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Diese Bachelor Thesis behandelt das Thema MQTT 5, ein Anwendungsprotokoll im Internet der Dinge, das im Januar 2018 veröffentlicht wurde. MQTT 5 dient zur Kommunikation zwischen Geräten die mit dem Internet verbunden sind.
Innerhalb dieser Thesis werden die Neuerungen und Verbesserungen von MQTT 5 beschrieben.
Es wird untersucht, welche Mikrocontroller, SoC-Computer, Programmier-Frameworks und lattformdienste MQTT 5 unterstützen.
Anschließend wird die Entwicklung eines Smarthome-Szenarios beschrieben, das im "Interaktive Verteilte Systeme Labor" an der Hochschule Offenburg zur Anwendung kommt.
Um die Umgebung während der Durchführung von Laborversuchen zu verbessern,werden die Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftqualität, Lautstärke und Lichtstärke im Labor gemessen.
Diese Werte werden anhand von Lichtern, die ihre Farbe ändern und einer Steckdose, die sich je ach Wert ein- und ausschaltet, visualisiert.
Egal ob Smart City, Smart Home oder als kleine Alltagshilfen, das Internet der Dinge ist heutzutage allgegenwärtig. Um die Dinge der vernetzten Welt nutzen zu können, benötigt man in der Regel ein User Interface. Es gibt verschiedenste Möglichkeiten für den Menschen, mit vernetzten Dingen zu kommunizieren. Es kann über ein Voice User Interface (VUI) mit der Sprache kommuniziert werden oder sogar bereits nur mit Gedanken über sogenannte Brain User Interfaces (BUI). Eine zentrale Rolle hat momentan vor allem das Smartphone, welches als leistungsstarker, dauerhafter Begleiter im Alltag durch eingebaute Sensoren und Kommunikationsmöglichkeiten wie Wifi, Bluetooth oder NFC, ein ideales Interface zum IoT bietet. Das Smartphone, sowie bereits viele Mikrocontroller, bieten zudem die Möglichkeit mit Internettechnologien wie HTML, CSS und JavaScript programmiert zu werden. Somit sind Webentwickler in der Lage, komplette IoT-Anwendungen zu implementieren. Für die webtechnologienbasierte User-Interfaceentwicklung des Smartphones bieten sich Frameworks wie Ionic, React Native, NativeScript oder Evothings an. Zu diesen vier Frameworks wird ein fundierter Vergleich durchgeführt, der Aufschluss über die Einsetzbarkeit der Frameworks bei einer IoT-Anwendung gibt. Ionic steht bei diesem Vergleich beispielsweise durch eine große Community, oder unzählige UI-Elemente mit hoher Usability, an erster Stelle. Die Möglichkeiten von Ionic werden anhand der App für den smarten Briefkasten Mail-E verdeutlicht.
In dieser Thesis wird im ersten Teil ein Überblick über das Internet der Dinge gegeben. Dabei geht es um den aktuellen Stand der Technik in diesem Bereich. Danach wird die Thematik Wearables aufgegriffen und bearbeitet. Der andere Teil der Arbeit ist die Entwicklung einer Wearable-Anwendung. Realisiert wird eine Gewichtsmessungseinheit an einer Handtasche. Diese gibt ihrem Nutzer Rückmeldungen über das Gewicht der Tasche und in wie weit dieses für das Körpergewicht des Anwenders im Rahmen eines gesunden Maßes ist.
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist eine Untersuchung der gängigsten Anwendungsschicht-Protokolle für das Internet der Dinge. Sie umfasst zum einen die Recherche und den theoretischen Vergleich der Protokolle anhand vorher festgelegter Untersuchungskriterien und zum anderen einen praktisch implementierten Versuchsaufbau, der das Zusammenwirken verschiedener Protokolle veranschaulichen soll.
Zunächst wird eine kurze Einführung in das Thema „Internet der Dinge“ gegeben. Dabei wird auf die Entwicklung der letzten Jahre sowie den Stand der Technik eingegangen. Zum einen wird aufgezeigt, inwieweit sich das Thema auf die verschiedenen Bereiche des täglichen Lebens ausgebreitet hat und zum anderen welche verschiedenen Anwendungspakete diverser Software-Hersteller auf dem Markt sind. Bei der Untersuchung dieser Pakete werden die Protokolle ermittelt, die verwendet werden. Diese bilden die Menge an zu untersuchenden Protokolle für den späteren Vergleich. Um diese in einem wissenschaftlichen Rahmen miteinander vergleichen zu können, werden Kriterien als Basis der Untersuchung definiert. Anhand derer werden alle Protokolle untersucht und anschließend in einer Tabelle zusammengefasst.
