Especificación y desarrollo de una pasarela física y virtual para interoperabilidad de dispositivos heterogéneos en el ámbito de Internet de las Cosas

Abstract

[ES] En los últimos años, Internet de las cosas (``Internet of Things'' o ``IoT'') ha evolucionado de ser simplemente un concepto académico, construido alrededor de protocolos de comunicación y dispositivos, a ser un ecosistema con aplicaciones industriales y de negocio con implicaciones tecnológicas y sociales sin precedentes.

Gracias a las nuevas redes de acceso inalámbricas emergentes, sensores mejorados y sistemas embebidos con procesadores cada vez más eficientes y baratos, una gran cantidad de objetos (tanto de nuestra vida cotidiana como de sistemas y procesos industriales) están interconectados entre sí, trasladando la información del mundo físico a las aplicaciones y servicios de Internet.

A través de las pasarelas IoT los dispositivos que interactúan con el mundo físico son capaces de conectarse a las redes de comunicación e intercambiar información. Son varios los retos que deben afrontar las pasarelas en su papel dentro del Internet de las Cosas, entre ellas, la escalabilidad, seguridad, la gestión de dispositivos y, recientemente, la interoperabilidad.

La falta de interoperabilidad entre los dispositivos provoca importantes problemas tecnológicos y empresariales, tales como la imposibilidad de conectar dispositivos IoT no interoperables a plataformas IoT heterogéneas, la imposibilidad de desarrollar aplicaciones IoT que exploten múltiples plataformas en dominios homogéneos y/o cruzados, la lentitud en la introducción de la tecnología IoT a gran escala, el desánimo en la adopción de la tecnología IoT, el aumento de los costes, la escasa reutilización de las soluciones técnicas y la insatisfacción de los usuarios.

El propósito de esta tesis doctoral es la búsqueda de una solución óptima para la interoperabilidad entre dispositivos de Internet de las Cosas mediante la definición de una pasarela IoT genérica, modular y extensible; sin dejar de lado aspectos esenciales como la seguridad, escalabilidad y la calidad de servicio.

Se completa esta tesis doctoral con una implementación software de la pasarela IoT siguiendo la definición propuesta, así como el despliegue y la evaluación de los resultados obtenidos en numerosos casos de uso pertenecientes a pilotos del proyecto de investigación Europeo ``INTER-IoT'' financiado a través del programa marco Horizonte 2020.

[CA] En els últims anys, Internet de les coses (``Internet of Things'' o ``IoT'') ha evolucionat de ser simplement un concepte acadèmic, construït al voltant de protocols de comunicació i dispositius, a ser un ecosistema amb aplicacions industrials i de negoci amb implicacions tecnològiques i socials sense precedents.

Gràcies a les noves xarxes d'accés ``wireless'' emergents, sensors millorats i sistemes embeguts amb processadors cada vegada més eficients i barats, una gran quantitat d'objectes (tant de la nostra vida quotidiana com de sistemes i processos industrials) estan interconnectats entre si, traslladant la informació del món físic a les aplicacions i serveis d'Internet.

A través de les passarel·les IoT els dispositius que interactuen amb el món físic són capaços de connectar-se a les xarxes de comunicació i intercanviar informació. Són diversos els reptes que han d'afrontar les passarel·les en el seu paper dins de la Internet de les Coses, entre elles, l'escalabilitat, seguretat, la gestió de dispositius i, recentment, la interoperabilitat.

La falta d'interoperabilitat entre els dispositius provoca importants problemes tecnològics i empresarials, com ara la impossibilitat de connectar dispositius IoT no interoperables a plataformes IoT heterogènies, la impossibilitat de desenvolupar aplicacions IoT que exploten múltiples plataformes en dominis homogenis i/o croats, la lentitud en la introducció de la tecnologia IoT a gran escala, el descoratjament en l'adopció de la tecnologia IoT, l'augment dels costos, l'escassa reutilització de les solucions tècniques i la insatisfacció dels usuaris.

El propòsit d'aquesta tesi doctoral és la cerca d'una solució òptima per a la interoperabilitat entre dispositius d'Internet de les Coses mitjançant la definició d'una passarel·la IoT genèrica, modular i extensible; sense deixar de costat aspectes essencials com la seguretat, escalabilitat i la qualitat de servei.

Es completa aquesta tesi doctoral amb una implementació programari de la passarel·la IoT seguint la definició proposada, així com el desplegament i l'avaluació dels resultats obtinguts en nombrosos casos d'ús pertanyents a pilots del projecte d'investigació Europeu ``INTER-IoT'' finançat a través del programa marc Horitzó 2020.

[EN] In recent years, the Internet of Things (``IoT") has evolved from being simply an academic concept, built around communication protocols and devices, to an ecosystem with industrial and business applications with unprecedented technological and social implications.

Thanks to new emerging wireless access networks, improved sensors and embedded systems with increasingly efficient and inexpensive processors, a large number of objects (both in our daily lives and in industrial systems and processes) are interconnected with each other, moving information from the physical world to Internet applications and services.

Through IoT gateways, devices that interact with the physical world are able to connect to communication networks and exchange information. There are several challenges that gateways must face in their role within the Internet of Things, including scalability, security, device management and, recently, interoperability.

The lack of interoperability between devices causes major technological and business problems, such as the impossibility of connecting non-interoperable IoT devices to heterogeneous IoT platforms, the impossibility of developing IoT applications that exploit multiple platforms in homogeneous and/or cross-domains, the slow introduction of IoT technology on a large scale, discouragement in the adoption of IoT technology, increased costs, low utilization of technical solutions and user dissatisfaction.

The purpose of this doctoral thesis is the search for an optimal solution for interoperability between Internet of Things devices by defining a generic, modular and extensible IoT gateway; without neglecting essential aspects such as security, scalability and quality of service. This doctoral Thesis is completed with a software implementation of the IoT gateway following the proposed definition, as well as the deployment and evaluation of the results obtained in numerous use cases belonging to the pilots of the European research project ``INTER-IoT'' funded through the Horizon 2020 framework program.