[論文レビュー] Microservice-based IoT for Smart Buildings

Dilshat Salikhov, Kevin Khanda+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2016

Context-Aware Activity Recognition Systems参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、Jolieプログラミング言語と分散センサーネットワークを用いて、スケーラブルで柔軟かつ相互運用性のある多様なデバイスの統合を可能にする、マイクロサービスベースのスマートビル向けIoTプラットフォームを提案する。プロトタイプは実際の教育施設に導入され、温度、運動、光、ドア、カメラなどのセンサーやアクチュエーターをモジュラーなマイクロサービスを通じてシームレスに連携させ、リアルタイムでの環境モニタリングと適応制御を実現した。これにより、エネルギー効率の向上と居住者の快適性の向上が期待できる。

ABSTRACT

A large percentage of buildings in domestic or special-purpose is expected to become increasingly "smarter" in the future, due to the immense benefits in terms of energy saving, safety, flexibility, and comfort, that relevant new technologies offer. As concerns hardware, software, or platform level, however, no clearly dominant standards currently exist. Such standards, would ideally, fulfill a number of important desiderata, which are to be touched upon in this paper. Here, we will present a prototype platform for supporting multiple concurrent applications for smart buildings, which is utilizing an advanced sensor network as well as a distributed microservices architecture, centrally featuring the Jolie programming language. The architecture and benefits of our system are discussed, as well as a prototype containing a number of nodes and a user interface, deployed in a real-world academic building environment. Our results illustrate the promising nature of our approach, as well as open avenues for future work towards its wider and larger scale applicability.

研究の動機と目的

• 多様で同時に実行されるアプリケーションをサポートする、標準化され、オープンで拡張可能なスマートビル自動化プラットフォームの不足に対処すること。
• 実際の建物環境において、異種のIoTデバイス（センサーとアクチュエーター）を統合するための、柔軟でスケーラブルかつ相互運用性のあるインfrastrucureを構築すること。
• Jolieプログラミング言語を用いた分散マイクロサービスの実装が、ビル自動化システムにおいて有効であるかを評価すること。
• 環境パラメータ（温度、照明、占有状況）のリアルタイムなデータ収集と適応制御を可能にし、エネルギー効率の向上と居住者の快適性の向上を図ること。
• ヒューマン・ビルディング・インタラクション（HBI）を支援し、将来のAI駆動最適化を可能にする統一的で拡張可能なプラットフォームの基盤を構築すること。

提案手法

• IoTデバイス間の通信と連携を管理するため、Jolieプログラミング言語を用いた分散マイクロサービスアーキテクチャを設計・実装すること。
• センサータグ（温度、運動、光、湿度用）、ラズベリーパイ（中央ノード）、占有状況検出用カメラを含む異種センサーネットワークを展開すること。
• ZigBee、BLE、Z-Waveなどの複数の通信プロトコルを、カスタムJolieモジュールを介して統合し、デバイス間の相互運用性を実現すること。
• センサーデータを収集し、リアルタイムで処理し、占有状況やユーザーの好みに基づいて制御（例：照明、電源コンセント）を発行する集中型制御システムを用いること。
• ユーザーのリアルタイムな快適性好みを収集するため、Telegramベースのフィードバックボットを実装し、パーソナライズ性を向上させること。
• 1か月間にわたりデータを収集・分析し、最適な室内環境を予測するための予測モデルを訓練すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Jolieを用いたマイクロサービスアーキテクチャは、実際のスマートビル環境において、異種のIoTデバイス（センサーとアクチュエーター）を効果的に統合できるか？
• RQ2 統一されたプラットフォームは、同じインfrastrucureを共有しながらも、エネルギー管理、占有状況追跡、快適性フィードバックなどの並列で独立したアプリケーションをどのようにサポートできるか？
• RQ3 リアルタイムのセンサーデータとユーザーのフィードバックを、快適性とエネルギー効率の向上を目的として、環境条件（温度、照明、湿度）を予測・最適化するためにどの程度活用できるか？
• RQ4 オープンソースツールを用いて、スケーラブルで安全かつ保守可能なIoTプラットフォームを教育施設に展開する際の実際の課題は何か？
• RQ5 環境的および人的要件の変化に応じて、自己設定および適応的動作を実現するため、プラットフォームはどのように進化できるか？

主な発見

• Jolieベースのマイクロサービスアーキテクチャは、単一で統一されたプログラミングモデルを用いて、ZigBee、BLE、Z-Waveなどの異種IoTデバイス間でリアルタイムかつ相互運用性のある通信を実現した。
• プロトタイプは、温度、運動、光、ドア、カメラなどの複数のセンサーからの信頼性の高いデータ収集と、リレーを介した照明および電源コンセントの効果的な制御を実証した。
• Telegramベースのフィードバックシステムは、学生および教職員のリアルタイムな快適性好みを効果的に収集し、環境設定のデータドリブンなパーソナライズを可能にした。
• システムは1か月間にわたり温度、湿度、照明、占有状況のデータを収集し、将来的な最適な室内環境の予測モデリングの基盤を形成した。
• プラットフォームはスケーラブルで拡張可能であり、新しいデバイスやプロトコルの統合、将来のAI駆動最適化の展開に向けた明確な道筋が示された。
• 実際の教育施設への展開により、本アプローチの実世界におけるスマートビルアプリケーションへの実現可能性が検証され、エネルギー効率の向上と居住体験の向上に強く期待できる。