Sensor Node Plugin System
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Design of an OSGi service-oriented middleware for wireless sensor networks
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- 1. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Progettazione e sviluppo di un Middleware OSGI orientato ai servizi per reti di sensori Francesco Pantano Università degli studi di Catania Facoltà di Ingegneria 25 Giugno 2013 Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 2. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 3. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il problema affrontato Soluzione Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 4. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il problema affrontato Soluzione Problematiche affrontate Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 5. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il problema affrontato Soluzione Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 6. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il problema affrontato Soluzione Soluzione Una piattaforma per: Presentare un sensore sotto forma di servizio Monitorare e processare dati provenienti dalla WSN Esporre servizi di discovery / inquiry alla SNS Platform Requisito Installazione e rimozione di moduli a Runtime Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 7. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il framework OSGI Vantaggi Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 8. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il framework OSGI Vantaggi Il framework OSGI Un sistema dinamico, che consente l’installazione, l’avvio, lo stop e la rimozione dei moduli a runtime, senza, quindi, necessitare di riavvii; Orientato ai servizi, i quali possono essere dinamicamente registrati ed utilizzati. Un software modulare e dinamico porta a molti vantaggi in ogni fase del suo sviluppo, dalla progettazione alla realizzazione, fino alla sua manutenzione. Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 9. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il framework OSGI Vantaggi Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 10. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Il framework OSGI Vantaggi Il framework OSGI Vantaggi Interoperabilità Cooperazione tra i componenti Condivisione dei servizi Basso consumo di risorse Fornisce le specifiche per sviluppare applicazioni che implementano servizi, permettendo di registrarne di nuovi, di aggiornare o rimuovere gli esistenti "on the fly", sfruttando piccoli componenti, detti Bundle. Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 11. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 12. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso SNPS: Architettura Il Middleware è visto come un insieme di componenti che poggiano sul framework OSGI. Ogni componente, configurato in un bundle OSGI, svolge un ruolo ben preciso e interagisce, sia localmente che da remoto, con altri bundle. Strati del Middleware: Sensor Integration Interface Core e componenti associati Web Integration Interface Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 13. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 14. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Sensor Integration Interface L’integrazione con la WSN è realizzata attraverso due bundle OSGI che implementano un Gateway, su cui avviene lo scambio dei comandi. Basato su R-OSGI, prevede la creazione di un endpoint unico, che rende trasparente il message passing tra il middleware e le BS della WSN. Non serve conoscere la topologia/architettura della WSN Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 15. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Sensor Integration Interface Componenti: iMdwBundle : Interfaccia verso la WSN al fine di garantire un canale per lo stream di comandi da e verso il Middleware iWsnBundle: Interfaccia verso il Middleware al fine di garantire un canale per lo stream di dati (modalità push) La conoscenza dei servizi è resa possibile attraverso la condivisione delle interfacce, che definiscono i metodi implementati. Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 16. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Core e componenti associati Lo strato di logica Si occupa di "svegliare" i componenti che possono soddisfare una certa richiesta verso il Middleware, invocando gli appropriati servizi. Funzionalità: Orchestrazione dei componenti del middleware Gestione delle immagini software relative ai sensori, condivise tra i bundles del middleware Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 17. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Core e componenti associati Registry Bundle e lo strato di persistenza Funzionalità: Registrazione e rimozione di un sensore Recupero (parametrico) di un sensore Aggiornamento della descrizione dei sensori relativi ad una Base Station Aggiornamento della descrizione un sensore Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 18. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Core e componenti associati Registry Bundle e lo strato di persistenza Le immagini dei sensori recuperate dal registry permettono di: Ignorare la topologia dello strato sottostante Evitare problematiche di indirizzamento delle query Trattare facilmente i componenti della WSN, attraverso le immagini software Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 19. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso SensorML: Descrizione di un Sensore In evidenza le parti principali di una descrizione in formato SensorML per un sensore di temperatura Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 20. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso SensorML: Descrizione di un Sensore Identification parameters In questo frammento di SML si evince: informazione relativa al posizionamento logico del sensore informazione relativa alla base station a cui il sensore fa riferimento Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 21. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso SensorML: Descrizione di un Sensore Capabilities parameters Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 22. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso SensorML: Descrizione di un Sensore Input parameters Questo frammeto di SensorML descrive la parte riguardante la catena di Input di un sensore di temperatura Phenomenon: descrizione del fenomeno misurato dal sensore UOM: unità di misura prevista dalle rilevazioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 23. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso SensorML: Descrizione di un Sensore Output parameters Questo frammeto di SensorML descrive la parte riguardante la catena di Output di un sensore di temperatura Phenomenon: natura del fenomeno misurato dal sensore UOM: unità di misura prevista in output dalle rilevazioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 24. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Core e componenti associati Gestione dei flussi di dati Nasce dall’esigenza di avere una separazione logica tra: Comandi da e verso il middleware Flusso di dati all’atto di una misurazione Modalità: Servizio push, per accumulare dati provenienti dai sensori Processor, per applicare particolari strutture ai dati ricevuti Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 25. