Architecture d'internet des objets pour le Smart Grid - Seido LAB [PDF]

Surveillance. • Jeux / jouets. ▫ Architecture classique : connexion à une application smartphone et/ou à un stockage dis

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Recommend Stories


smart grid smart grid
Do not seek to follow in the footsteps of the wise. Seek what they sought. Matsuo Basho

Rendre "intelligent" le Smart Grid
There are only two mistakes one can make along the road to truth; not going all the way, and not starting.

Smart Grid
No amount of guilt can solve the past, and no amount of anxiety can change the future. Anonymous

Smart Grid
Raise your words, not voice. It is rain that grows flowers, not thunder. Rumi

Smart Grid
You have survived, EVERY SINGLE bad day so far. Anonymous

Smart Grid
Don’t grieve. Anything you lose comes round in another form. Rumi

L'Internet des objets
Keep your face always toward the sunshine - and shadows will fall behind you. Walt Whitman

L'Internet des Objets
Pretending to not be afraid is as good as actually not being afraid. David Letterman

le cpl pour un smarter grid
Happiness doesn't result from what we get, but from what we give. Ben Carson

Learning Lab Grid
The beauty of a living thing is not the atoms that go into it, but the way those atoms are put together.

Idea Transcript


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)

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 3

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, ...

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 4

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)

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 6

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 7

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.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 9

Sommaire



Etat de l’art : émergence des objets intelligents



Objectifs de la thèse



Premières pistes de recherche

 Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 10

Sommaire



Etat de l’art : émergence des objets intelligents



Objectifs de la thèse



Premières pistes de recherche

 Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 11

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 13

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 15

Proposition Interopérabilité des objets

 REST (Representation State Transfer) 

Publish/subscribe



ETSI M2M



Linked Data  Linked Services

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 16

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.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 17

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)

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 18

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.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 19

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 20

Sommaire



Etat de l’art : émergence des objets intelligents



Objectifs de la thèse



Premières pistes de recherche

 Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 21

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).

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 22

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 24

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 25

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 30

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 32

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 36

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)

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 37

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”

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 38

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 41

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 43

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 49

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 51

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 52

“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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 53

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

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014 | 57

Smile Life

When life gives you a hundred reasons to cry, show life that you have a thousand reasons to smile

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