivoluzione dei dispositivi, partendo dal computer desktop, passando ai laptop fino ad arrivare agli smartphone. Oggi giorno invece si parla di computer indossabili, i dispositivi stanno diventando sempre più piccoli e integrati in oggetti di moda come possono essere degli orologi, occhiali e orecchini.Questi sono connessi in rete con migliaia di dispositivi e con computer più grandi, con i quali, gli utenti nel corso della giornata interagiscono continuamente senza nemmeno rendersene conto scambiandosi migliaia di piccole informazioni: quando si cammina per strada, in centro città quando si fanno compere, quando si è in casa a guardare la TV. Questo ha portato quindi alla nascita di una nuova tipologia di sistemi, in risposta ai cambiamenti portati da questa rivoluzione, i così detti "Sistemi Context-Aware".Il context di un utente può essere descritto come la relazione che vi è tra i suoi dispositivi elettronici, e l' ambiente che lo circonda, a seconda di dove si trova esso dovrà dare delle risposte opportune, e compiere quindi autonomamente certe azioni, tal volta ad insaputa dell' utente. Le applicazioni che usano quindi questo sistema, vengono continuamente messe a conoscenza dei cambiamenti che vengono apportati all' ambiente circostante, regolandosi e reagendo di conseguenza in autonomia. Ad esempio, il nostro dispositivo scopre tramite la rete, la presenza di un amico nelle vicinanze, mentre stiamo passeggiano per strada, allora potrebbe inviarci un messaggio mostrandoci chi è, e dove si trova, con il tragitto da percorrere per raggiungerlo. Le migliaia di informazioni che vengono quindi scambiate in rete andranno a creare “un ambiente intelligente”, con il quale gli utenti interagiscono inviando informazioni sul proprio conto, senza nemmeno accorgersene, in modo da avere una risposta personalizzata, da parte dell' ambiente.

Using SCXML to integrate semantic sensor information into context-aware user interfaces

This paper describes a novel architecture to introduce automatic annotation and processing of semantic sensor data within context-aware applications. Based on the well-known state-charts technologies, and represented using W3C SCXML language combined with Semantic Web technologies, our architecture is able to provide enriched higher-level semantic representations of user’s context. This capability to detect and model relevant user situations allows a seamless modeling of the actual interaction situation, which can be integrated during the design of multimodal user interfaces (also based on SCXML) for them to be adequately adapted. Therefore, the final result of this contribution can be described as a flexible context-aware SCXML-based architecture, suitable for both designing a wide range of multimodal context-aware user interfaces, and implementing the automatic enrichment of sensor data, making it available to the entire Semantic Sensor Web

