IoT semantic-based monitoring of infrastructures using a microservices architecture

Abstract

(English) The Internet of Things (IoT) is a powerful new paradigm that has the potential to transform the way we live, work, and interact with our surroundings. IoT devices are equipped with sensors, software, and communication capabilities, continuously gather data from physical entities and transmit it over the Internet. These devices and their measurements can be used to understand the world around us and to automate tasks.

The IoT is still in its early stages but has already shown great promise. Currently, IoT devices are used to monitor our health, manage our homes, and monitor physical infrastructures, among others. As the IoT develops, we can expect to see even more innovative and groundbreaking applications. The IoT has the potential to revolutionize the way we live and work, and make our world a smarter and more connected place.

One of the main features of the IoT is its ability to collect and process data from a variety of sources, convert this data into knowledge, and then use this knowledge to monitor undesirable situations. This monitoring must be done automatically to be practical and be related to the ontological structure of the information being processed to be helpful.

In certain scenarios, data communication between devices is straightforward. Devices are connected in the same ecosystem, where agreeing on the communication data format is pretty easy. However, when devices have to communicate information to outsider environments, each manufacturer defines its own data communication format, despite they may be communicating similar concepts. This issue is not adequately addressed in the IoT domain, and information homogenization must be done. These statements lead to a central question: "How can we improve the interoperability of IoT devices that use sensors, actuators, and event rules for the monitoring entities in the real world?".

To overcome data heterogeneity, we propose the development of an ontology –a comprehensive and abstract representation of domain concepts and data. This ontology will serve as a foundation for enhancing interoperability among IoT devices by providing a common framework for understanding and exchanging data across diverse systems. Our proposed ontology encompasses a wide range of entity types, including sensors, actuators, and entities representing real-world objects. Sensors gather data from the environment, actuators modify the state of the world, and entities model the physical objects being monitored. The ontology also includes contextualization rules that allow users to define conditions based on sensor data and actuator actions. These rules enable the system to automate monitoring, context gathering, and appropriate responses based on real-time data. Thus generating a wide range of possibilities, so that, different elements from several domains can be specified, depending on the use case chosen by the implementer.

In this regard, we propose a working environment, a cloud-based software platform where operators can view and manipulate all the system’s information, developed using a microservices architecture. We focus on real-time data collection to fully automate monitoring, context gathering, and appropriate responses.

(Català) La Internet de les coses (IoT) és un nou i potent paradigma que té el potencial de transformar la manera com vivim, treballem i interactuem amb el nostre entorn. Els dispositius IoT estan equipats amb sensors, programari i la capacitat de comunicar mesures sobre entitats del món a altres dispositius i sistemes a través d'Internet. Aquests, s'utilitzen per comprendre el món que ens envolta i per automatitzar tasques.

L'IoT es troba en les seves primeres etapes, tot i que ja ha mostrat un gran potencial. Els dispositius IoT s'utilitzen per monitorar la nostra salut, gestionar les nostres llars i controlar infraestructures físiques, entre d'altres. A mesura que l'IoT continuï desenvolupant-se, esperem veure aplicacions encara més innovadores, ja que té el potencial de revolucionar la manera com vivim i treballem i de fer del nostre món un lloc més intel·ligent i connectat.

La capacitat de l'IoT de recollir i processar dades de diferents fonts, convertir-les en coneixement i utilitzar-les per evitar situacions no desitjables, com ara accidents o avaries, és una de les seves principals característiques. Per ser pràctic i útil, aquest monitoratge ha de ser automàtic i relatiu amb l'estructura ontològica de la informació processada.

La falta d'interoperabilitat dels dispositius IoT és un problema important. En alguns casos, la comunicació de missatges entre dispositius és trivial, ja que aquests poden estar connectats al mateix ecosistema i així acordar un format de comunicació. Però en altres, com quan els dispositius han de comunicar informació a entorns externs, cada fabricant defineix el seu propi format de dades, tot i estar comunicant conceptes similars. Aquesta heterogeneïtat dificulta la integració de dispositius de diferents fabricants i limita el potencial de l'IoT. Per tant, sorgeix una pregunta central: "Com podem millorar la interoperabilitat dels dispositius IoT que utilitzem per al monitoratge del món real?".

