IoT Hub as a Service (HaaS): Data-Oriented Environment for Interactive Smart Spaces

Smart devices around us produce a considerable volume of data and interact in a wide range of scenarios that guide the evolution of the Internet of Things (IoT). IoT adds informative and interactive aspects to our living spaces, converting them into smart spaces. However, the development of applications is challenged by the fragmented nature due to the vast number of different IoT things, the format of reported information, communication standards, and the techniques used to design applications. This paper introduces IoT Hub as a Service (HaaS), a data-oriented framework to enable communication interoperability between the ecosystem's entities. The framework abstracts things' information, reported data items, and developers' applications into programmable objects referred to as Cards. Cards represent specific entities and interactions of focus with meta-data. The framework then indexes cards' meta-data to enable interoperability, data management, and application development. The framework allows users to create virtual smart spaces (VSS) to define cards' accessibility and visibility. Within VSS, users can identify accessible data items, things to communicate, and authorized applications. The framework, in this paper, defines four types of Cards to represent: participating IoT things, data items, VSS, and applications. The proposed framework enables the development of synchronous and asynchronous applications. The framework dynamically creates, updates, and links the cards throughout the life-cycle of the different entities. We present the details of the proposed framework and show how our framework is advantageous and applicable

A Semantic Interoperability Model Based on the IEEE 1451 Family of Standards Applied to the Industry 4.0

The Internet of Things (IoT) has been growing recently. It is a concept for connecting billions of smart devices through the Internet in different scenarios. One area being developed inside the IoT in industrial automation, which covers Machine-to-Machine (M2M) and industrial communications with an automatic process, emerging the Industrial Internet of Things (IIoT) concept. Inside the IIoT is developing the concept of Industry 4.0 (I4.0). That represents the fourth industrial revolution and addresses the use of Internet technologies to improve the production efficiency of intelligent services in smart factories. I4.0 is composed of a combination of objects from the physical world and the digital world that offers dedicated functionality and flexibility inside and outside of an I4.0 network. The I4.0 is composed mainly of Cyber-Physical Systems (CPS). The CPS is the integration of the physical world and its digital world, i.e., the Digital Twin (DT). It is responsible for realising the intelligent cross-link application, which operates in a self-organised and decentralised manner, used by smart factories for value creation. An area where the CPS can be implemented in manufacturing production is developing the Cyber-Physical Production System (CPPS) concept. CPPS is the implementation of Industry 4.0 and CPS in manufacturing and production, crossing all levels of production between the autonomous and cooperative elements and sub-systems. It is responsible for connecting the virtual space with the physical world, allowing the smart factories to be more intelligent, resulting in better and smart production conditions, increasing productivity, production efficiency, and product quality. The big issue is connecting smart devices with different standards and protocols. About 40% of the benefits of the IoT cannot be achieved without interoperability. This thesis is focused on promoting the interoperability of smart devices (sensors and actuators) inside the IIoT under the I4.0 context. The IEEE 1451 is a family of standards developed to manage transducers. This standard reaches the syntactic level of interoperability inside Industry 4.0. However, Industry 4.0 requires a semantic level of communication not to exchange data ambiguously. A new semantic layer is proposed in this thesis allowing the IEEE 1451 standard to be a complete framework for communication inside the Industry 4.0 to provide an interoperable network interface with users and applications to collect and share the data from the industry field.A Internet das Coisas tem vindo a crescer recentemente. É um conceito que permite conectar bilhões de dispositivos inteligentes através da Internet em diferentes cenários. Uma área que está sendo desenvolvida dentro da Internet das Coisas é a automação industrial, que abrange a comunicação máquina com máquina no processo industrial de forma automática. Essa interligação, representa o conceito da Internet das Coisas Industrial. Dentro da Internet das Coisas Industrial está a desenvolver o conceito de Indústria 4.0 (I4.0). Isso representa a quarta revolução industrial que aborda o uso de tecnologias utilizadas na Internet para melhorar a eficiência da produção de serviços em fábricas inteligentes. A Indústria 4.0 é composta por uma combinação de objetos do mundo físico e do mundo da digital que oferece funcionalidade dedicada e flexibilidade dentro e fora de uma rede da Indústria 4.0. O I4.0 é composto principalmente por Sistemas Ciberfísicos. Os Sistemas Ciberfísicos permitem a integração do mundo físico com seu representante no mundo digital, por meio do Gémeo Digital. Sistemas Ciberfísicos são responsáveis por realizar a aplicação inteligente da ligação cruzada, que opera de forma auto-organizada e descentralizada, utilizada por fábricas inteligentes para criação de valor. Uma área em que o Sistema Ciberfísicos pode ser implementado na produção manufatureira, isso representa o desenvolvimento do conceito Sistemas de Produção Ciberfísicos. Esse sistema é a implementação da Indústria 4.0 e Sistema Ciberfísicos na fabricação e produção. A cruzar todos os níveis desde a produção entre os elementos e subsistemas autónomos e cooperativos. Ele é responsável por conectar o espaço virtual com o mundo físico, permitindo que as fábricas inteligentes sejam mais inteligentes, resultando em condições de produção melhores e inteligentes, aumentando a produtividade, a eficiência da produção e a qualidade do produto. A grande questão é como conectar dispositivos inteligentes com diferentes normas e protocolos. Cerca de 40% dos benefícios da Internet das Coisas não podem ser alcançados sem interoperabilidade. Esta tese está focada em promover a interoperabilidade de dispositivos inteligentes (sensores e atuadores) dentro da Internet das Coisas Industrial no contexto da Indústria 4.0. O IEEE 1451 é uma família de normas desenvolvidos para gerenciar transdutores. Esta norma alcança o nível sintático de interoperabilidade dentro de uma indústria 4.0. No entanto, a Indústria 4.0 requer um nível semântico de comunicação para não haver a trocar dados de forma ambígua. Uma nova camada semântica é proposta nesta tese permitindo que a família de normas IEEE 1451 seja um framework completo para comunicação dentro da Indústria 4.0. Permitindo fornecer uma interface de rede interoperável com utilizadores e aplicações para recolher e compartilhar os dados dentro de um ambiente industrial.This thesis was developed at the Measurement and Instrumentation Laboratory (IML) in the University of Beira Interior and supported by the portuguese project INDTECH 4.0 – Novas tecnologias para fabricação, que tem como objetivo geral a conceção e desenvolvimento de tecnologias inovadoras no contexto da Indústria 4.0/Factories of the Future (FoF), under the number POCI-01-0247-FEDER-026653