Intelligent context-aware services based on internet of things architectures

La Internet de las Cosas (IoT), como parte de la Futura Internet, se ha convertido en la actualidad en uno de los principales temas de investigación; en parte gracias a la atención que la sociedad está poniendo en el desarrollo de determinado tipo de servicios (telemetría, generación inteligente de energía, telesanidad, etc.) y por las recientes previsiones económicas que sitúan a algunos actores, como los operadores de telecomunicaciones (que se encuentran desesperadamente buscando nuevas oportunidades), al frente empujando algunas tecnologías interrelacionadas como las comunicaciones Máquina a Máquina (M2M). En este contexto, un importante número de actividades de investigación a nivel mundial se están realizando en distintas facetas: comunicaciones de redes de sensores, procesado de información, almacenamiento de grandes cantidades de datos (big--‐data), semántica, arquitecturas de servicio, etc. Todas ellas, de forma independiente, están llegando a un nivel de madurez que permiten vislumbrar la realización de la Internet de las Cosas más que como un sueño, como una realidad tangible. Sin embargo, los servicios anteriormente mencionados no pueden esperar a desarrollarse hasta que las actividades de investigación obtengan soluciones holísticas completas. Es importante proporcionar resultados intermedios que eviten soluciones verticales realizadas para desarrollos particulares. En este trabajo, nos hemos focalizado en la creación de una plataforma de servicios que pretende facilitar, por una parte la integración de redes de sensores y actuadores heterogéneas y geográficamente distribuidas, y por otra lado el desarrollo de servicios horizontales utilizando dichas redes y la información que proporcionan. Este habilitador se utilizará para el desarrollo de servicios y para la experimentación en la Internet de las Cosas. Previo a la definición de la plataforma, se ha realizado un importante estudio focalizando no sólo trabajos y proyectos de investigación, sino también actividades de estandarización. Los resultados se pueden resumir en las siguientes aseveraciones: a) Los modelos de datos definidos por el grupo “Sensor Web Enablement” (SWE™) del “Open Geospatial Consortium (OGC®)” representan hoy en día la solución más completa para describir las redes de sensores y actuadores así como las observaciones. b) Las interfaces OGC, a pesar de las limitaciones que requieren cambios y extensiones, podrían ser utilizadas como las bases para acceder a sensores y datos. c) Las redes de nueva generación (NGN) ofrecen un buen sustrato que facilita la integración de redes de sensores y el desarrollo de servicios. En consecuencia, una nueva plataforma de Servicios, llamada Ubiquitous Sensor Networks (USN), se ha definido en esta Tesis tratando de contribuir a rellenar los huecos previamente mencionados. Los puntos más destacados de la plataforma USN son: a) Desde un punto de vista arquitectónico, sigue una aproximación de dos niveles (Habilitador y Gateway) similar a otros habilitadores que utilizan las NGN (como el OMA Presence). b) Los modelos de datos están basado en los estándares del OGC SWE. iv c) Está integrado en las NGN pero puede ser utilizado sin ellas utilizando infraestructuras IP abiertas. d) Las principales funciones son: Descubrimiento de sensores, Almacenamiento de observaciones, Publicacion--‐subscripcion--‐notificación, ejecución remota homogénea, seguridad, gestión de diccionarios de datos, facilidades de monitorización, utilidades de conversión de protocolos, interacciones síncronas y asíncronas, soporte para el “streaming” y arbitrado básico de recursos. Para demostrar las funcionalidades que la Plataforma USN propuesta pueden ofrecer a los futuros escenarios de la Internet de las Cosas, se presentan resultados experimentales de tres pruebas de concepto (telemetría, “Smart Places” y monitorización medioambiental) reales a pequeña escala y un estudio sobre semántica (sistema de información vehicular). Además, se está utilizando actualmente como Habilitador para desarrollar tanto experimentación como servicios reales en el proyecto Europeo SmartSantander (que aspira a integrar alrededor de 20.000 dispositivos IoT). v Abstract Internet of Things, as part of the Future Internet, has become one of the main research topics nowadays; in part thanks to the pressure the society is putting on the development of a particular kind of services (Smart metering, Smart Grids, eHealth, etc.), and by the recent business forecasts that situate some players, like Telecom Operators (which are desperately seeking for new opportunities), at the forefront pushing for some interrelated technologies like Machine--‐to--‐Machine (M2M) communications. Under this context, an important number of research activities are currently taking place worldwide at different levels: sensor network communications, information processing, big--‐ data storage, semantics, service level architectures, etc. All of them, isolated, are arriving to a level of maturity that envision the achievement of Internet of Things (IoT) more than a dream, a tangible goal. However, the aforementioned services cannot wait to be developed until the holistic research actions bring complete solutions. It is important to come out with intermediate results that avoid vertical solutions tailored for particular deployments. In the present work, we focus on the creation of a Service--‐level platform intended to facilitate, from one side the integration of heterogeneous and geographically disperse Sensors and Actuator Networks (SANs), and from the other the development of horizontal services using them and the information they provide. This enabler will be used for horizontal service development and for IoT experimentation. Prior to the definition of the platform, we have realized an important study targeting not just research works and projects, but also standardization topics. The results can be summarized in the following assertions: a) Open Geospatial Consortium (OGC®) Sensor Web Enablement (SWE™) data models today represent the most complete solution to describe SANs and observations. b) OGC interfaces, despite the limitations that require changes and extensions, could be used as the bases for accessing sensors and data. c) Next Generation Networks (NGN) offer a good substrate that facilitates the integration of SANs and the development of services. Consequently a new Service Layer platform, called Ubiquitous Sensor Networks (USN), has been defined in this Thesis trying to contribute to fill in the previous gaps. The main highlights of the proposed USN Platform are: a) From an architectural point of view, it follows a two--‐layer approach (Enabler and Gateway) similar to other enablers that run on top of NGN (like the OMA Presence). b) Data models and interfaces are based on the OGC SWE standards. c) It is integrated in NGN but it can be used without it over open IP infrastructures. d) Main functions are: Sensor Discovery, Observation Storage, Publish--‐Subscribe--‐Notify, homogeneous remote execution, security, data dictionaries handling, monitoring facilities, authorization support, protocol conversion utilities, synchronous and asynchronous interactions, streaming support and basic resource arbitration. vi In order to demonstrate the functionalities that the proposed USN Platform can offer to future IoT scenarios, some experimental results have been addressed in three real--‐life small--‐scale proofs--‐of concepts (Smart Metering, Smart Places and Environmental monitoring) and a study for semantics (in--‐vehicle information system). Furthermore we also present the current use of the proposed USN Platform as an Enabler to develop experimentation and real services in the SmartSantander EU project (that aims at integrating around 20.000 IoT devices).

