RESTful Discovery and Eventing for Service Provisioning in Assisted Living Environments

Service provisioning in assisted living environments faces distinct challenges due to the heterogeneity of networks, access technology, and sensing/actuation devices in such an environment. Existing solutions, such as SOAP-based web services, can interconnect heterogeneous devices and services, and can be published, discovered and invoked dynamically. However, it is considered heavier than what is required in the smart environment-like context and hence suffers from performance degradation. Alternatively, REpresentational State Transfer (REST) has gained much attention from the community and is considered as a lighter and cleaner technology compared to the SOAP-based web services. Since it is simple to publish and use a RESTful web service, more and more service providers are moving toward REST-based solutions, which promote a resource-centric conceptualization as opposed to a service-centric conceptualization. Despite such benefits of REST, the dynamic discovery and eventing of RESTful services are yet considered a major hurdle to utilization of the full potential of REST-based approaches. In this paper, we address this issue, by providing a RESTful discovery and eventing specification and demonstrate it in an assisted living healthcare scenario. We envisage that through this approach, the service provisioning in ambient assisted living or other smart environment settings will be more efficient, timely, and less resource-intensive.The authors extend their appreciation to the Deanship of Scientific Research at King Saud University for funding this work through the research group project No. RGP-VPP-049

RESTful framework for collaborative internet of things based on IEC 61850

El contenido de los capítulos 2 y 3 está sujeto a confidencialidad 161 p.En 1991, Mark Weiser formuló el paradigma de Computación Ubicua definiendo el concepto de Entorno Inteligente como un espacio físico repleto de dispositivos, muy integrados en el entorno, y con capacidades de identificación, sensorización y actuación. Internet de las Cosas (IoT) expande el ámbito de localización de estos dispositivos y servicios ubicuos, representados como cosas, de un entorno local a internet como red global. Para la implementación de estos escenarios de aplicación, la colaboración entre las cosas es uno de los principales retos de investigación. El objetivo de esta colaboración es ser capaces de satisfacer necesidades globales mediante la combinación de servicios individuales. Esta Tesis propone una arquitectura colaborativa entre las cosas desplegadas en internet.Las tecnologías alrededor de los Servicios Web SOAP/XML, adecuadas para IoT, soportan aspectos claves para un sistema colaborativo como la publicación, descubrimiento, control y gestión de eventos de los dispositivos. Como alternativa, REST ha ganado terreno en este ámbito por ser considerada una opción más ligera, sencilla y natural para la comunicación en internet. Sin embargo, no existen protocolos para descubrimiento y gestión de eventos para recursos REST. Esta Tesis aborda dicha carencia proponiendo una especificación de estos protocolos para arquitecturas REST. Otro aspecto importante es la representación, a nivel de aplicación, de las cosas distribuidas. Entre las propuestas para la estandarización de los modelos de información y comunicación en este dominio que podrían aplicarse, de manera similar, a IoT, destaca el estándar IEC 61850. Sin embargo, los protocolos de comunicación definidos por el estándar no son adecuados para IoT. Esta Tesis analiza la idoneidad del IEC 61850 para escenarios IoT y propone un protocolo de comunicación REST para sus servicios.Por último, se trata la problemática asociada a la confiabilidad que debe proporcionar una arquitectura IoT para dominios de aplicación relacionados con la salud o sistemas de seguridad funcional (Safety)

