Laboratory for Advanced Collaboration L A CL A C An Energy-Aware IoT Gateway with Continuous Processing of Sensor Data Luis Talavera & Markus Endler &

Apresentação em tema: "Laboratory for Advanced Collaboration L A CL A C An Energy-Aware IoT Gateway with Continuous Processing of Sensor Data Luis Talavera & Markus Endler &"— Transcrição da apresentação:

1 Laboratory for Advanced Collaboration L A CL A C An Energy-Aware IoT Gateway with Continuous Processing of Sensor Data Luis Talavera & Markus Endler & Sergio Colcher Luis Talavera & Markus Endler & Sergio Colcher Departamento de Informática Pontifícia Universidade Católica of Rio de Janeiro (PUC-Rio)

2 2 Agenda  Introdução  Tecnologias Utilizadas  Mobile Event Processing Agent  Experimentos Realizados  Trabalhos Relacionados  Conclusão

3 3 Introdução  Cada vez mais aparelhos (coisas inteligentes) têm processamento embarcado e possuem capacidade de comunicação sem fio.  Muitos só dispõem de conectividade de curto-médio alcance, e necessitam rotear mensagens através de Gateways conectados à Internet.  Atualmente, a maioria dos Gateways são fixos e específicos para uma tecnologia sem fio: WiFi, ZigBee, Z-Wave, etc.

4 4 Introdução Arquitetura de 3 camadas para a Internet das Coisas (IoT) Coisas inteligentes Serviços em nuvem Dispositivos móveis

5 5 Introdução Por que dispositivos móveis?  Smartphones e Tablets cada vez mais baratos e difundidos  Possuem bastante recursos (de memória e processamento) e conectividade com a Internet  Vários aparelhos dispõem de interfaces wireless de curto alcance e baixo consumo de energia (Bluetooth, NFC, ANT+)  Podem descobrir e se conectar de forma ad hoc a coisas inteligentes em seu entorno, e coletar dados de sensores dessas coisas  Podem enriquecer esses dados com outras informações obtidas dos próprios sensores (p.ex. Informações espaço- temporais)

6 6 Introdução Problemas: 1.Energia é um recurso limitado em dispositivos móveis e comunicação via 3G/4G ou WiFi é uma atividade de alto gasto de energia Consumo de energia depende da frequência de transmissão Para aplicações de IoT que processam grandes fluxos de dados de sensores a coleta e transmissão de dados é muito frequente 2.Largura de banda disponível pode não ser suficiente

7 7 Processamento de dados de sensores em IoT  Para ser escalável, um sistema de IoT precisa ter um processamento descentralizado Pré-processamento próximo às fontes de dados de sensores (as coisas inteligentes)  Isto evita concentração de todo o processamento na nuvem e sobrecarga da rede com o envio de dados brutos de sensores para os serviços de nuvem  Os Gateways são os candidatos naturais para realizar tal pré- processamento Questão: Como o consumo de banda e de energia são afetados por esse processamento em um dispositivo móvel?

8 8 Tecnologias Utilizadas Mobile Hub (M-Hub) é um middleware móvel (para Android) que faz um dispositivo móvel funcionar como um Gateway IoT Descobre e se conecta a coisas inteligentes e se subscreve a dados de sensores destes

9 9 Visualização de dados de sensores Fig.: Dois M-Hubs exibindo dados de sensores próximos

10 10 Tecnologias Utilizadas Complex Event Processing (CEP) é uma forma de Data Stream Processing que permite a filtragem, agregação, correlação e transformação de fluxos de dados através de consultas contínuas (continuous queries) descritas em uma linguagem similar a SQL  Permite especificar padrões de eventos e inferir eventos mais abstratos a partir de eventos mais simples  Devido a sua expressividade é adequada ao processamento de fluxos de dados de sensores heterogêneos  As consultas são aplicadas aos eventos contidos em uma janela

11 11 Mobile Event Processing Agent (MEPA) A fim de permitir um pré-processamento no Mobile Hub, desenvolvemos o MEPA, uma engine de processamento CEP para Android  um serviço que executa em background;  executa as consultas CEP sobre o fluxo de dados brutos de sensores recebidos do serviço S2PA e emite resultados (eventos complexos)  pode executar um conjunto arbitrário de consultas CEP internet

12 12 Mobile Event Processing Agent (MEPA) MEPA permite a implantação dinâmica de consultas CEP Qual é a necessidade?  M-Hubs podem ser usados em diferentes ambientes (com um conjunto sensores e requisitos de processamento específicos)  Mas só devem executar as consultas CEP que correspondem aos tipos de sensores disponíveis no ambiente.  Detecção de presença em novo ambiente através de sinal de um beacon.

