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SEIDO Internet des Objets Claude Chaudet José Horta Rayhana Baghli
10 décembre 2014
Noël approche : pensez aux objets connectés
L'invasion est en marche
• Multimédia domestique • Sport / santé / quantify self • Domotique / automatisation • Surveillance • Jeux / jouets
AR Drone (parrot)
Flex (Fitbit)
Mother (Sen.se)
Aura (Withings)
Architecture classique : connexion à une application smartphone et/ou à un stockage distant (cloud)
Systèmes personnalisés de plus en plus accessibles
• Stocakge réseau (NAS) • Arduino • Raspberry Pi
Santa GPS Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 2
Smart everything À large échelle, les objets connectés permettent une supervision fine et une optimisation du fonctionnement des grandes structures
Usine intelligente (smart factory)
• • • • •
Habitat intelligent (Smart Home)
• • • •
Au delà de l'automatisation Auto-optimisation des processus Connexion aux fournisseurs, clients,... Systèmes cyber-physiques
Automatisation de confort Meilleure performance énergétique Sécurité & sûreté de l'habitat Gestion du handicap
Gestion des stocks, flottes de véhicule, ...
Ville intelligente (smart cities)
• •
Surveillance environnementale
• •
Transports publics, mutlimodalité
Optimisation de la circulation, du stationnement
...)
Énergie (éclairage, véhicules électriques,
Systèmes électriques (Smart Grids)
•
Équilibrage fin de la production et de la consommation
• •
Intégration souple de la micro-production
•
Réduction des pertes en ligne
Gestion de la production intermittente (énergies renouvelables)
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Au delà de l'application : des scénarios semblables
Information de l'usager, de l'opérateur, ...
Autonomie relative des éléments terminaux
Réactivité face au changement de contexte
Collecte d'informations d'usage
• Information temps réel • Information fiable et vérifiée • Contrôle d'accès éventuel
• Pilotage global (définition de politiques) • Collaboration entre équipements parfois hétérogènes
• Détection dynamique des conditions de fonctionnement • Adaptation du comportement local en accord avec la politique globale • Statistiques, benchmarking, ...
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En termes techniques
Masse de données
• •
Entrées : spécification de politiques / comportements
Performance, fiabilité, sécurité, ...
Informatique distribuée et autonomique
• • • •
Sorties : Visualisation
Communication
•
Stockage de l'information
Interface homme-machine
• •
Traitement statistique de l'information
Auto-configuration, auto-réparation, auto-optimisation, etc. Gestion de l'hétérogénéité (matériel, OS, protocoles, ...) Traduction des politiques globales au niveau local Combinaison de politiques (usager vs. opérateur)
Confiance
• •
Du gestionnaire de l'infrastructure Des usagers du service (adoption) Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 5
Travaux du laboratoire SEIDO (hors sécurité)
Veille technologique : efforts de standardisation
• Technologies de communication • Intergiciels • Gestion de l'énergie
Définition d'architectures de systèmes
• Autour de la problématique de
l'optimisation énergétique
• Smart home, véhicule électrique
Modélisation et évaluation de performances
• Réseau de communication • Application (flexibilité énergétique)
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SEIDO – Internet des Objets en pratique
Des ingénieurs/chercheurs et enseignants/chercheurs et doctorants
Financement de plusieurs stages, post-doctorants
Financement de deux thèses CIFRE
• Rayhana Baghli • José Horta
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Modélisation de systèmes complexes Application à l’IdO et au SEI Rayhana Baghli Élie Najm Bruno Traverson
Modélisation de systèmes complexes – Application à l’IdO et au SEI • Organisation • Doctorant : Rayhana Baghli
• Encadrants : Elie Najm, Bruno Traverson • Début de thèse : 17 mars 2014
• Objectifs • Définir une architecture de composition de services adaptée aux contraintes de l’Internet des Objets. • Permettre à l’habitant d’une Smarthome de décrire sa stratégie de consommation électrique et la traduire en composition de services exécutables par des smart objects.
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Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
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Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
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L’état actuel de l’Internet des objets Comment mettre en place une stratégie de consommation électrique?
- Multitude de données pour l’utilisateur - Pas d’interopérabilité entre les objets - Quid de la composition de services pour des services plus riches
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 12
Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
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Objectifs
Ok ! Je veux élaborer une stratégie de consommation électrique
- Définir une architecture de composition de services adaptée aux contraintes de l’IdO
-Permettre à l’habitant de décrire sa stratégie de consommation électrique Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 14
Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
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Proposition Interopérabilité des objets
REST (Representation State Transfer)
Publish/subscribe
ETSI M2M
Linked Data Linked Services
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REST (Representation State Transfer)
Identification des ressources
Interface uniforme (GET, PUT, POST, DELETE)
• Chaque ressource est adressable par une adresse unique. • Quelque soit la ressource sur le web, elle sera interrogée en utilisant 4 verbes.