RESTful framework for collaborative internet of things based on IEC 61850

El contenido de los capítulos 2 y 3 está sujeto a confidencialidad 161 p.En 1991, Mark Weiser formuló el paradigma de Computación Ubicua definiendo el concepto de Entorno Inteligente como un espacio físico repleto de dispositivos, muy integrados en el entorno, y con capacidades de identificación, sensorización y actuación. Internet de las Cosas (IoT) expande el ámbito de localización de estos dispositivos y servicios ubicuos, representados como cosas, de un entorno local a internet como red global. Para la implementación de estos escenarios de aplicación, la colaboración entre las cosas es uno de los principales retos de investigación. El objetivo de esta colaboración es ser capaces de satisfacer necesidades globales mediante la combinación de servicios individuales. Esta Tesis propone una arquitectura colaborativa entre las cosas desplegadas en internet.Las tecnologías alrededor de los Servicios Web SOAP/XML, adecuadas para IoT, soportan aspectos claves para un sistema colaborativo como la publicación, descubrimiento, control y gestión de eventos de los dispositivos. Como alternativa, REST ha ganado terreno en este ámbito por ser considerada una opción más ligera, sencilla y natural para la comunicación en internet. Sin embargo, no existen protocolos para descubrimiento y gestión de eventos para recursos REST. Esta Tesis aborda dicha carencia proponiendo una especificación de estos protocolos para arquitecturas REST. Otro aspecto importante es la representación, a nivel de aplicación, de las cosas distribuidas. Entre las propuestas para la estandarización de los modelos de información y comunicación en este dominio que podrían aplicarse, de manera similar, a IoT, destaca el estándar IEC 61850. Sin embargo, los protocolos de comunicación definidos por el estándar no son adecuados para IoT. Esta Tesis analiza la idoneidad del IEC 61850 para escenarios IoT y propone un protocolo de comunicación REST para sus servicios.Por último, se trata la problemática asociada a la confiabilidad que debe proporcionar una arquitectura IoT para dominios de aplicación relacionados con la salud o sistemas de seguridad funcional (Safety)

Service Composition for IP Smart Object using Realtime Web Protocols: Concept and Research Challenges

The Internet of Things (IoT) refers to a world-wide network of interconnected physical things using standardized communication protocols. Recent development of Internet Protocol (IP) stacks for resource-constrained devices unveils a possibility for the future IoT based on the stable and scalable IP technology much like today's Internet of computers. One important question remains: how can data and events (denoted as services) introduced by a variety of IP networked things be exchanged and aggregated e ciently in various application domains. Because the true value of IoT lies in the interaction of several services from physical things, answers to this question are essential to support a rapid creation of new IoT smart and ubiquitous applications. The problem is known as service composition. This article explains the practicability of the future full-IP IoT with realtime Web protocols to formally state the problem of service composition for IP smart objects, provides literature review, and discusses its research challenges

Web Services in stark ressourcenlimitierten Umgebungen

In dieser Arbeit wird eine Vernetzungslösung für 6LoWPANs auf Grundlage von W3C SOAP Web Services vorgestellt. Zum einen werden erweiterte, generelle Schnittstellenmechanismen und Funktionen wie beispielsweise effizientes Discovery (Suchen und Finden von Geräten) und feingranulares Eventing (asynchrones Push) definiert. Zum Zweiten wird die Nachrichtengröße durch Nutzung spezifischer Datenkodierungen auf Basis von EXI minimiert. Zum Dritten wird ein Ansatz vorgestellt, mit dem die größenoptimierten Nachrichten effizient mittels CoAP im 6LoWPAN übermittelt werden können

A Systems Engineering Approach to a Just-In-Time intervention system

Systems Engineering, a diverse engineering field provides tools and processes to develop efficient systems across different domains. Design thinking, and Agile methodologies are some of the commonly used tools in system design. A mobile health solution using Systems Engineering principle is proposed in managing one of the costliest and common chronic diseases, Asthma. Out of many chronic diseases, Asthma is chosen to be studied, since it has shown a multi-fold increase in the last thirty years. Also, one in nine children in the United States is affected by Asthma. There is no cure for this chronic disease, but it can be controlled by proper medication and symptom tracking. The Just-in-Time Asthma Self-Management and Intervention (JASMIN) is a hybrid mobile application that provides efficient ways for patients to track the asthma symptoms, to learn and get educated about Asthma and their allergens, to communicate and get the necessary support from the care team in the long-term asthma control. JASMIN system is built on a Bio-Behavioral model which encourages and enables the use of system including parents, peers, school personnel and health care providers. JASMIN sends text message interventions to the entire care team when the child fails to track the symptom, ensuring the regularity in symptom adherence. The action plan which is rarely used when written in a physical journal has been given a digital form in JASMIN enabling the provider or parent to update it whenever the need arises. JASMIN is proposed to be used in a pilot study at East Tennessee Children Hospital recruiting 60 children who are between 7-17 years old and their parents and the providers treating their asthma

