Arquitectura de Interoperabilidad de dispositivos físicos para el Internet de las Cosas (IoT)

Abstract

[ES] La visión del Internet de las cosas (IoT) implica un ecosistema global hiperco-nectado en el que todos los dispositivos con capacidad de comunicación se conecten de manera ubicua a Internet. Sin embargo, para alcanzar todo el po-tencial de IoT, no es suficiente que los dispositivos estén conectados a Inter-net, también necesitan comunicarse e interactúan entre sí. Desafortunadamen-te, construir un ecosistema global de dispositivos que se conecten entre sí sin problemas es prácticamente imposible hoy en día. La razón es que IoT está constituida por una plétora de dispositivos heterogéneos en términos del for-mato de datos y componentes de comunicación que lo forman, como por ejemplo hardware, tecnologías y protocolos de comunicación. Esta heteroge-neidad lleva inevitablemente a la aparición de "silos verticales" que están aisla-dos al resto de IoT (p. ej., todavía necesitamos instalar 5 aplicaciones para in-teractuar con 5 dispositivos diferentes debido a la incompatibilidad entre estos dispositivos), exacerbada aún más por el hecho de que miles de millones de dispositivos de próxima generación dependerán de su capacidad de conectarse entre sí para obtener el mayor beneficio. Por lo tanto, la interoperabilidad de dispositivos es uno de los principales desa-fíos a enfrentar en al ámbito de investigación de IoT. En tal sentido, la abstrac-ción de la heterogeneidad hardware y software subyacentes de los dispositivos y la conversión de protocolos para el intercambio de información entre los mismos presenta una estrategia clave. En esta tesis se ha especificado una ar-quitectura de interoperabilidad para habilitar la comunicación entre dispositivos en IoT y su integración con plataformas IoT estándar. La arquitectura está fundamentada en tendencias de investigación recientes y mejores prácticas como el modelo de referencia arquitectónico (IoT-A) y la arquitectura funcio-nal M2M, pero adaptada a unos requerimientos que hacen que esta solución pueda utilizarse para la implementación de aplicaciones IoT en diferentes en-tornos.

El diseño de la arquitectura, se ha llevado a una primera implementación proto-tipo, denominada smart IoT gateway, que tiene como objetivo habilitar la inter-operabilidad técnica y sintáctica de dispositivos heterogéneos. De forma análo-ga, se proyecta una segunda implementación, denominada arquitectura de in-terconexión la cual extiende las funcionalidades del smart IoT gateway a través de la integración de una entidad proxy de interconexión que permite la integración de dispositivos heterogéneos con plataformas IoT estándar. En forma consecuente con el actual enfoque pragmático de IoT, la utilidad y viabilidad de las implementaciones de la arquitectura se ha demostrado median-te testbeds aplicados a dos casos de uso IoT. Dichos casos de uso se derivan del proyecto Europeo INTER-IoT financiado por la Unión Europea a través del programa Horizonte H2020. El primero de ellos, es INTER-LogP, que tiene por objetivo mejorar los procesos de gestión de transporte y logística en entor-nos portuarios, por medio del intercambio de información entre las distintas plataformas IoT heterogéneas involucradas. El segundo, INTER-Health, pre-tende monitorizar el entorno y el estilo de vida de las personas de forma des-centralizada y con movilidad, para prevenir problemas de salud. Finalmente, la experiencia adquirida en el despliegue de estos casos de uso ha motivado el desarrollo de nuevas propuestas y estudios de aplicación de IoT que representan una contribución adicional de la presente tesis doctoral.

