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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.
Vergleich aktueller LPWAN-Technologien im Internet der Dinge unter Einbindung von Energy-Harvesting
(2017)
Die vorliegende Bachelorthesis gibt einen Überblick über die Möglichkeiten zur drahtlosen Machine-to-Machine Kommunikation im Internet der Dinge. Sie bietet eine Einführung in die Low-Power-Wide-Area-Network-Technologie (LPWAN) und einen Vergleich deren Anbieter.
Zu Beginn der Arbeit wird die Funktionsweise der drahtlosen Datenübertragung erklärt und die wichtigsten Fachbegriffe werden erläutert. Anschließend werden die Technologien Short-Range Wireless Network, Mobilfunk und Low-Power-Wide-Area-Network voneinander differenziert und einige Standards jeder Kommunikationstechnik vorgestellt.
Anschließend wird konkreter auf die Funktionsweise der aussichtsreichsten LPWAN-Technologien eingegangen. Nach der Erläuterung der Funktionsweisen werden die
Übertragungstechniken der Anbieter LoRa Alliance, SigFox, Ingenu und EnOcean anhand festgelegter Parameter untersucht und anhand eines Bewertungsschemas verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Anbieter im Vergleich über verschiedene Ansätze zum Einsatz der
LPWAN-Technologie verfügen und diese zudem von allen unterschiedlich umgesetzt wird. Aus dem Vergleich wurde jedoch deutlich, wo die Stärken und Schwächen der einzelnen Technologien liegen. Ein kurzer Exkurs in das Thema des Energy-Harvesting – Der Technologie zur Stromerzeugung aus Umweltressourcen – zeigt die möglichen Umsetzungsarten der neuartigen Energiegewinnung und deren Einsatzgebiete für technische Geräte im Internet der Dinge. Die Dokumentation eines Beispielprojekts beschreibt die Umsetzung einer
solarbetriebenen LoRaWAN-Sendeeinheit, welche in der Lage ist die GPS-Daten ihrer Position über eine freie Funkfrequenz an ein LoRaWAN-Gateway in der Umgebung zu senden. Das Gateway interpretiert die Daten und stellt diese mithilfe eines Webdienstes auf einer interaktiven Karte dar.
The Internet of Things (IoT), ubiquitous computing and ubiquitous connectivity, Cyber Physical Systems (CPS), ambient intelligence, Machine-to-Machine communication (M2M) or Car-to-Car (C2C)-communication, smart metering, smart grid, telematics, telecare, telehealth – there are many buzzwords around current developments related to the Internet.
This contribution gives an overview on such IoT-applications, as they are already used today to improve the availability of information, increase efficiency, push system limits and extend the value chain. At a closer look, the economic and technical development can be separated into different phases. It is interesting that we are currently at the threshold to a new phase, with decentralized and cooperative communication and control nodes as cornerstones. Thus, embedded systems and their connectivity are in the middle of the scene.
This recent development is described along with some example projects from the author’s team which are used in industrial automation, energy supply and distribution (home automation and smart metering), traffic engineering (cooperative driver assistance systems), and in telehealth and telecare.
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.
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.
Embedded Analog Physical Unclonable Function System to Extract Reliable and Unique Security Keys
(2020)
Internet of Things (IoT) enabled devices have become more and more pervasive in our everyday lives. Examples include wearables transmitting and processing personal data and smart labels interacting with customers. Due to the sensitive data involved, these devices need to be protected against attackers. In this context, hardware-based security primitives such as Physical Unclonable Functions (PUFs) provide a powerful solution to secure interconnected devices. The main benefit of PUFs, in combination with traditional cryptographic methods, is that security keys are derived from the random intrinsic variations of the underlying core circuit. In this work, we present a holistic analog-based PUF evaluation platform, enabling direct access to a scalable design that can be customized to fit the application requirements in terms of the number of required keys and bit width. The proposed platform covers the full software and hardware implementations and allows for tracing the PUF response generation from the digital level back to the internal analog voltages that are directly involved in the response generation procedure. Our analysis is based on 30 fabricated PUF cores that we evaluated in terms of PUF security metrics and bit errors for various temperatures and biases. With an average reliability of 99.20% and a uniqueness of 48.84%, the proposed system shows values close to ideal.
The integration of Internet of Things devices onto the Blockchain implies an increase in the transactions that occur on the Blockchain, thus increasing the storage requirements.
A solution approach is to leverage cloud resources for storing blocks within the chain. The paper, therefore, proposes two solutions to this problem. The first being an improved hybrid architecture design which uses containerization to create a side chain on a fog node for the devices connected to it and an Advanced Time‑variant Multi‑objective Particle Swarm Optimization Algorithm (AT‑MOPSO) for determining the optimal number of blocks that should be transferred to the cloud for storage. This algorithm uses time‑variant weights for the velocity of the particle swarm optimization and the non‑dominated sorting and mutation schemes from NSGA‑III. The proposed algorithm was compared with results from the original MOPSO algorithm, the Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA‑II), and the Pareto Envelope‑based Selection Algorithm with region‑based selection (PESA‑II), and NSGA‑III. The proposed AT‑MOPSO showed better results than the aforementioned MOPSO algorithms in cloud storage cost and query probability optimization. Importantly, AT‑MOPSO achieved 52% energy efficiency compared to NSGA‑III.
To show how this algorithm can be applied to a real‑world Blockchain system, the BISS industrial Blockchain architecture was adapted and modified to show how the AT‑MOPSO can be used with existing Blockchain systems and the benefits it provides.
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.