HATEOAS (Hypermedia As The Engine Of Application State)
• Il est possible de naviguer entre les ressources en suivant les liens qui se trouvent au niveau de ses dernières.
Interactions sans état
• l’état de l’application détenu par le client.
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Publish/subscribe
S’abonner à une ressource et être informé par une alerte chaque fois qu’elle change d’état.
Subscribe (temp)
Publish (temp1) Publish (temp2)
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ETSI M2M
• REST (Adressabilité, connectivité, interactions sans état, Interface uniforme)
• Publish / Subcribe
• SCL (Service Capabilities Layer) Couche indépendante de la technologie réseau et de la couche application.
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Linked Data (Web des Données)
Accessibilité aux personnes.
Accessibilité aux machines : Utiliser les standards (RDF*, SPARQL) pour exposer les informations utiles.
Inclure dans les représentations des liens sémantiques vers d'autres données.
Linked Services
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Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
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Perspectives Définir une architecture de composition de services adaptée aux contraintes de l’IdO.
Permettre à l’habitant de décrire sa stratégie de consommation.
Traduire une approche déclarative (objectifs de l’utilisateur) vers une approche impérative (composition de services entre objets intelligents).
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Internet of Things technologies powering Smart Home Services José Horta Daniel Kofman David Menga
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture (Functional viewpoint)
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway and device level
Relevant Communication protocols
Further work
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Motivation
Thesis Focus:
• End to end ICT architecture for Demand Side Management services based on the IoT paradigm
Why focus on residential Demand Response?
• Industrial/commercial DR is already mature • Unexploited Flexibility potential in Residential DR
• Advanced Metering Infrastructure • Increasing connectivity of devices (visibility and fine grained control) • Distributed micro generation and storage • French Market is adapting to accommodate residential Demand Response
We need to understand Smart Home Services and supporting technologies
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Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway and device level
Relevant Communication protocols
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 26
Consumer Objectives Smart Home Service Goals
• Enhance comfort & ease of life • Improve efficiency and reduce costs on resource usage
• Healthcare & wellbeing • Safety & Security of people and goods Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 27
Means towards SHS goals UI/UX Enhancements HMI
Ubiquitous access
Feedback
Sensor Beacon Data Source
Auto Device/Service Management
Intelligence
Automated Control
Remote Control
Actuator
Environment Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 28
Internet of Things contribution
Progressive merge between real and digital worlds
Things become connected and communicate with information systems, with each other, and with people.
IoT should provide the technology needed to implement SHS means Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 29
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Relevant Communication protocols
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway and device level
Further work
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Lack of interoperability is hindering value creation Strong coupling between devices and applications
Barriers to collaborations and innovation
Data & Intelligence (Core)
Data & Intelligence (Core)
Data & Intelligence (Core)
Gateway
Gateway
Gateway
• Heart rate • Lung capacity
• Speed • Elevation
• Dribble force • Shot angle Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 31
Complex for Developers to mashup services
Open API
Open API
Open API
Complexity for the user Centralization of Data & Intelligence
Core
Core
Gateway
Gateway
Security & Privacy Issues
T
T
Core
T
T
T
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T
Principles for sustainable SHS Reduce complexity for developers
Optimize distribution of data & intelligence
Core
Core
Gateway
Gateway
Security & Privacy by design
T
T
T
Reduce complexity for customers
T
Interoperability Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 33
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture (Functional Viewpoint)
Relevant Communication protocols
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway and device level
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 34
ARCHITECTURE - Functional viewpoint UI : User Interface
UI
EMG
HAN Gateway
EMG : Energy Management Gateway
CEM
CEM : Device Energy Manager
DEM
DEM : Device Energy Manager
HAN Protocols External SMG
SM
Internal SMG
SM : Smart Metering
Device Connectivity Device Deployment & Pairing HAN Protocols Safety, Security & Privacy
DCM
DCM : Device Context Manager
Service Advertisement / Registration Service Lookup & Discovery
Publish/subscribe & Request/Response Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 35
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway and device level
Relevant Communication protocols
Further work
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Current Interoperability approaches
At the core
Interoperable Gateways
Peer to peer interoperability
Core
GW
• Common organization of APIs : HyperCat • Cloud-based Platforms
LEVEL
T
• Dedicated Gateways • Mobile personal devices
• Alljoyn framework (middleware)
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LEVEL
Interoperability among data hubs?