13 13 Experimentos Objetivo:  Avaliar quais tipos de processamento CEP valem a pena serem executados na MEPA  Quais consultas CEP consomem menos energia e largura de banda? Set-up dos experimentos:  Smartphone Motorola MotoX conectado à Internet via rede WiFi (IEEE 802.11bgn)  1, 3 e 6 SensorTags da Texas Instruments (com sensores de temperatura, humidade, acelerômetro, magnetômetro, giroscópio)  Bluetooth Low Energy (BLE) como WPAN

14 14 Experimentos Procedimento adotado:  Executamos diferentes tipos de consultas CEP durante 1 hora  Medimos o tempo médio que leva para uma redução do nível de bateria em 1%  Medimos a quantidade de dados transmitidos Outros parâmetros:  Mesmas consultas CEP com os dois tipos de janela: sliding e jumping window  Dois tamanhos de janela (10 segundos e 1 minuto) para avaliar o impacto do número de dados de sensores a serem processados  Utilizamos dois runtimes Android: Dalvik e ART

15 15 Experimentos As consultas CEP utilizadas:

16 16 Exemplo de consultas CEP correspondentes  Máximo de humidade de eventos em jumping window SELECT max(sensorValue[0] FROM SensorData (sensorName= ‘Humidity’).win:time_batch(1 minute)  Magnitude do acelerômetro sobre média de valores em sliding window SELECT Math.sqrt ( Math.pow(avg(sensorValue[0]), 2.0) + Math.pow(avg(sensorValue[1]), 2.0) + Math.pow(avg(sensorValue[2]), 2.0) ) as value FROM SensorData (sensorName= ‘Accelerometer’).win: time (1 minute);

17 17 Teste de largura de banda com 1 SensorTag Tráfego de Dados (KB)

18 18 Teste de energia com 1 SensorTag

19 19 Teste de largura de banda com 6 SensorTags Tráfego de Dados (KB)

20 20 Teste de energia com 6 SensorTags

21 21 Discussão  A natureza do processamento (consulta CEP) influi pouco no consumo de energia e da largura de banda  O tipo da janela utilizada na consulta influi bastante (consultas CEP com jumping windows maiores são mais adequadas do que sliding windows, pois geram menos eventos de saida)  Consumo de energia está diretamente relacionado com a frequência de transmissões de eventos para a nuvem  Consumo de energia depende do runtime utilizado

22 22 Trabalhos Relacionados  [Billet and Issarny 2014] propõe processamento híbrido (na nuvem e em coisas inteligentes) com carregamento dinâmico de módulos de processamento  [Stipkovic et al 2013] propõe o uso de CEP em dispositivos móveis sem uso da nuvem, e sem implantação dinâmica de consultas de acordo com os tipos de sensores  [Govindarajan et al 2014] discutem consultas CEP em sensores sem fio e dispositivos móveis. O processamento é descrito como um grafo onde os nós são sub-consultas e os vertices são os fluxos de eventos entre as consultas.  [Chen et al 2014] descrevem arquitetura de CEP distribuída, mas onde a conectividade entre os dispositivos não varia (sem mobilidade)  [Stojanovic et al 2014] permite a implantação dinâmica de consultas CEP a depender do contexto.  [Kim et al, 2009] usam o Data Distribution Service e CEP para distribuição e processamento de dados de sensores entre usuários.

23 23 Trabalhos Relacionados Processamento CEP em IoT e seu impacto sobre consumo de energia e largura de banda

24 24 Conclusão  MEPA possibilita que dispositivos móveis executem consultas CEP para pré-processamento de dados de sensores  Consultas CEP com a baixa frequência de eventos resultantes são mais adequadas, pois causam menos transmissões para a rede e consomem menos energia  A complexidade do processamento CEP parece ter pouco impacto no consumo de energia Trabalhos Futuros  Fazer testes com consultas CEP mais complexas  Medir o consumo de energia e tráfego de dados para implantação dinâmica de novas consultas CEP

25 25 Obrigado! Perguntas ? endler@inf.puc-rio.br