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Core e componenti associati Composizione di sensori Un sensore virtuale rappresenta un’entità software che va a mapparsi su un insieme di sensori fisici, residenti anche su BS differenti Si ha visibilità di un unico sensore Una richiesta di rilevazione sensoriale si traduce nell’invocazione di tante richieste di lettura quanti sono i sensori che lo compongono È necessario processare opportunamente le singole rilevazioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 26. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Core e componenti associati Composizione di sensori L’obiettivo è permettere di ottenere misure complesse a partire dai rilevamenti dei singoli sensori Disporre di un operatore che permetta di combinare fra loro le misure, secondo appositi criteri di compatibilità Operatore: Struttura dati parametrica per il processamento di un insieme di dati Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 27. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Web Integration Interface Application Layer L’obiettivo è offrire, ai livelli superiori, interfacce per accedere ai servizi offerti dal Middleware. Sensors as a Service: Query dirette alla WSN sottostante, per accedere alle descrizioni dei componenti e alle misure effettuate Comandi che possano agire sul comportamento dei sensori della WSN Servizio di composizione Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 28. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Web Integration Interface Tecnologie di riferimento Web Services: permettono l’interoperabilità tra diverse applicazioni software su diverse piattaforme hardware disaccoppiamento tra il Middleware e lo strato immediatamente superiore Wrapper Bundle: astrae ed esporta i servizi messi a disposizione dal middleware Qualsiasi Web Client potrà invocare i servizi offerti dallo strato sottostante, evitando problematiche legate alle tecnologie Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 29. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Web Integration Interface Servizi esposti Interrogazione di un sensore: permette di effettuare un’interrogazione sul sensore, restituendo la misura Interrogazione Registry: permette di effettuare una ricerca di un sensore o delle rilevazioni sensoriali secondo appositi filtri specificati come argomento Composizione: generazione di un sensore virtuale; invocato tale servizio, verrà restituito l’identificativo del sensore creato Creazione di un piano di campionamento: permette di inviare un piano di campionamento ad uno o più sensori Invio di un comando ai sensori: abilitazione / disabilitazione del sensore (modalità risparmio energetico) Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 30. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 31. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Snps: una piattaforma guidata dagli eventi Duplice Modalità di funzionamento: Sincrona: richieste che si propagano fino alla wsn, per poi tornare in cascata una Response Asincrona: Response inerenti ad una certa Request notificate tramite un meccanismo Publish/Subscribe I bundle iscritti su un certo topic d’interesse, ricevono le notifiche legate a quella categoria I topic (o Event Stream), rappresentano una categoria di informazioni, legata o meno a specifici bundles Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 32. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Snps: una piattaforma guidata dagli eventi Entità coinvolte Event Producer: componente in grado di generare eventi Event Consumer: componente in grado di ricevere notifiche e processare eventi Event Stream: Topic a cui l’evento fa riferimento in funzione della sua natura intrinseca OSGi Event Admin Service Specification che ben si adatta anche a sistemi nei quali devono essere notificati degli eventi a grana fine ad un numero elevato di handler diversi. Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 33. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Snps: una piattaforma guidata dagli eventi OSGi Event Admin Service Specification Interfacce di base: Event Class: Modella l’evento, un container per informazioni specifiche Event Admin: interfaccia che permette di implementare un publisher Event Handler: interfaccia che modella un meccanismo di intercettazione degli eventi su un topic d’interesse Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 34. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Esempio pratico: lettura di un dato da un sensore Sottoscrizione dei componenti Subscription Phase: attivazione dell’Event handler per intercettare i dati che transitano all’interno della piattaforma Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 35. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Esempio pratico: lettura di un dato da un sensore Interrogazione del sensore fisico Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 36. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Outline 1 Middleware per reti di sensori Il problema affrontato Soluzione 2 Tecnologie Il framework OSGI Vantaggi 3 SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso 4 Conclusioni Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 37. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Scenari principali sviluppati Per avere un riscontro pratico, in accordo ai requisiti previsti (funzionali e non), è stata realizzata un’opportuna batteria di test. Sensor_cu_1: Registrazione di un sensore all’interno della piattaforma Sensor_cu_2: Settaggio di un piano di campionamento Sensor_cu_3_4: Invio di un comando (enable / disable) ad un sensore Sensor_cu_5: Creazione di un sensore virtuale Sensor_cu_6: Interrogazione di un sensore virtuale (precedentemente creato) Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 38. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Scenari principali sviluppati Sensor_cu_1: Registrazione di un Sensore Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 39. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Scenari principali sviluppati Sensor_cu_2: Settaggio di un piano di campionamento Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 40. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Scenari principali sviluppati Sensor_cu_3_4: Invio di un comando ad un sensore Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 41. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Scenari principali sviluppati Sensor_cu_5: Generazione di un sensore virtuale Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 42. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Architettura Componenti di base Event Admin Service Casi d’uso Scenari principali sviluppati Sensor_cu_6: Interrogazione di un sensore virtuale Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori
- 43. Middleware per reti di sensori Tecnologie SNPS: Middleware OSGI per reti di sensori Conclusioni Conclusioni Modularità: Rappresenta una scatola chiusa, eventualmente espandibile tramite ulteriori moduli (bundles) Flessibilità: Grazie ad una modellazione delle strutture dati in formato JSON, si ha piena compatibilità per dialogare con applicazioni esterne Cooperazione: nell’ottica di una tecnologia a servizi, i componenti cooperano e condividono in accordo alla logica di architetture SOA Basso consumo di risorse: Esportazione di un environment OSGi stand alone in grado di operare anche su macchine con capacità limitata Francesco Pantano Middleware OSGI per reti di sensori