A comprehensive framework for the development of dynamic smart spaces

Smart spaces have gained a lot of attention during the last few years. These spaces are getting increasingly enriched with a variety of sensors, mobile devices, wearables, actuators and other smart objects. These devices are usually equipped with one or multiple network interfaces that allow them to connect with each other in order to provide useful contextualized services to the smart space inhabitants. Numerous solutions have been proposed by the researchers to solve different aspects related to the realization of these smart spaces. Despite many standalone middleware solutions, development methodologies, IoT-enabled devices, and simulators, there is still a gap between what is available today and the need for an effective end-to-end development/deployment framework. This study investigates where do existing solutions and approaches lack and what is the right approach for building diversified smart spaces. The fundamental challenge of smart space development is to design a suitable framework that structures and facilitates the conception of these spaces at large, that is, it should be able to support the development of a wide variety of spaces and scenarios. Moreover, there is a big gap between the existing design solutions and their possible transition towards a concrete deployment in the real world. The major reason for this is the inability of the design abstractions (provided by these solutions) to be translated into their proper implementation counterparts. This thesis bridges this gap by proposing a framework that covers the entire development life-cycle of smart spaces. It offers the same abstractions throughout all the development phases while providing means for both the seamless integration of various components and the utilization of existing systems. The framework provides a fixed software backbone that allows the developer to move seamlessly from a fully virtual, simulated solution to a completely deployed system in an incremental manner. It provides interfaces both to surrogate system components through external simulators, and to ease the deployment of physical elements. The proposed solution also integrates the conventional component-based control (autonomic computing) and the inherent self-adaptive capabilities of the bio-inspired (firefly-based) ecosystem. The framework eliminates the individual shortcomings of these approaches, that is, lack of inherent situated awareness and mobility, for autonomic approaches, and lack of control over the self-organization in bio-inspired systems. Realistic scenarios are used throughout the thesis to showcase and evaluate the key features of the proposed solution. The results demonstrate that presented solution complements the existing growth of the smart objects and plethora of software solutions by providing a framework to integrate/utilize the available solutions as a step forward towards the efficient end-to end development of smart spaces.

Lo studio degli smart space ha guadagnato sempre maggior attenzione negli ultimi anni, durante i quali la complessità di questi ambienti è incrementata in termini di varietà di sensori, dispositivi mobili e indossabili, attuatori ed altri smart object. Tutti i dispositivi sono ormai dotati di una o più interfacce di rete e sono capaci di connettersi tra di loro al fine di fornire servizi contestualizzati alle persone all’interno dello smart space. Tuttavia, nonostante i numerosi dispositivi compatibili con l’Internet of Things e l’abbondanza di soluzioni in termini di metodologie di sviluppo, middleware e simulatori, il processo di progettazione e implementazione di un framework end-to-end manca ancora di continuità. Questo studio ha l’obiettivo di investigare le carenze delle soluzioni esistenti e degli attuali approcci e quale sia il processo più efficiente per la creazione di uno smart space. La sfida principale in questo ambito è quella di progettare un framework che gestisca e faciliti la definizione di smart space generici ovvero che possa supportare lo sviluppo di un’ampia varietà di ambienti e scenari. E’ inoltre presente un certo divario tra le soluzioni di design esistenti e le loro possibili realizzazioni concrete: la ragione principale è da ricercarsi nella difficoltà nel passare da queste astrazioni alle loro relative implementazioni fisiche. Questa Tesi copre il divario citato proponendo un framework che gestisce l’intero ciclo di vita dello sviluppo di uno smart space, offrendo le medesime astrazioni attraverso tutte le fasi di sviluppo e curando sia l’integrazione di nuove componenti che l’utilizzo di sistemi già esistenti. Il framework mette a disposizione un’infrastruttura software che permette allo sviluppatore di muoversi agilmente e in maniera incrementale da una soluzione simulata e completamente virtuale alla reale implementazione del sistema; fornisce inoltre le interfacce necessarie per l’integrazione di componenti software esterni (attraverso simulatori dedicati) e per facilitare la realizzazione dei relativi elementi fisici. La soluzione proposta integra nel tradizionale approccio detto component-based control (definito nell’autonomic computing) le capacità auto-adattative tipiche del bio-inspired computing. Il framework elimina i difetti individuali di questi approcci ovvero la mancanza di supporto alla mobilità e alle informazioni di contesto, tipica dei sistemi autonomici, e la carenza di controllo sull’auto-organizzazione nei sistemi a ispirazione biologica. Gli aspetti principali della soluzione proposta sono mostrati attraverso scenari ed esempi realistici. I risultati dimostrano come la soluzione presentata rappresenti un miglioramento nella progettazione e sviluppo di smart space, tenendo conto dell’aumento costante degli smart object disponibili e integrando le numerose soluzioni software già disponibili.