Enabling the deployment of ubiquitous smart spaces : an architectural and methodological approach based on the web of things

Resumen

La visión de un mundo poblado de objetos inteligentes ha sido una constante desde los albores de la telefomunicación contemporanea a finales del siglo XIX. Sin embargo, fue Mark Weiser quien, a inicios de los años 90, estableció los fundamentos de la Computación Ubicua, esencial para la definición de un nuevo concepto de interconexión de objetos llamado el Internet de las Cosas. Este nuevo paradigma extendió la capilaridad del Internet original integrando dispositivos con capacidades sensoriales en estrecha relación con escenarios de la vida real. Normalmente, estos escenarios se contextualizan en aplicaciones verticales, por ejemplo, Smart Cities, Industria 4.0, Coche Conectado o Salud Personal. Un reto importante para la expansión del Internet de las Cosas es la eliminación de la gran fragmentación tecnológica que afecta a aspectos tales como las plataformas hardware, modelos de programación y servicios, semántica o seguridad. Esta tesis doctoral describe una solución holística que simplifica la complejidad del Internet de las Cosas a través de dos paradigmas interrelacionados: la Web de las Cosas y las Metodologas de Desarrollo dirigidas por Modelos. En primer lugar, la tesis propone una arquitectura de referencia denominada Web of Things Open Platform (WoTOP), cuyo objetivo es la orquestación de la interoperabilidad entre diferentes tecnologías y estándares del Internet de las Cosas para crear un ecosistema heterogeneo de recursos sensoriales y de lógica de negocio. Esta arquitectura también incluye una capa de dominio de aplicación que define un API para facilitar el acceso a esos recursos mediante tecnologías web. WoTOP está basado en una arquitectura abierta que puede extenderse y modificarse dependiendo de las necesiades de los proyectos concretos. La tesis incluye la descripción de una versión ligera de WoTOP, llamada μWoTOP, diseñada para ser embebida en dispositivos móviles que serviría, por ejemplo, como plataforma para desarrollar aplicaciones que se alimentan de sensores móviles conectables como wearables para soluciones de salud personal. En segundo lugar, con el objetivo de explorar la universalización de las tecnologías del Internet de las Cosas, el framework propuesto define la metodología Model-Driven Resource-Oriented (MDRO), para el desarrollo de redes de objetos inteligentes. La metodología MDRO esta pensada para ser utilizada por usuarios sin conocimientos concretos en lenguajes de programación ni modelado. La ventaja principal de utilizar la metodología MDRO reside en el soporte y automatic a l durante el desarrollo de servicios para espacios inteligentes. Estas caractersticas se logran a través de mecanismos de verificación semántica de los modelos así como su transformación automatizada a código de programa. La metodología MDRO se complementa con un entorno de desarrollo basado en un lenguaje de modelado ad hoc diseñado como extensión de UML, denominado Smart Space Modeling Language (SSML). Para la validación de las contribuciones descritas, se evaluó el desempeño de una implementación de referencia de WoTOP través de un entorno simulado basado en el modelo M/G/l de teoría de colas que demuestra la capacidad de escalabilidad de la plataforma a la vez que se define como herramienta para dimensionar recursos de despliegues reales de espacios inteligentes. En concreto, con esta herramienta se diseño un conjunto de servicios para edificios inteligentes incluyendo confort ambiental, localization, parking y gestión de recursos. Adicionalmente, se documentó el uso de la metodología MDRO junto con una implementación funcional de su entorno de desarrollo para el despliegue de servicios reales en un Laboratorio de Experiencias de Espacios del Futuro, en particular para el control de consumo de energía, control ambiental y seguridad. Estos servicios se desplegaron sobre una infraestructura de espacio inteligente basada en la arquitectura WoTOP. ----------ABSTRACT---------- The vision of a world populated by smart objects has been a constant since the dawn of contemporary telecommunication in the late nineteenth century. However, it was Mark Weiser who, in the early 1990s, established the fundamentals of Pervasive Computing, which were essential for the foundation of a new concept of object interconnection called the Internet of Things (IoT). This recent paradigm has extended the capillarity of the original Internet integrating devices with sensorial capabilities in close relation with the real scenarios, to implement applications for Smart Cities, Industry 4.0, Connected Car or Personal Health. An ultimate challenge for the spreading of IoT is the removal of the current high technological fragmentation that affects aspects such as hardware platforms, programming models and services, semantics and security. The doctoral thesis describes a holistic solution that simplifies the complexity of the Internet of Things through contributions on two connected paradigms: Web of Things and Model-Driven Development Methodologies. Firstly, the thesis proposes a reference architecture called Web of Things Open Platform (WoTOP), which aims at orchestrating interoperability between different technologies and standards of the Internet of Things, to create an enriched ecosystem of sensorial and logical resources. This architecture also includes an application domain layer that defines an API to enable the access to those resources through web technologies. WoTOP is based on an open architecture so it can be extended and modified depending on the needs of specific projects. The thesis also includes a light version of WoTOP, ready to be embedded in mobile devices to serve, for example, as a framework to develop applications involving mobile-connectable sensors (e.g. wearables for personal health solutions). Secondly, in order to explore the universalization of IoT technologies, the proposed framework provides a Model-Driven Resource-Oriented (MDRO) methodology for the development of smart objects networks. MDRO is designed to be used by users without specific knowledge in modeling and programming languages. The main advantage of using MDRO lies in the support and automation during the development of services for smart spaces. These characteristics are achieved through the semantic verification mechanisms of the models as well as their automated transformation into program code. The MDRO methodology is complemented by a development environment which is based on an ad-hoc modeling language designed as an UML extension, the Smart Space Modeling Language (SSML). For validation, the performance of WoTOP implementation has been evaluated through a simulated environment based on a Queueing Theory M/G/1 model, which demonstrates the scalability of the platform at the same time that serves as a tool to size real deployments. In particular, a set of services for smart buildings considering ambient, localization, parking and resources management features have been designed using the tool. Additionally, the MDRO methodology together with a functional version of its associated development environment has been used to deliver several real services in the Experience Lab of Future Spaces, in particular of energy consumption, ambient control and security. These services were deployed on a smart space infrastructure based on the WoTOP architecture.