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SensorCloud

Das Forschungsprojekt SensorCloud beschäftigt sich im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministeriums (BMWi) geförderten Schwerpunktprojekts Trusted Cloud mit der Entwicklung von Technologien, die es erlauben, Sensordaten und Aktoren aus Cloud-Applikationen sicher zu erfassen, zu steuern und die Daten vieler Sensoren geeignet zu aggregieren.

Kooperationspartner sind die RWTH Aachen, die Telekommunikationsfirma QSC (Köln) und das Software-Unternehmen Symmedia (Bielefeld).

Die TH Köln hat im Rahmen des Gesamtkonsortiums die folgenden Teilaufgaben übernommen:

  • Arbeitsbereich FDBS: Föderiertes Datenbanksystems für die SensorCloud (Prof. Dr. G. Büchel)
  • Arbeitsbereich Testbett: Aufbau eines Testbetts für SensorCloud-Anwendungen (Prof. Dr. G. Hartung)
  • Arbeitsbereich VisionSensor: Entwicklung eines VisionSensors für die SensorCloud (Prof. Dr. L. Thieling)

Auf einen Blick

Kategorie Beschreibung
Forschungsprojekt SensorCloud 
Leitung Prof. Dr. Gregor Büchel 
Fakultät Fakultät für Informations-, Medien- und Elektrotechnik 
Institut Institut für Nachrichtentechnik 
Beteiligte Prof. Dr. Georg Hartung, Prof. Dr. Lothar Thieling, wissenschaftliche Mitarbeiter 
Projektpartner RWTH Aachen, QSC AG (Köln), Fa. Symmedia (Bielefeld) 
Fördermittelgeber Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) - Forschungsprogramm "Trusted Cloud" 
Laufzeit 02/2012 bis 01/2015  
Website

Das projektierte System der SensorCloud wird einen komplexen Aufbau zur Erhebung, Verdichtung, Übermittlung und Steuerung von Sensordaten haben. Hardwareseitig wird die Cloud aus einem System hochleistungsfähiger vernetzter Rechner bestehen, die via Internet mit Gebäuden, in denen Sensordaten erhoben werden, verbunden sind. In diesem Verbund von Rechnern werden mannigfache Arten von Sensordaten im Interesse der Kunden und des Betreibers der SensorCloud persistent zu verwalten sein. Im Rahmen des Gesamtprojekts SensorCloud ist es Ziel dieses Teilantrags der FH Köln, ein Testbett als Prototyp eines Embedded System im Sinne der Projektskizze aufzubauen (s. Abbildung 1), über das Sensor-Cloud-Applikationen implementiert und evaluiert werden können. Zu diesem Testbett gehören Sensor-Aktornetzwerke unterschiedlicher Typen, bildverarbeitungsbasierte Sensorsysteme (VisionSensor) und lokale Rechner, die Verbindung zwischen lokalen Sensor-Aktornetzwerken in Gebäuden und der SensorCloud herstellen (Location Master). Das Testbett soll eine lokale Datenbank besitzen, die mit der globalen Datenbank der SensorCloud sicher kommuniziert.

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Arbeitsbereich FDBS – Föderiertes Datenbanksystem für Sensor- und Aktordaten der SensorCloud

Erste Betrachtungen zum Aufbau eines geeigneten Persistenzmechanismus für die SensorCloud führen zum Problem der Integration heterogener Datenbankstrukturen in einem verteilten Datenbanksystem. Zur Lösung des Problems wird das Konzept föderierter Datenbanksysteme (FDBS) betrachtet und durch diverse Aktivitäten untersucht. Ein föderiertes Datenbanksystem ist ein schwach gekoppeltes verteiltes Datenbanksystem. Das Konzept föderierter Datenbanksysteme wird bei der Konstruktion von Data Warehouse Systemen angewandt. Ein FDBS kann als eine Vereinigung verschiedener Datenbanken, die jeweils ein eigenes lokales Schema haben, mit einem gemeinsamen globalen Schema angesehen werden.

Teststrecke

Dies ist eine vereinfachte grafische Übersicht der derzeit im Bereich FDBS untersuchten Teststrecke.