Im zweiten Teil werden dann einige der untersuchten Protokolle mithilfe von diversen MCUs (Micro Controller Unit) verwendet und deren Funktionsweise/Handhabung miteinander verglichen. Dabei entsteht ein Aufbau, der zukünftigen Studierenden die Möglichkeit bietet, schnell einen Einblick in den Bereich „Internet der Dinge“ zu erhalten.
In der Bachelorarbeit geht es um die Firmwareanalyse von Internet of Things-Geräten. Die Erstellung eines Programms, um solche Firmwares zu analysieren, ist erfolgt. Eine Auswertung der Ergebnisse schließt das Thema ab. Außerdem werden Memory Corruption Protections für ein breiteres Verständnis erläutert.
Vergleichende Untersuchung von „Platform as a Service“-Angeboten für das „Internet of Things“
(2016)
Im Rahmen der Master Thesis werden eine Auswahl von Platform as a Service-Angeboten für das Internet of Things untersucht und miteinander verglichen. Auf Grundlage der Untersuchung erfolgt die Implementierung einer IoT-Anwendung für drei der Plattformen. Durch die theoretische Einleitung in die Themen Platform as a Service und Internet of Things, sowie die für das IoT typischen Verbindungsprotokolle HTTP und MQTT wird ein grundlegendes Verständnis für das Sachgebiet vermittelt.
Nach den erklärenden Definitionen folgt die Untersuchung der PaaS-Angebote. Hier werden zunächst die Untersuchungskriterien vorgestellt und erklärt, nach denen die einzelnen Plattformen untersucht werden. Diese umfassen die quantitativen Kriterien Verbreitung, Preis, Verbindungsrate, Datenmenge und Schnittstellen, sowie die qualitativen Kriterien API, Visualisierung, Weiterverarbeitung, Dokumentation, Usability und Sicherheit. Danach erfolgt die detailierte Untersuchung der Plattformen nach den festgelegten Kriterien. Untersucht wurden hierbei die Plattformen ThingSpeak, data.sparkfun.com, RunAbove IoT Lab, flowthings.io, Carriots, Ubidots, GroveStreams, Exosite, Beebotte, MODE, Initial State, Temboo, Oracle Cloud, IBM Watson Internet of Things, Azure IoT Hub, AWS IoT und Google Pub/Sub.
Im Anschluss an die Untersuchung werden die Ergebnisse gegliedert nach den Untersuchungskriterien miteinander verglichen und abschließend ausgewertet. Das Ergebnis der Plattformuntersuchung bietet die Grundlage für die Implementierung einer Internet of Things Anwendung.
Für die Anwendung werden zunächst die Anforderungen beschrieben, welche die eines realitätsnahen Nutzungsfall nachbilden sollen. Das Konzept und die Funktionsweise stellt das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten dar. Die Anwendung soll hierbei die Funktionalität eines Infoterminals nachstellen, welches über NFC Informationen an mobile Endgeräte bereitstellt. Dieses sendet die Anzahl der Zugriffe an das PaaS-Angebot, welches wiederum als Schnittstelle zu Twitter und einer externen Webanwendung dient. Über die Webanwendung kann die Nachricht des Infoterminals aktualisiert werden. Im Folgenden werden die zum Einsatz kommende Hardware und Software beschrieben. Es handelt sich hierbei um einem Arduino Uno Rev3, welcher über ein Adafruit CC3000 Wifi Shield und ein Seeed Studio NFC Shield V2.0 die benötigten Schnittstellen zur Verfügung stellt.
Anschließend erfolgt die Auswahl der drei für die Implementierung verwendeten Plattformen anhand der zuvor durchgeführten Untersuchung. Hierbei wurden als Vertreter verschiedener Benutzergruppen ThingSpeak, Flowthings.io und IBM Watson Internet of Things gewählt.
Im Anschluss an die Plattformauswahl wird die konkrete Umsetzung beschrieben. Zuerst erfolgt der Aufbau und die Programmierung der Grundfunktionalitäten zur Datenübertragung des Arduinos. Danach wird im Detail auf den allgemeinen Teil der Webanwendung eingegangen, welche mit HTML, CSS und jQuery realisiert wurde. Danach erfolgt die Beschreibung der plattformspezifischen Umsetzung der jeweiligen Kommunikation zwischen Arduino und Plattform, sowie der Webanwendung. Hierbei belaufen sich die Unterschiede hauptsächlich auf die verschiedene Implementierung der Authentifizierung, sowie den verwendeten Übertragungsprotokollen HTTP und MQTT.
Nach der Implementierung wird diese ausgewertet um die konkreten Herausforderungen, sowie Vor- und Nachteile der Plattformen, der verwendeten Hardware und Protokolle herauszustellen.
Im letzten Kapitel wird die Arbeit zusammengefasst und abschließend anhand aller gesammelten Erkenntnisse bewertet.