Core
GW
Consortium of more than 40 companies and universities: ARM, IBM, INTEL, EDF ENERGY, Cambridge, UCL, etc. 1 - Common organization of APIs:
/customer/home/room/temp /users/hubs/devices/temperature
/cat
“24” “thingA” hasPowerWatts hasDescription
/resourceA /resourceB
hasDescription hasLongitude
“thingB”
“45,20”
hasLatitude
“-73.24”
/resourceC
hasDescription hasTemperatureC “24” “thingC”
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T
Ease cloud-level interoperability?
LEVEL Core
GW
2 – Common semantics:
Uniform ontology among domains
T
Too hard to achieve Difference in domain ontologies makes sense
Basic search mechanism based on simple URL queries
Sharing metadata annotations in multiple catalogues creates points of interoperability
Services still need to agree on semantics
+ Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 39
LEVEL Core
Interoperability
• •
GW
Easier for different data clusters to collaborate with each other Condition: previously agree on common domain-specific ontologies
Optimize distribution of data & intelligence
•
Data & intelligence remain centralized
Reduce complexity for developers
• •
Developers don’t need to learn every API documentation Search for interoperable data services can be automated
Reduce complexity for customers
•
Has little impact in consumer complexity
Security & Privacy by design
• •
Provide the primitives for key-based authentication Security & Privacy depend on each service provider Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 40
T
LEVEL
Cloud-based platforms
Core
Platforms providing
• •
Platforms providing
• • •
Unified access to heterogeneous APIs
Abstraction of complexity to users and developers
Common set of APIs
• •
IFTTT Temboo
Core • •
T
Centralized cloud repository Structured resources (semantics)
Core
Core
Core
GW
Core
Core Wink Shortcut
• •
Core
Works With NEST • Google Fit •
Core ThingWorks SmartThings
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Interoperability based on cloud platform Interoperability
LEVEL Core
GW
•This creates ecosystems where data and services are easily shared
T
Optimize distribution of data & intelligence
•Centralized on each service provider’s premises or in a centralized cloud repository Reduce complexity for developers
•Reduced set of APIs, common semantics and a common data repository •Tools and frameworks further help developers to focus on value creation (Temboo) Reduce complexity for customers
•Consumers have access to different services from a unique interface (Wink, Shortcut)
•In the case of IFTTT, users need to fix the rules for each automated action Security & Privacy by design
•Centralization of data pose privacy issues •Depends on the platform Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 42
LEVEL
Interoperable Gateways
Core
Uniform APIs for applications to interact with heterogeneous devices
Core
Based on a unique representation of devices and their capabilities
Discovery of devices and services
Data storage functionality
Core
Dedicated Gateway/hubs examples:
• • • •
IoTSyS – Academic project EEBUS + AGORA + Energy@Home
GW T
App 1
App 2
App 3
Abstraction Layer
T
Core
T
Mobile gateway examples
• •
Apple’s HomeKit Apple’s HealthKit
OSGI Device Abstraction Layer
HGI - Smart Home Device Template
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LEVEL
HomeKit Open API allowing third-party apps to: • • •
Core
Discover accessories Display, edit, and act upon the data in the home configuration database. Communicate with accessories and services to get them to perform actions
GW
Data structured as a hierarchical collection of home automation accessories:
•
Homes(HMHome), Rooms(HMRooms), Accessories(HMAccessory), etc
Siri compatibility: “Siri, turn on the lights on the living room”
Security & Privacy:
• •
Data is encrypted while stored on iOS device Encrypted data backups and sync through iCloud (keys available only on user’s device) • HomeKit API can only be accessed by applications on the foreground by privacy issues • Applications are not allowed to use data for advertising Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 44
T
LEVEL
Interoperable Gateways
Core
Interoperability
•
GW
Ecosystems where data and services are easily shared
Optimize distribution of data & intelligence
• •
Data can remain on customer premises
Applications can interoperate locally and control devices from a central point
Reduce complexity for developers
• •
Reduced set of APIs, common semantics and a common data repository Tools and frameworks further help developers to focus on value creation
Reduce complexity for customers
•
Consumers have access to different services from a unique interface (HomeKit)
Security & Privacy by design
•
Data remaining on customer premises may improve customer trust Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 45
T
LEVEL
Alljoyn Middleware
Core
A platform-neutral application development framework
• • •
Proximity networking across heterogeneous devices and distributed applications
GW
Radio-link agnostic transport mechanism (WiFi, Wifi Direct, PLC, Ethernet, BLE) T
emphasis on mobility, security and dynamic configuration.