MRS: Multi-Raum-Sensor misst Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftgüte und Bewegung.

(1): Sensordaten werden vom Sensor zum Gateway gesendet und in einer Datenbank abgelegt / gepuffert.

(2): Sensordaten aus dem Gateway werden mit der Cloud Datenbank synchronisiert.

Unter dem Aspekt der Verarbeitung von Sensor-/Aktor-Daten gemäß den Anforderungen einer TrustedCloud werden verschiendene Datenbankmanagementsysteme aus den Bereichen der relationalen, der objektorientierten und der NoSQL Datenbanken untersucht.

Aktivitäten

    Anforderungsanalyse
    Deploymentanalyse
    Semantische Analyse mittels Ontologien
    Spezifikation und Implementierung des konzeptionellen Schemas des FDBS zur Verwaltung der Sensordaten
    Schema Monitoring
    Transaktionen für Sensordaten
    Zwischenspeicherung von Sensordaten bei fehlender Internetverbindung
    DB Dienste zur  Unterstützung von Sensordaten
    DB Dienste zur Unterstützung des Location Master als Trustpoint
    DB Lasttest
    DB Systemintegration auf dem Location Master und in der Cloud
    Gesamttest des FDBS für Sensordaten

3 Videos Legoroboter

Arbeitsbereich Testbett

Das zentrale Hardware Element der Entwicklungen ist der Location Master, der zwischen SensorCloud und Sensoren vermittelt. Das Testbett stellt eine Sensor/Aktor- Umgebung für den Location Master dar.

Der Location Master wird als eingebetteter Linux-Rechner aufgebaut, der mit Netzwerk-Schnittstellen zu Sensor/Aktornetzwerken einerseits und einem WLAN andererseits ausgerüstet wird. Das erste Arbeitspaket dazu umfasst vor allem die Auswahl und Beschaffung, Inbetriebnahme, Aufbau der Software-Entwicklungsumgebung und die Erweiterung mit Schnittstellen zu den Sensor/Aktornetzwerken.

Darauf aufbauend steht die Entwicklung der Hardware Schnittstellen von RS232 bis Zigbee und entsprechender Treiberentwicklung an.

Ein Sensorprototyp, der in einen integrierten Multiraumsensor überführt wird, ist der erste im Testbett verfügbare Sensor, ein weiterer zu entwickelnder Sensor ist ein Stromsensor zur dezentralen Erfassung des Energieverbrauchs. Um die Sensorpalette des Testbetts zu erweitern wird eine bestehendes Heimautomatisierungsnetzwerk in die SensorCloud integriert.

Das plattformunabhängige DOG-System, dass an der Universität Turin entwickelt wurde, wird auf den Location Master portiert. Parallel wird die wissensbasierte Beschreibung der eigenen und angepassten Sensoren bzw. Aktoren erstellt. Die sichere Kommunikation zur SensorCloud wird durch Einrichtung eines Trustpoints gewährleistet.
Die Testbettgruppe stellt die Integration der vom Konsortialpartner entwickelten Dienste in den Location Master sicher.

Aktivitäten: (alle Links kaputt)

TB Hardware Entwicklung: Entwicklung der Gateway Hardware

Kontakt: Tobias Krawutschke

Aktivitäten TB Ontologien

    Eine Sammlung der untersuchten Ontologien, sowie eine Sensor/Aktor Attributsammlung findet sich im wiki.
    Domotic Dog der Universität Turin

Kontakt: Tobias Krawutschke

Aktivitäten TB Location Master

Informationen zur Location Master Entwicklung
Kontakt: Michael Twarkowsky

Aktivitäten TB Multiraumsensor

Informationen zur Multi Raum Sensor Entwicklung
Kontakt: Martin Fehre

Richtiger Ort? Noch aktuell???

