Esineiden rajapinta pilvipalveluihin

Abstract

Opinnäytetyö käsittelee esineiden internet -ilmiötä, joka on mullistamassa palveluiden tuottamisen ja kuluttamisen internetissä. Työssä tutkittiin ja tuotettiin erilaisia teknologioita, jotka tukevat ja mukautuvat esineiden internetin vaativiin haasteisiin. Tavoitteina oli prototypoida mahdollisimman monipuolisesti erilaisia ratkaisuja palveluiden tuottamiseen niin, että ne olisivat helposti sovellettavissa opetuskäyttöön. Työ tehdään Kajaanin ammattikorkeakoulun ICT-muuntokoulutuksen tarpeisiin sekä koulun opetusympäristöjen kehittämisen vuoksi.

Esineiden internetin konsepti mahdollistaa normaalista poikkeavia teknologioita tietoverkkojen ja palvelualustojen toteutuksessa. Älykkäiden esineiden potentiaalinen hyöty on suuri, mutta sitä ennen ratkaistavat ongelmat on monimutkaisia. Nykyaikaiset pilvipalvelut ovat rakennettu internetin päällä toimivaan World Wide Web -palvelualustaan. Tämä palvelualusta on kehittynyt vuosien aikana sovellusalustaksi ja mahdollistaa käytännössä kaiken fyysisten maailman ilmiöiden integroinnin internetiin. Integrointi toteutetaan kuvaamalla asian tai esineen sen hetkinen tila resurssina WWW-palvelualustassa. Resurssi voidaan tunnistaa URI-tunnuksien avulla, ja hypermedia kuvaa resurssien välistä linkitystä ja sen mahdollistamaa epälineaarista resurssien käyttöä.

Työn käytännön osuutena suunniteltiin ja toteutettiin älykkäitä esineitä tukevia pilvipalveluita. Toteutettavat pilvipalvelut rajattiin kahteen eri aiheeseen. Ensimmäinen on älykkäitä esineitä tukevan REST-arkkitehtuurin mukainen WWW:n rajapintapalvelu. Sen ideana on integroida esineitä mahdollisimman yleispätevällä tavalla nettiin ja mahdollistaa lisäpalveluiden tuottaminen kallisarvoisella sensoritiedolla.

Toinen prototyyppi rakennettiin älykkäiden laitteiden kommunikointiongelmien ratkaisemiseksi. MQTT on sovelluskerroksen protokolla, joka on erikoistunut sulautettujen laitteiden viestintään. Se on niin sanottu julkaise ja tilaa -protokolla, joka mahdollistaa viestinnän vähävirtaisissa tai muuten heikko tehoisissa yhteyksissä. Protokolla toteuttaa viestintäpalvelimen avulla asiakassovelluksen ja palvelinsovelluksen erottamisen niin, että ne voivat kehittyä toisistaan riippumatta. Palveluiden tueksi rakennettiin hajautettu NoSQL-tietokantajärjestelmä.

This thesis deals with a phenomenon called the internet of things. It is revolutionizing the way we consume and produce services over the internet. The purpose of this work is to study and produce different technologies that support and integrate embedded systems to the existing cloud and web infrastructure. The work was done for the needs of ICT studies in the Kajaani University of Applied Sciences, and to develop the functions of the school’s different laboratories.

The theoretical part of the thesis introduces the concept of internet of things, and discovers how it can enable different divergent technological solutions in networking and service platforms. The potential of internet of things is huge, but so are the challenges that must be solved before that. Modern cloud services are built on top of the World Wide Web service platform. This service platform has developed over the years to an application platform and permits the abstraction of physical things or ideas, so that the information can be presented over the internet. These abstract representations are called resources and can be identified using global URI identification. Hypermedia is the concept of linking resources together and accessing them in a non-linear way.

The practical part of this thesis focuses on planning and producing prototype applications and infrastructures that support the internet of things integration to cloud services. Implementations were limited down to two different prototypes. First is a web service that implements the REST-architecture. Its idea is to make the integration of cloud services to embedded devices possible through a generalized interface and to access and store important sensor data in a general machine-to-machine way.

The second prototype focuses on the communications of embedded devices. The available energy and connection stability and speed is often very limited when it comes to internet of things. Thus, it is required that the software and communication protocols are specialized for this problem. MQTT is a publish and subscribe -protocol that decouples software with a centralized message broker. It is also designed with previously presented problems in mind and allows flexible communication between embedded devices and the cloud. Software implementations that support the protocol were made on Arduino Uno microcontroller and server-side operating system. A centralized message server was installed, which then connects these two implementations. To support these prototypes, a clustered and fault tolerant NoSQL database system was implemented.