[CA] La visió de la Internet de les coses (IoT) implica un ecosistema global hiperco-nectado en el qual tots els dispositius amb capacitat de comunicació es connec-ten de manera ubiqua a la Internet. No obstant això, per a aconseguir tot el po-tencial de IoT, no és suficient que els dispositius estiguen connectats a Inter-net, també necessiten comunicar-se i interactuen entre si. Desafortunadamen-et, construir un ecosistema global de dispositius que es connecten entre si sen-se problemes és pràcticament impossible hui dia. El raó és que IoT està consti-tuïda per una plètora de dispositius heterogenis en termes del for-mate de da-des i components de comunicació que ho formen, com per exemple maquinari, tecnologies i protocols de comunicació. Aquesta heteroge-neidad porta inevi-tablement a l'aparició de "sitges verticals" que estan aisla-dues a la resta de IoT (p. ex., encara necessitem instal·lar 5 aplicacions per a in-teractuar amb 5 dis-positius diferents a causa de la incompatibilitat entre aquests dispositius), exa-cerbada encara més pel fet que milers de milions de dispositius de pròxima generació dependran de la seua capacitat de connectar-se entre si per a obtindre el major benefici. Per tant, la interoperabilitat de dispositius és un dels principals desa-fíos a en-frontar en a l'àmbit d'investigació de IoT. En tal sentit, la abstrac-ción de l'hete-rogeneïtat maquinari i programari subjacent dels dispositius i la conversió de protocols per a l'intercanvi d'informació entre els mateixos presenta una estra-tègia clau. En aquesta tesi s'ha especificat una ar-quitectura d'interoperabilitat per a habilitar la comunicació entre dispositius en IoT i la seua integració amb plataformes estàndard. L'arquitectura està fonga-esmentada en tendències d'in-vestigació recents i millors pràctiques com el model de referència arquitectònic IoT-A i l'arquitectura funcional M2M, però adaptada a un requeriments que fan que aquesta solució puga utili-zarse per a la implementació d'aplicacions IoT en diferents entorns. El disseny de l'arquitectura, s'ha portat a una primera implementació proto-tipus, denominada smart IoT gateway, que té com a objectiu habilitar la inter-operabilitat tècnica i sintàctica de dispositius heterogenis. De forma análo-ga, es projecta una segona implementació, denominada arquitectura de in-terconexión la qual estén les funcionalitats del smart IoT gateway a través de la integració d'una entitat proxy d'interconnexió que permet la integració de dis-positius heterogenis amb plataformes IoT estàndard. En forma conseqüent amb l'actual enfocament pragmàtic de IoT, la utilitat i viabilitat de les implementacions de l'arquitectura s'ha demostrat medien-et testbeds aplicats a dos casos d'ús IoT derivats del projecte Europeu INTER-IoT finançat per la Unió Europea a través del programa Horitzó H2020. El primer d'ells, és INTER-LogP, que té per objectiu millorar els processos de gestió de transport i logística en entorns portuaris, per mitjà de l'intercanvi d'in-formació entre les diferents plataformes IoT hete-rogéneas involucrades. El segon, INTER-Health, pretén monitorar l'entorn i l'estil de vida de les perso-nes de forma descentralitzada i amb mo-vilidad, per a previndre problemes de salut. Finalment, l'experiència adquirida en el desplegament d'aquests casos d'ús ha motivat el desenvolupament de noves propostes i estudis d'aplicació de IoT que representen una contribució addicional de la present tesi doctoral.

[EN] The vision of the Internet of Things (IoT) implies a hyper-connected global ecosystem in which all devices with communication capacity are ubiquitously connected to the Internet. However, to reach the full potential of IoT, it is not enough that the devices are connected to Internet, they also need to communi-cate and interact with each other. Unfortunately, building a global ecosystem of devices that connect with each other without problems is practically impossible nowadays. The reason is that IoT is constituted by a plethora of heterogeneous devices in terms of the data format and communication components that make it up, such as hardware, technologies and communication protocols. This het-erogeneity inevitably leads to the appearance of "vertical silos" that are isolated from the rest of the IoT (e.g., we still need to install 5 applications to interact with 5 different devices due to the incompatibility between these devices), further exacerbated by the fact that billions of next-generation devices will depend on their ability to connect with each other to get the most benefit. Therefore, the interoperability of devices is one of the main challenges to face in the field of IoT research. In this sense, the abstraction of the underlying hardware and software heterogeneity of the devices and the conversion of pro-tocols for the exchange of information between them presents a key strategy. This thesis has specified an interoperability architecture to enable communica-tion between devices in IoT and its integration with standard platforms. The architecture is based on recent research trends and best practices such as the architectural reference model (IoT-A) and the M2M functional architecture but adapted to some requirements that make this solution be used for the imple-mentation of IoT applications in different environments. The design of the architecture has led to first prototype implementation, called smart IoT gateway, which aims to enable the technical and syntactic interoper-ability of heterogeneous devices. Analogously, a second implementation is planned, called an interconnection architecture which extends the functionali-ties of the smart IoT gateway through the integration of a proxy interconnec-tion entity that allows the integration of heterogeneous devices with standard IoT platforms. Consistent with the current pragmatic IoT approach, the utility and feasibility of architecture implementations have been demonstrated by means of testbeds applied to two IoT use cases. These use cases are derived from the European INTER-IoT project financed by the European Union through the Horizon H2020 program. The first of these is INTER-LogP, which aims to improve transport and logistics management processes in port environments, through the exchange of information between the different heterogeneous IoT plat-forms involved. The second, INTER-Health, pretend to monitor the environ-ment and lifestyle of people in a decentralized manner and with mobility, to prevent health problems. Finally, the experience acquired in the deployment of these cases of use has motivated the development of new proposals and IoT application studies that represent an additional contribution to the present doctoral thesis.