Abschlussarbeiten TB

Aktuell werden folgende Abschlussarbeiten im Bereich Testbett angeboten:


Anbindung  der  HomeMatic  Zentrale  CCU  an  das  SensorCloud Gateway über die XML-RPC Schnittstelle

Im Bereich der Hausautomatisierung bietet die Firma eQ-3 mit der Produktreihe HomeMatic die Möglichkeit Häuser bzw. Wohnungen intelligent zu vernetzen. Die Anbindung der verschiedenen Sensoren und Aktoren geschieht dabei über die HomeMatic Zentrale CCU, welche zur externen Verwaltung der verbundenen, drahtlosen Geräte die offene XML-RPC Schnittstelle anbietet. Die Anbindung der CCU an das SensorCloud Gateway durch einen XML-RPC Server ist Aufgabe der Bachelorarbeit.
Dabei sollen folgende Punkte im Detail bearbeitet werden:

    Einarbeitung in die XML-RPC Schnittstelle von HomeMatic

    Entwicklung einer XML-RPC Server-Software in Java (C, C++ wäre ebenfalls möglich ) mit den folgenden Eigenschaften:

        Unterstützung der HomeMatic XML-RPC Funktionen

        Unterstützung der Funktion System.Multicall als Grundlage zur Einbindung der CCU

    Entwicklung einer Testsoftware mit grafischer Oberfläche

Kontakt: Martin Fehre oder Prof. Dr.-Ing. Georg Hartung


Entwicklung  eines  Erweiterungsboards  für  das  SensorCloud Gateway

In dieser Bachelorarbeit soll eine Leiterkarte entwickelt werden, die in Form eines Erweiterungsboards zwei WPAN-Funkchips an das SensorCloud Gateway mittels Platinen-BUS anbindet.
Folgende Punkte sollen bearbeitet werden:

    Einarbeitung in das Thema Hardwareentwicklung

    Anbindung des CC1111 und CC2530 an das SensorCloud Gateway mittels Platinen-BUS (SPI, I²C, UART, …)

    Entwurf eines Schaltplans und eines Platinenlayouts (gerne mit Hilfe eines CAD-Tool) 
    Fertigung der entworfenen Platine

    Entwicklung einer Testsoftware (C, C++, Java, …)

Kontakt: Martin Fehre oder Daniel Scholz


Anbindung eines 1-Phasen Wechselstromzählers an einen 8-Bit Mikrocontroller

Im Rahmen des Forschungsprojektes suchen wir einen interessierten Studierenden im Bachelor-Studiengang, der in einer produktiven und freundlichen Umgebung seine Abschlussarbeit schreiben möchte.
Das Aufgabe der Arbeit besteht in der Anbindung eines 1-Phasen Wechselstromzählers (WSZ) an einen 8-Bit Mikrocontroller zur Verarbeitung und Weiterleitung der Messdaten, über das 868MHz SRD-Band, an das SensorCloud Gateway (Auch LocationMaster genannt).
Im Einzelnen sind folgende Arbeiten auszuführen:

    Anbindung eines WSZ an einen Mikrocontroller über die S0-Schnittstelle mit Hilfe eines Optokopplers
    Einarbeitung in die μC Firmware culfw zur Verarbeitung der Messwerte
    Weiterleitung der Messwerte über die in culfw implementierte Funkschnittstelle

Kontakt: Martin Fehre oder Prof. Dr.-Ing. Georg Hartung


Einbindung und Konfiguration eines Sub-1 GHz-Transceivers an das SensorCloud Gateway zur Kommunikation mit HomeMatic Sensoren/Aktoren

Das Ziel der Arbeit besteht darin einen Sub-1 GHz-Transceiver als virtuelle, serielle Schnittstelle an das SensorCloud Gateway anzubinden und Sensornachrichten (Aktornachrichten) zu empfangen (senden).
Im einzelnen sind folgende Arbeiten durchzuführen:

    Konfiguration des CC1111 USB Devices zum Empfang von AskSin Nachrichten
    Einbindung des CC1111 USB Devices als virtuelle, serielle Schnittstelle in einer Linux Umgebung. Dazu soll untersucht werden ob die vorhandene Firmware angepasst werden muss.
    Einbindung eines vorliegenden Algorithmus um die empfangenen, verschleierten Daten lesbar zu machen. Implementierung des Algorithmus soll auf dem Transceiver oder dem Gateway umgesetzt werden.
    Wenn die Daten richtig empfangen und entschlüsselt wurden, soll eine Ansteuerung von Aktoren umgesetzt werden.