Per abordar l'heterogeneïtat de dades, aquesta tesi proposa una ontologia, una representació comprensiva i abstracta dels conceptes i dades del domini. Aquesta serveix de base per millorar la interoperabilitat entre els dispositius IoT proporcionant un marc comú per a la comprensió i l'intercanvi de dades entre sistemes diversos. La proposta inclou una àmplia gamma d'elements de l'IoT: sensors, actuadors i entitats que representen objectes del món. Els sensors recopilen dades de l'entorn, els actuadors modifiquen l'estat del món i les entitats modelen els objectes físics que es monitoren. L'ontologia també inclou regles de contextualització que permeten definir condicions en funció de les dades del sensor i les accions de l'actuador. Aquestes regles permeten al sistema automatitzar el monitoratge, la recollida de context i donar respostes adequades a partir de dades en temps real. D'aquesta manera, es genera una àmplia gamma de possibilitats, on es poden especificar diferents elements de diversos dominis en funció del cas d'ús triat per l'implementador.

En aquest sentit, proposem un entorn de treball basat en el núvol, una plataforma desenvolupada utilitzant una arquitectura de microserveis que permet als operadors manipular tota la informació del sistema. Allà es recopilen les dades en temps real per automatitzar el monitoratge, obtenir context situacional i donar respostes adequades.

(Español) El Internet de las cosas (IoT) es un nuevo y potente paradigma que tiene el potencial de transformar la forma en que vivimos, trabajamos e interactuamos con nuestro entorno. Los dispositivos IoT están equipados con sensores, software y la capacidad de comunicar mediciones sobre entidades del mundo a otros dispositivos y sistemas a través de Internet. Estos, se utilizan para comprender el mundo que nos rodea y para automatizar tareas.

El IoT se encuentra en sus primeras etapas, aunque ya ha mostrado un gran potencial. Los dispositivos IoT se utilizan para monitorizar nuestra salud, gestionar nuestros hogares e infraestructuras físicas, entre otros. A medida que el IoT continúe desarrollándose, esperamos ver aplicaciones aún más innovadoras, pues tiene el potencial de revolucionar la forma en que vivimos y trabajamos y de hacer nuestro mundo más inteligente y conectado.

Una de las principales características del IoT es la capacidad para recopilar y procesar datos de diferentes fuentes, convertirlos en conocimiento y utilizarlos para evitar situaciones no deseadas, accidentes o averías. Para que sea práctica y útil, la monitorización debe ser automática y relativa a la estructura ontológica de la información procesada.

La falta de interoperabilidad de los dispositivos IoT es un problema importante. En algunos casos, la comunicación de mensajes entre dispositivos es trivial, ya que estos pueden estar conectados al mismo ecosistema y acordar un formato de comunicación. En otros, como cuando los dispositivos tienen que comunicar información a entornos externos, cada fabricante define su propio formato de datos, incluso para comunicar conceptos similares. Esta heterogeneidad dificulta la integración de dispositivos de diferentes fabricantes y limita su potencial. Por tanto, surge una pregunta central: "¿Cómo podemos mejorar la interoperabilidad de los dispositivos IoT que monitorizan y actuan en el mundo?".

Para abordar la heterogeneidad de datos, esta tesis propone una ontología, una interpretación abstracta de los conceptos y datos del dominio. Esta sirve de base para mejorar la interoperabilidad entre los dispositivos IoT proporcionando un marco común para la comprensión y el intercambio de datos entre sistemas diversos. La propuesta incluye una amplia gama de elementos del IoT: sensores, actuadores y entidades u objetos del mundo. Los sensores recopilan datos del entorno, los actuadores modifican el estado del mundo y las entidades modelan los objetos que se monitorizan. La ontología también incluye reglas de contextualización que permiten definir condiciones en función de los datos del sensor y las acciones del actuador. Estas, permiten al sistema automatizar la monitorización, la recopilación de contexto y dar respuestas adecuadas a partir de datos en tiempo real. Así, se genera una amplia gama de posibilidades, donde se pueden especificar diferentes elementos de diversos dominios en función del caso de uso elegido por el implementador.

En este sentido, proponemos un entorno de trabajo basado en la nube, una plataforma desarrollada utilizando una arquitectura de microservicios que permite a los operadores manipular toda la información del sistema. Allí se recopilan los datos en tiempo real para automatizar la monitorización, obtener contexto situacional y dar respuestas adecuadas.