Towards architectural foundations for cognitive self-aware systems

In this talk we address a proposal concerning a methodology for extracting universal, domain neutral, architectural design patterns from the analysis of biological cognition. This will render a set of design principles and design patterns oriented towards the construction of better machines. Bio- inspiration cannot be a one step process if we we are going to to build robust, dependable autonomous agents; we must build solid theories first, departing from natural systems, and supporting our designs of artificial ones.

Context Aware Middleware Architectures: Survey and Challenges

Abstract: Context aware applications, which can adapt their behaviors to changing environments, are attracting more and more attention. To simplify the complexity of developing applications, context aware middleware, which introduces context awareness into the traditional middleware, is highlighted to provide a homogeneous interface involving generic context management solutions. This paper provides a survey of state-of-the-art context aware middleware architectures proposed during the period from 2009 through 2015. First, a preliminary background, such as the principles of context, context awareness, context modelling, and context reasoning, is provided for a comprehensive understanding of context aware middleware. On this basis, an overview of eleven carefully selected middleware architectures is presented and their main features explained. Then, thorough comparisons and analysis of the presented middleware architectures are performed based on technical parameters including architectural style, context abstraction, context reasoning, scalability, fault tolerance, interoperability, service discovery, storage, security & privacy, context awareness level, and cloud-based big data analytics. The analysis shows that there is actually no context aware middleware architecture that complies with all requirements. Finally, challenges are pointed out as open issues for future work.

Developing context-aware pervasive computing applications: Models and approach

There is growing interest in the use of context-awareness as a technique for developing pervasive computing applications that are flexible, adaptable, and capable of acting autonomously on behalf of users. However, context-awareness introduces a variety of software engineering challenges. In this paper, we address these challenges by proposing a set of conceptual models designed to support the software engineering process, including context modelling techniques, a preference model for representing context-dependent requirements, and two programming models. We also present a software infrastructure and software engineering process that can be used in conjunction with our models. Finally, we discuss a case study that demonstrates the strengths of our models and software engineering approach with respect to a set of software quality metrics.

A software engineering framework for context-aware pervasive computing

There is growing interest in the use of context-awareness as a technique for developing pervasive computing applications that are flexible, adaptable, and capable of acting autonomously on behalf of users. However, context-awareness introduces various software engineering challenges, as well as privacy and usability concerns. In this paper, we present a conceptual framework and software infrastructure that together address known software engineering challenges, and enable further practical exploration of social and usability issues by facilitating the prototyping and fine-tuning of context-aware applications.