Service-Oriented Architecture for Patient-Centric eHealth Solutions

The world is in shortage of about 7.2 million healthcare workers in 2013, and the figure is estimated to grow to 12.9 million by 2035, according to the World Health Organization (WHO). On the other hand, the median age of the world’s population was predicted to increase from 26.6 years in 2000 to 37.3 years in 2050, and then to 45.6 years in 2100. Thus further escalating the need for new and efficient healthcare solutions. Telehealth, telecare, and Ambient Assisted Living (AAL) solutions promise to make healthcare services more sustainable, and to enable patients to live more independently and with a higher quality of life at their homes. Smart homes will host intelligent, connected devices that integrate with the Internet of Things (IoT) to form the basis of new and advanced healthcare systems. However, a number of challenges needs to be addressed before this vision can be actualised. These challenges include flexible integration, rapid service development and deployment, mobility, unified abstraction, scalability and high availability, security and privacy. This thesis presents an integration architecture based on Service-Oriented Architecture (SOA) that enables novel healthcare services to be developed rapidly by utilising capabilities of various devices in the patients’ surroundings. Special attention is given to a service broker component, the Information Integration Platform (IIP), that has been developed to bridge communications between everyday objects and Internet-based services following the Enterprise Service Bus (ESB) principles. It exposes its functionalities through a set of RESTfulWeb services, and maintains a unified information model which enables various applications to access in a uniform way. The IIP breaks the traditional vertical “silo” approach of integration, and handles information dissemination task between information providers and consumers by adopting a publish/subscribe messaging pattern. The feasibility of the IIP solution is evaluated both through prototyping and testing the platform’s representative healthcare services, e.g., remote health monitoring and emergency alarms. Experiments conducted on the IIP reveal how performance aspects are affected by needs for security, privacy, high availability, and scalability

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets.Postprint (published version

Contribution to the publish/subscribe communication model for the development of ubiquitous services in wireless sensor networks

