A model-centered solution for taming the heterogeneity of smart devices

Recent progress of Internet of Things (IoT) technologies has led to a competitive market and heterogeneity of communication protocols, a large diversity of smart device types, and a multitude of widely used Application Programming Interfaces (API) and standards. Even if, these advancements enhance the development of IoT domains including smart spaces, they intensify the interoperability challenge. In other words, the co-operability of smart devices is compromised by the numerous enabling technologies. Smart spaces are becoming more tightly bounded to the technology and standard proffered by their underlying frameworks. Moreover, the construction of pervasive environments could be subject to the thread of monopolistic smart spaces in which devices and technologies are exclusively harvested in the favor of giant companies. Thus, there is a pressing need for integration and possibly unified standardization. The current literature tackles this issue within bottom layers of IoT stack, and, predominantly toward the establishment of unified programming interface and communication means. Nevertheless, the harmonization of the interfaces to exchange data does not fully address the problem. In fact, a seamless integration and comprehensive interoperability do not accomplish if the exchanged data remain unstandardized and diversified. In this direction, although ontologies and shared vocabularies had promised the interoperability at the semantic level, yet, the upsurge of a competing domain-dependent and vendor-specific ontologies stirrers up the diversity trouble. This thesis aimed to provide a comprehensive solution for tackling the heterogeneity of smart devices and allow developers to integrate them seamlessly. It proposes a generic model, called TDeX, that encapsulates the peculiarity of a wide variety of objects and describes them in a unified manner. The TDeX that extends the W3C proposed TD (Thing Description), decouples devices from their enabling technology and envisions a device and technology agnostic modeling. Needless to remark that the smart devices are not isolated entities but they are essentially characterized in their relationship with other objects, human and the environment. Furthermore, their smartness becomes actually tangible for the end-user in the front-end application which visualizes and facilitates any interaction with the device. Consequently, to envisage a truly seamless integration, it is vital to feed the application with a multifaceted model covering the essential aspects. To this end, TDeX incorporates information about context and access rights, along with the elements to create device-agnostic Graphical User Interfaces (GUI) to interact with the devices. It thus paves the ground for additional contributions: (I) REST middleware infrastructure called M4HSD governs the interaction with the different devices by homogenous interfaces, harmonizes the diversified characteristic in the unified model and eventually cast them to the application as a proper instance of TDeX. (II) An innovative feature-oriented permission model for access management in IoT systems is proposed which is well integrate with TDeX. It enables M4HSD to offer a granular and context-aware access control mechanism to address the demanding privacy requirements of today smart space. (III) A model-driven solution for the automated GUI creation in front-end application is proposed. The TDeX model allows the application to visualize a smart device that automatically adapts to changes in the context of fruition and access rights.

I recenti progressi delle tecnologie Internet of Things (IoT) hanno portato a un risultato competitivo mercato ed eterogeneità dei protocolli di comunicazione, una grande diversità di tipi di dispositivi intelligenti e una moltitudine di applicazioni di interfacce chiamate Application Program Interface (API) e standard. Anche se i progressi nell’ambito IoT migliorano lo sviluppo di domini IoT compresi gli spazi intelligenti, essi intensificano la sfida di interoperabilità. In altre parole, la co-operabilità dei dispositivi intelligenti è compromessa dalle numerosi tecnologie abilitanti. Gli spazi intelligenti stanno diventando più strettamente legati alla tecnologia e standard offerti dai loro framework sottostanti. Inoltre, la costruzione di ambienti pervasivi potrebbe essere soggetta alla presenza di produttori monopolistic. Pertanto, vi è una pressante esigenza di integrazione e, eventualmente, di standardizzazione unificata. La letteratura attuale affronta questo problema negli strati inferiori dello stack IoT focalizzandosi sulla creazione di interfacce di programmazione unificata e di protocolli di comunicazione. Tuttavia, l'armonizzazione delle interfacce per lo scambio di dati non viene affrontata completamente. In effetti, un'integrazione perfetta e un'interoperabilità completa non potrebbe realizzarsi se i dati scambiati rimangono non standardizzati e diversificati. In questa direzione, sebbene ontologie e vocabolari condivisi abbiano promesso l'interoperabilità a livello semantico, presenza di ontologie specifiche e domain-dependent del singolo venditore sollevano il problema della diversità. Questa tesi fornisce una soluzione completa per affrontare l'eterogeneità di dispositivi intelligenti e per consentirne una più facile integrazione. Essa propone un modello generico, chiamato TDeX, che incapsula le peculiarita’ di un'ampia varietà di oggetti e li descrive mediante un modello unificato. TDeX, che estende il linguaggio TD (Thing Description) fornito da W3C, disaccoppia i dispositivi dalla loro tecnologia abilitante e consente di realizzare una modellazione agnostica dai dispositivi e tecnologie. Inoltre, per fornire una integrazione generalizzata, risulta vitale dotare l'applicazione finale tutti gli aspetti essenziali che caratterizzano l’ambiente e i dispositivi intelligenti. A tal fine, TDeX incorpora informazioni sul contesto e diritti di accesso, insieme agli elementi per creare una interfaccia grafica (Graphical User Inerface - GUI) nell’applicazione finale che consente all’utente dell’applicazione di interagire con i dispositivi. La tesi fornisce nel complesso i seguenti contributi: (I) L'infrastruttura middleware REST chiamata M4HSD che regola l'interazione tra i diversi dispositivi nell’ambiente mediante interfacce omogenee, armonizza le diverse caratteristiche dei dispositivi nel modello unificato e trasmette il modello all'applicazione finale come istanza appropriata di TDeX. (II) Un innovativo modello di autorizzazione orientato alle funzionalità per la gestione degli accessi in ambienti IoT. Tale modello consente a M4HSD di offrire un meccanismo di controllo degli accessi granulare e sensibile al contesto per soddisfare i requisiti di privacy presenti in uno spazio intelligente. (III) Una soluzione model-driven per la creazione automatica di GUI nell'applicazione front-end. Il modello TDeX consente all'applicazione di visualizzare un dispositivo intelligente in base al contesto d’uso ed ai privilegi d’accesso, adattandosi automaticamente ai cambiamenti nell’ambiente.