[論文レビュー] Internet of things: a multiprotocol gateway as solution of the interoperability problem

Wilder E. Castellanos, José Antonio Rosendo Macías+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2021

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ZigBee、LoRa、WiFi などの複数の無線プロトコルをサポートし、センサデータをMQTTを介してクラウド送信可能な均一なフォーマットに変換することで、異種デバイス間の相互運用性を実現するマルチプロトコルIoTゲートウェイを提案する。ゲートウェイは、リモートの無線ノードからの同時データ収集を可能にし、効率的なMQTT通信により低消費電力化を達成するとともに、センサおよびアクチュエータのリモート設定をサポートする。

ABSTRACT

One of the main challenges of the Internet of Things is the interoperability of highly heterogeneous devices, mainly in terms of the communication capabilities and network protocols used. As consequence, the interconnection model of the different devices involves an intermediary device, known as gateway. This gateway is a centralized element for the management of the devices that make up an IoT application. In addition, it is essential for the transmission of information to the Internet, especially when many IoT devices are not IP-based. This chapter describes a proposed model for an IoT gateway that allows the exchange of data through different wireless technologies and forwarding of such data to the Internet. The proposed gateway has important advantages such as: supporting for multiprotocol interconnectivity, the remote configuration of wireless nodes for sensor and actuators management; a flexible algorithm totranslate the data obtained by sensors into a uniform format for transmission to a cloud server; low energy consumption due to efficient data transfer over MQTT protocol. In order to demonstrate the usefulness of the developed gateway, a proof of concept test was implemented. The implemented scenario consists of 2 wireless nodes responsible for sensing environmental variables and transmitting data to the gateway node through different communication protocols. The obtained results show the feasibility for simultaneous data transmission from the remote wireless nodes to the gateway. Metrics on energy consumption in the devices are also presented.

研究の動機と目的

• 多様な通信プロトコルを有する異種IoTデバイス間の相互運用性という重要な課題に取り組む。
• 多様なIoTデバイスを統合管理し、それらの相互接続を可能にする集中型ゲートウェイを設計する。
• スケーラブルな展開を可能にするために、無線センサおよびアクチュエータノードのリモート設定を可能にする。
• クラウド処理に適した標準化されたセンサデータフォーマットに変換する柔軟なデータ変換メカニズムを実装する。
• MQTTプロトコルを用いた効率的なデータ送信により、IoTデバイスの消費電力を最小限に抑える。

提案手法

• ZigBee、LoRa、WiFi などの複数の無線プロトコルからのデータ受信が可能なマルチプロトコルゲートウェイの開発。
• 異種センサデータをクラウド送信用の均一フォーマットにマッピングするプロトコル変換レイヤーの実装。
• ゲートウェイとクラウドサーバー間の軽量で効率的かつ低遅延な通信を実現するため、MQTTプロトコルの使用。
• 無線ノードのリモート設定機能を統合し、センサおよびアクチュエータの動的管理を可能にする。
• 異なるプロトコルを介してデータを送信する2つの無線センサノードを用いたプロトタイプシステムの展開。
• 実環境条件下での効率性を評価するため、無線ノードの消費電力メトリクスを測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異種IoT環境における複数の無線通信プロトコル間の相互運用性を1台のゲートウェイがどのように実現できるか？
• RQ2 異なるプロトコルを用いた複数のリモート無線ノードが、中央ゲートウェイに同時にデータ送信する可能性は何か？
• RQ3 MQTTプロトコルは、IoTデバイスからゲートウェイへの通信において、消費電力をどの程度低減できるか？
• RQ4 ゲートウェイは、無線センサおよびアクチュエータノードのリモート設定を可能にし、システムの管理性を向上させられるか？
• RQ5 提案されたゲートウェイアーキテクチャを用いた場合、無線ノードの実際の消費電力メトリクスはどのような値になるか？

主な発見

• 提案されたゲートウェイは、異なるプロトコル（ZigBee および LoRa）を用いた2つのリモート無線ノードからの同時データ送信を成功裏に実現した。
• MQTTプロトコルを用いた信頼性の高い一貫性のあるデータ転送が実証され、低遅延かつ効率的な通信が確保された。
• MQTTの使用により、データペイロードおよび接続オーバーヘッドを最小限に抑えることで、無線センサノードの消費電力が顕著に削減された。
• センサおよびアクチュエータノードのリモート設定が正常に実装され、IoTシステムの動的管理およびスケーラビリティが向上した。
• 柔軟なデータ変換アルゴリズムにより、異種センサデータが標準フォーマットに効果的に変換され、多様なデバイス間での相互運用性が確保された。
• プロトタイプ実装により、実世界のIoT展開に向けたマルチプロトコルゲートウェイの実用性と実現可能性が確認された。