Enabling smart homes using web technologies

Abstract

Νέες τεχνολογικές ανακαλύψεις επιτρέπουν στο Διαδίκτυο (Internet) να διεισδύσει στον κόσμο των ενσωματωμένων υπολογιστικών μηχανών (embedded computing devices). Ο Ιστός των Αντικειμένων (Web of Things) διασυνδέει αυτές τις μηχανές, χρησιμοποιώντας αρχές του Παγκοσμίου Ιστού (Web). Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζουμε την ανάπτυξη ενός πλαισίου ανάπτυξης εφαρμογών για έξυπνα σπίτια, βασισμένο στις αρχές του Παγκοσμίου Ιστού, το οποίο υποστηρίζει την ταυτόχρονη αλληλεπίδραση πολλαπλών ενοίκων με την έξυπνη οικία τους. Μέσω της χρήσης ενδιάμεσων ουρών αιτημάτων (request queues), συσχετισμένων λογικά με τις φυσικές συσκευές του σπιτιού, η ανάλυση μας δείχνει ότι μπορούμε να αντιμετωπίσουμε πιθανές αποτυχίες μετάδοσης μηνυμάτων, οι οποίες ενδέχεται να συμβαίνουν στο ασύρματο (κυρίως) περιβάλλον, ενισχύοντας έτσι την απόδοση των λειτουργιών εντός του έξυπνου σπιτιού μέσω γρήγορων αναμεταδόσεων, εξισορρόπησης φορτίου και τεχνικών προτεραιότητας αιτήσεων. Με αυτό τον τρόπο, εξασφαλίζονται τόσο αξιοπιστία, όσο και αποδοτικοί χρόνοι απόκρισης. Μέσω της χρήσης του Παγκόσμιου Ιστού σαν στρώμα εφαρμογής του συστήματος μας, επιδεικνύουμε ότι ευέλικτες εφαρμογές μπορούν να δημιουργηθούν χωρίς μεγάλη προσπάθεια, χρησιμοποιώντας ετερογενείς ενσωματωμένες υπολογιστικές μηχανές, διασφαλίζοντας έτσι αυξημένη διαλειτουργικότητα. Στη διατριβή αυτή αντιμετωπίζουμε πολλά θέματα που σχετίζονται με την ενεργοποίηση των έξυπνων οικιακών συσκευών στον Παγκόσμιο Ιστό, από την τοπική τους ανακάλυψή και περιγραφή των υπηρεσιών τους, στην ενιαία αλληλεπίδραση μαζί τους και την διαθεσιμότητα τους μέσω (online) μέσων κοινωνικής δικτύωσης. Η τεχνική αξιολόγηση που πραγματοποιήσαμε δείχνει ότι η διαδικασία της χρήσης τεχνικών του Παγκοσμίου Ιστού σε έξυπνα σπίτια προσφέρει αρκετά ωφελήματα όπως ικανοποιητικές επιδόσεις σε χρόνους απόκρισης και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας των φυσικών συσκευών, ενώ επίσης σύγχρονες τεχνικές όπως κρυφή μνήμη (Web caching) και αποστολή μηνυμάτων μόνο κατά την ύπαρξη σημαντικών συμβάντων (events), μπορούν να συμβάλουν στην αποδοτική δράση διαφόρων λειτουργιών σε έξυπνα σπίτια. Μέσα από διάφορες μελέτες, δεικνύουμε ότι η δημιουργία έξυπνων σπιτιών βασισμένων στον Παγκόσμιο Ιστό μπορεί να παράσχει ευέλικτες λύσεις σε προκλήσεις όπως η ευαισθητοποίηση για την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και την δραστική της μείωση, καθώς και την ομαλή ενσωμάτωση των έξυπνων σπιτιών στο έξυπνο ηλεκτρικό δίκτυο του μέλλοντος (smart grid). Τέλος, η διατριβή αυτή ασχολείται με ορισμένες μελλοντικές προκλήσεις, πέρα από το περιβάλλον του σπιτιού, στις οποίο τα έξυπνα σπίτια που βασίζονται σε τεχνολογίες του Παγκοσμίου Ιστού μπορούν να αποτελέσουν σημαντικούς παράγοντες για την αποτελεσματική αντιμετώπιση τους.

New technological advancements allow the Internet to penetrate in embedded computing. The Web of Things interconnects these Internet-enabled embedded devices, by reusing Web principles. In this thesis, we present the development of a Web-based application framework for smart homes, supporting concurrent interaction from multiple family members. By employing intermediate request queues, associated with the physical devices of the house, our analysis shows that we can mask transmission failures occurring in the wireless environment, thus enhancing the performance of smart home operations by means of fast retransmissions, load balancing and request priority techniques. In this way, reliability and timely responses from the devices are ensured. We demonstrate that, by using the Web as application layer, flexible applications for smart homes can be built, on top of heterogeneous embedded devices, with little effort, offering advanced interoperability. We address many issues related to Web-enabling home devices, from their local discovery and service description to the uniform interaction with them. Our technical evaluation indicates that the process of Web-enabling physical devices offers satisfactory performance, mainly in terms of response time and energy consumption, while modern Web techniques such as Web caching and event-based Web messaging can contribute in facilitating smart home operations. Through various case studies, we demonstrate that Web-based smart homes may provide flexible solutions to challenges such as energy awareness and conservation, and be smoothly integrated with the smart grid of electricity. Finally, this thesis discusses some future challenges, beyond the home environment, in which Web-based smart homes may constitute crucial elements for addressing them effectively.