Advances in wireless technologies and the rapid development of integrated electronics have made wireless sensor networks (WSN) one of the key technologies of the Internet of Things (IoT). Thanks to the ability of these networks to measure the physical phenomena of their environment, process and communicate this information using wireless technologies, they have excelled in the development of applications that respond or adapt to the context of a user, as is the case of ubiquitous environments such as smart cities, industrial automation, e-health among others. In addition, the IoT has opened the possibility that intelligent objects or devices are also capable of exchanging status information, conditions and capacity in order to interact with each other, in the same way that human beings have done through systems based on presence. These systems require information of an event in real time to react in a timely manner to the conditions or context of the user or device. These applications open new challenges in the management of WSN resources, since these networks operate in environments that are generally prone to packet loss and consist of generally small nodes with limited resources in memory, processing, bandwidth and power. The main objective of this thesis is the development of several mechanisms that allow the adaptation of the Publish/Subscribe protocols to the characteristics and limitations of the WSN for the provision of ubiquitous services in the context of the IoT. In addition, QoS support is supplied through mechanisms that provide reliability and timeliness in the delivery of packets and data aggregation techniques are applied to be efficient in the power consumption and the WSN bandwidth. Our research proposes an architecture to provide a presence service for WSN based on a Publish/ Subscribe model distributed and focused on mechanisms such as the aggregation of data and the publication of messages on demand to achieve energy efficiency and bandwidth. All these mechanisms have been applied in the design of a system called PASH aimed at home control based on the concept of Ambient Assisted Living (AAL). The reliability provided by Publish/Subscribe protocols in WSN is of great importance in the design of applications that require receiving a message to react on time or in real time to an event. Initially, we focused our study on increasing the proportion of packet delivery (PDR) in the destination node through the improvement of reliability mechanisms. We evaluated the reliability mechanism of the MQTT-SN protocol and several proposed mechanisms of the CoAP protocol. From this evaluation, we propose a new and simple adaptive retransmission mechanism to respond to packet loss in the most appropriate way. Finally, we consider that applications such as: e-health, critical infrastructure control and monitoring, among others, must meet different QoS requirements, such as reliability and timeliness for each type of message received. In addition, data aggregation techniques play an important role in WSN to reduce power consumption and bandwidth. In this thesis, we propose a mechanism that provides the application with three different levels of QoS: we provide an improvement of our previous relay mechanism for reliability, we include the data aggregation in our reliability mechanism and we provide a timeliness mechanism in the delivery of packets.Els avenços en les tecnologies sense fils i al ràpid desenvolupament de l'electrònica integrada, ha convertit les xarxes de sensors sense fils (WSN) en una de les tecnologies claus de l'Internet de les Coses (Iot). Gràcies a la capacitat que tenen aquestes xarxes de mesurar els fenòmens físics del seu entorn, processar i comunicar aquesta informació utilitzant tecnologies sense fils, s'han destacat en el desenvolupament d'aplicacions que responguin o s'adaptin al context d'un usuari, com és el cas dels entorns ubics com a ciutats intel·ligents, automatització industrial, salut electrònica entre d'altres. A més, el IOT ha obert la possibilitat que els objectes o dispositius intel·ligents també siguin capaços d'intercanviar informació d'estat, condicions i capacitat per tal d'interactuar entre si, de la mateixa manera que els éssers humans ho han fet a través de sistemes basats en presència. Aquests sistemes requereixen informació d'un esdeveniment en temps real per reaccionar de manera oportuna a les condicions o al context de l'usuari o dispositiu. Aquestes aplicacions obren nous desafiaments en l'administració dels recursos de WSN, ja que aquestes xarxes operen en entorns que generalment són propensos a la pèrdua de paquets i consten de nodes generalment petits amb recursos limitats en memòria, processament, ample de banda i alimentació. El principal objectiu d'aquesta tesi és el desenvolupament de diversos mecanismes que permetin l'adequació dels protocols d'Publish / Subscribe a les característiques i limitacions de la WSN per a la provisió de serveis ubics en el context de la IOT. A més, es brinda suport de QoS a través de mecanismes que proporcionen fiabilitat i puntualitat en el lliurament de paquets i s'apliquen tècniques d'agregació de dades per a ser eficients en el consum d'energia i l'ample de banda de la WSN. La nostra investigació proposa una arquitectura per a proporcionar un servei de presència per WSN basat en un model de Publish / Subscribe distribuït i centrat en mecanismes com ara l'agregació de dades i la publicació de missatges en demanda per aconseguir eficiència en l'energia i l'ample de banda . Tots aquests mecanismes han estat aplicats en el disseny d'un sistema anomenat Pash dirigit al control de la llar basat en el concepte de Vida Assistida (AAL). La fiabilitat proporcionada pels protocols de Publish / Subscribe WSN és de gran importància en el disseny d'aplicacions que requereixen rebre un missatge per reaccionar a temps o en temps real davant un esdeveniment. Inicialment enfoquem el nostre estudi en augmentar la proporció de lliurament de paquets (PDR) en el node de destinació a través de la millora dels mecanismes de fiabilitat. Avaluem el mecanisme de fiabilitat del protocol MQTT-SN i diversos mecanismes proposats del protocol COAP. A partir d'aquesta avaluació, proposem un nou i senzill mecanisme de retransmissió adaptable per respondre a la pèrdua de paquets de la manera més adequada. Finalment, considerem que les aplicacions com: salut electrònica, control d'infraestructura crítica i monitoratge, entre d'altres, han de complir diferents requisits de QoS, com la fiabilitat i la puntualitat per a cada tipus de missatge rebut. A més, les tècniques d'agregació de dades tenen un paper important en WSN per reduir el consum d'energia i l'ample de banda. En aquesta tesi, proposem un mecanisme que proporciona a la aplicació tres nivells de QoS diferents: proporcionem una millora del nostre mecanisme de retransmissió anterior per a la fiabilitat, incloem l'agregació de dades en el nostre mecanisme de fiabilitat i proporcionem un mecanisme de puntualitat en el lliurament de paquets.Postprint (published version