Based on an extension of the Linux D-Bus specification (Data type system, marshaling format, naming guidelines, over-the-wire protocol, etc.)
Developed by Qualcomm Innovation Center in 2011 as open source and contributed to the Linux Foundation.
Linux Foundation created the Allseen alliance in December 2013 to leverage and extend the technology. Members such as: Microsoft, Sony, Panasonic, LG, Haier, Technicolor, Sharp, Electrolux, etc. Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 46
LEVEL
Alljoyn Architecture
Core
GW T
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LEVEL
Alljoyn Middleware
Core
Interoperability
•
Peer to peer interoperability – Across heterogeneous applications and devices
Optimize distribution of data & intelligence
• •
Data can remain on customer premises Applications can interoperate locally and control devices in a distributed fashion
Reduce complexity for developers
• Application development framework:
• Platform–neutral • Supports multiple programming languages • Radio-link agnostic
Reduce complexity for customers
• How to orchestrate transactions among applications and devices? Security & Privacy by design
• The framework provides primitives for securing communications at the application layer
• Data remaining on customer premises may improve customer trust Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 48
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway and device level
Relevant Communication protocols
Further work
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Interface with personal devices
Central role of smart phones, wearables and tablets in the smart home domain
Impose communication protocols: WiFi, WiFi Direct, BLE and NFC
Particularly to interact with Apple’ ecosystem manufacturers needs to implement specific proprietary protocols, e.g.: Security and pairing.
iOS8 protocol stack for HomeKit interaction
NFC Modes and protocols Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 50
Interface with Beacon technology Beacons communicate metadata allowing services related to proximity or geographical location, or identification such as access control.
Beacon technology can be implemented by active RFID tags or by BLE proximity profile-based technologies
Most relevant beacon technologies are (BLE presence on mobile industry):
• iBeacon: Apple specification of the BLE proximity profile • AltBeacon is a platform-independent open source specification of the BLE proximity profile
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Relevant technologies for battery powered devices
Applications GATT Profiles GAP
IPSO Profiles / oBIX / BACnet-ws HTTP
GATT
MQTT / XMPP / STOMP
SEP 2.0
App. Framework Z-Wave App. Layer
AMQP / DDS
TCP
UDP
CoAP / MQTT-SN
HTTP CoAP
UDP - Thread
TCP
ZigBee - APS
UDP
ATT
IPv4 / IPv6
IPv6 - RPL
IPv6 - RPL - Thread
IPv6 - RPL
L2CAP
802.2
6LoWPAN
6LoWPAN - Thread
6LoWPAN
Z-Wave Routing Layer ZigBee - NWK
Z-Wave Transfer Layer
802.15.1 LL 802.11 b/g/n MAC
802.15.4 MAC (2006 or 15.4e)
802.15.4 - 2003
Z-Wave - MAC
802.15.1 PHY 802.11 b/g/n PHY
802.15.4 PHY (2006 or 15.4g)
802.15.4 - 2003
Z-Wave - RF Link
ZigBee PRO
Z-Wave
Bluetooth LE Low Power WiFi
6LoWPAN
Thread
ZigBee IP
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“Unlimited” autonomy thanks to energy harvesting devices
Tags: RFID, NFC
• Passive RFID tags are designed to harvest energy from RF
signals and to backscatter the energy carrying tag’s data towards the reader.
Sensors, UI: Enocean
• harvest energy from thermo converters, solar cells, or motion
converters, allowing for example a wireless switch to transmit data when it is pressed
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Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway and device level
Relevant Communication protocols
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 54
Further work
Publish/subscribe approaches are well adapted to data-driven IoT applications
•
Current solutions: too complex, inefficient or insecure
Security by design at the network layer (Securing content and not the channel) How Name Data Networking (NDN) principles could be supported by the IoT architecture?
Distributed intelligence and interoperability at the device layer (among application and devices)
How to orchestrate such a distributed environment? (Conflict resolution, policy management, etc.)
We will be looking at blockchain-based technologies such as Ethereum or Adept Develop DSM algorithms to demonstrate the value added by the architecture Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 55
Conclusion
Conclusions L'Internet des Objets est en marche • Les objets connectés ont atteint le grand public • Connexion ubiquitaire, (relativement) fiable et économique • Stockage et calcul décentralisé (cloud) généralisé Opportunités pour de nombreux acteurs • PME dans divers domaines (domotique, sécurité, médical, ...) • Communautés urbaines • Industrie en contact avec l'usager (opérateurs électriques, ...) Comment motiver l'usager ? • Conscience environnementale • Économies sur la facture énergétique • Domotique Questions de sécurité et d'intimité numérique omniprésentes
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