Kontakt: Martin Fehre oder Prof. Dr.-Ing. Georg Hartung



Fachpraktika TB

Aktuell werden folgende Fachpraktika im Bereich Testbett angeboten:
SensorCloud Demonstrator

Im Forschungsprojekt SensorCloud soll im Rahmen eines Fachpraktikums ein Demonstrator für handelsübliche Sensoren der Hausautomatisierung aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Dazu werden Funkschalter, Türkontakte, Temperatur- Bewegungssensoren, Rauchmelder, Schaltaktoren, Stellantriebe sowie Fensteraktoren eingesetzt, die zunächst mit der herstellereigenen Zentrale und Software vernetzt und konfiguriert werden sollen. In einem zweiten Schritt kann die Datenübertragung an den SensorCloud Location Master übergeben werden, der durch ein kleines Linux System mit Funkschnittstelle realisiert ist.

Kontakt: Tobias Krawutschke

Arbeitsbereich Vision Sensor

Vision-Systeme kommen heute vornehmlich im industriellen Umfeld im Rahmen der Automatisierungstechnik zum Einsatz. In Verbindung mit einer homogenen und einfachen internetbasierten Kommunikation, Speicherung und Verarbeitung der Sensordaten mittels SensorClouds ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten für Vision-Systeme, auch außerhalb von Werkshallen und besonders auch im verbrauchernahen Bereich, wie z.B.

    sicherheitstechnische Gebäude- bzw. Raumüberwachung,
    Ermittlung der Auslastung öffentlicher Nahverkehrsmittel,
    Home-Monitoring pflegebedürftiger Personen.

Diese Auflistung lässt sich noch nahezu beliebig weiter führen. Bei all diesen Anwendungen werden die VisionSensoren in großen Stückzahlen benötigt und im alltäglichen Umfeld eingesetzt. Hieraus ergeben sich die speziellen Anforderungen hinsichtlich geringer Kosten, Größe, Strombedarf sowie hoher Kommunikationsfähigkeit.

Der Arbeitsbereich beschäftigt sich daher mit der Konzeption und Entwicklung eines modularen Vision-Systems, das durch Kombination und Konfiguration hinsichtlich der verschiedenen Anforderungsprofile skalierbar ist. Die wesentlichen konzeptionellen Grundlagen sind hierbei wie folgt:

    Bildvorverarbeitung mittels FPGAs (Field Programmable Gate Arrays): FPGAs sind für die Implementierung einfacher aber schneller Abläufe prädestiniert. Bildvorverarbeitungsalgorithmen (z.B. FIR-Filter) sind wenig komplex, müssen aber auf der großen Menge der Bilddaten ausgeführt werden. Sie können daher optimal auf einem FPGA implementiert werden. Die Spezifikation der Algorithmen geschieht hardwareunabhängig in VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) wodurch sich wieder verwendbare Modul-Bibliotheken für die schnelle Bildvorverarbeitung implementieren lassen.
    Bildauswertung mittels Prozessoren der ARM-Technologie: Die Implementierung komplexer Algorithmen (z.B. zur Klassifikation) muss auf Prozessoren erfolgen. Hier hat sich mit der ARM-Technologie in den letzten Jahren ein Quasi-Standard für Prozessoren etabliert, der eine Skalierbarkeit der Rechenleistung bei größtmöglicher Kompatibilität garantiert. Hierzu stehen u.a. sogenannte Soft-Cores (in VHDL spezifizierte Prozessoren) zur Verfügung, die auch auf einem FPGA implementiert werden können.

    Konzeptionelle Verankerung von Komponenten aus dem Consumer-Bereich: Vision- und Kommunikationskomponenten (Kamera, WLAN, Ethernet, ZigBee) sind heute in Massenprodukte (z.B. SmartPhones, WebCams, Funkthermometern) enthalten. Solche Komponenten sind preiswert, klein und Strom sparend.

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