2012/9/24

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Architectures, Protocols, and Applications of Internet of Things (IoT)

‐‐What are the Essential Factorsto Create a True IoT System? ‐‐

Professor Zixue Cheng 

The Head of the Divisionof Computer Engineering, The University of Aizu

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Agenda 

1. Concepts and Examples of IoT2. Features of IoT3. Architectures and Algorithms/Protocols of IoT4. Applications of IoT

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What is  IoT ?

Ubiquitous System  = IoT ?

US IoT

Cyber‐Physical System = IoT ?

No, US ≠ IoT

CPS ≠ IoT

(What is NOT IoT ?)

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Cyber Physical System    IoT ? CPS ≠ IoT

Cloud  Computing  = IoT ? Cloud  ≠ IoT

Internet   = IoT ? Internet  ≠ IoT

IoT should have ….

Internet 

Cloud

Things  

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Sensors Actuator

Comm.  and Coop. between Things, M2M, M2P, P2M,

S2S 

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An Example of IoT systemSupport system for elderly persons

Cloud Computing

遠方の家族Remote family

近隣Neighbor近隣Neighbor

Smart Home

Ubiquitous Computing 5

近隣Neighbor

WSN and Internet

An Example of IoT system, (IBM)River pollution monitoring 

http://www‐06.ibm.com/jp/press/2010/11/2501.html

Cloud + Big dataPollution situation can be aware

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Ask citizens using camera of iPhone, to take and upload  a picture of the river , flowing through the city, with answers to  some  simple questions:Water level, Speed, Garbage amount 

Features of IoT (1) 

• Sensing function• Communication

Scalability

Openness 

Specially Specially Basically

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• Communication• Smart App. & Services

Aware/Finding

Intelligence/Smartness 

Conflict free/resolution

Safety 

Features of IoT (2)More about Conflicts and Safety 

Requirement Resources

Time

Hot or Cool 

•Sensors•Actuators, Ph i l

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•Physical‐Objects•Equipment•Persons

Monitors with cameras in a smart city 

• Traffic control• Fireman, • Police• Service provider 

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Features of IoT (3)Safety 

Cloud

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Poison Gas  

Temperature/Pressure

Internet

Basic info Associated departments

Base Theory Features Testbed Result

973 project 1Beijing University of Posts and TelecommunicationLeader: HuadongMa,Totally 30 researchers,2010.9 ‐‐‐‐ 2015.9 Name: Research on basic architecture of IoT

1. Tsinghua University2. Shanghai Jiao Tong 

University3. Institute of Computing 

Technology Chinese Academy of Science

4. Beijing University of Technology

5. Beijing University6. Zhejiang A&F University7. Xi’an Jiao Tong University

Network information Theory

Large‐scale heterogeneous network, uncertain information, Self‐adaptive services in dynamic  environment

Environment monitoring

SCI 50, IEEE/ACM Trans. 20Patents: 18, Standard: 2PhD 30Conference arrangement  2‐3Test bed 1

973 project 2Tong JiUniversity(Maco)

1. East China Normal University

2. Institute of Computing 

1. Network calculus, 

2. Dioid algebra,

Information fidelityexecution loyalty,Uncertainty

Smart grid Papers: 160 (Conf. 50)Books: 2

Uncertainty 

Leader: Wei ZhaoTotally 32 researchers2011.1 ‐‐‐ 2013.8Name: Research on basic theory and design methods of IoT

Technology Chinese Academy of Science

3. Tsinghua University

3. Real time network scheduling and queuing theory

Uncertainty information ,Unpredictable information ,Fuzzy information 

Patents: 5Software copyrights: 2PhD and Post Doc: 35Master: 30

973 project 3Shanghai Institute of Micro‐system and Information TechnologyLeader: Haitao LiuTotally 30 researchers2011.1 ‐‐‐ 2013.8Name: Research on basic theory and application of IoT

1. The Institute of     Software, Chinese Academy of Sciences 

2. Beijing University of Posts and Telecommunications 

3. Tsinghua University4. East China Normal 

University5. University of Science and 

Technology of China 6. Southeast University 

1. Correlation Model, Network Architecture;

2. heterogeneous networks convergence;

3. Hybrid information fusion.

Strong correlation between the physical space and information spaceHigh mixed system, e.g. various devices, information;Information uncertainty.

1. Smart grid;

2. Smart home;

3. Electric car

Papers: 40‐50， Patents: 15Monograph: 1 National Standard: 2‐4 International Standard: 1 Graduate Students:50

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A Cross Architecture of IoT11 pilot application fields  

Application Layer

Appliance controlMutual situation‐aware DisasterManagement

⑪

Accurate Agr

⑩

Digital Medici

⑨⑧

Intelligent env.

①

Logistics Man

⑦

Smart Grid    

②

Intelligent Tra

③

Financial and 

④ ⑤ ⑥

Smart  govern

Smart  hom

e   

Smart  City / T O

Smart Security

, 

U‐tiles sensornetwork

Smartplugs

UHI ZigBeeWSN  11

Sensing Layer

CommunicationLayer

riculture 

ne and care  

.  Monitoring  

nagement 

affic Systems 

payment  

nment  

OWN

y Systems  

Conflict‐free 

6LoWPAN IP over SmartThings 

GW of Various Protocols 

oneM2M Safety Sub‐layer 

Situation reasoning in Cloud

Services

Cloud

Remote family

Abnormal 

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Situator

SOSO SO

SO

Situator

SO SO SOSO

Smart Home

activity detection based on SVDD

Situator: Situation manager

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Cloud Comp., Transparent Comp.,  and IoT

Cloud Comp. • Scale out resources• SaaS: Software as a Service• Virtualization  

Transparent Comp

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TransOS• as simple functions

as possible • OS and applications 

can be downloaded from serves

• Piece by piece in a flow way

Preserve Kernelof TransOS

HardwareEnabledBIOS

OS of Server

HardwareBIOS

ThansOSOther part

NetworkTerminal Servers 

ThansOSOther part 

Downloadpiece by piece in a flow 

Optimal Downloading the Video Contents to Wearable Devices 

Cloud

> 16~64  T

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Look throughScreen  CPU, MemoryBluetooth  

Battery   

16~64 M 16~64 G 

App. Example 1:  Remote Mutual Situation‐Aware Algorithm for Elderly Life Support  

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App. Example 2: Magic Ring based AwarenessTV

Relay Unit

Ring TypeDevice 

Control appliance 

Call for helper, 

Internet

Remote family

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Unit

Show intention by gestures 

Different Gestures 

Care Center

MR V1Magic Ring

Cloud

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Hardware and software• Hardware 

– 3‐axis acceleration MMA7361L– MCU  CC1110 TI 8051 core, 

RF  transceiver    433 MHz– Power：3.7v, 30mAh  lithium ,1mA

• Soft(Recognition algorithm)– 12 kinds of One‐Stroke gestures– 50 samples for a  gesture – SD  of X, Y, Z acceleration value– 9 features of the values are used

• Results – Accuracy： 86.92% , 97.55% – Time delay： around 0,1~0.2s – 10 kinds of activities can be 

recognized (walking, eating, cleaning)  

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Y

X

Z

(l)

Y

X

Z

(g)Finger L-Shift

-100-50

0

50100150

1 11 21 31 41

R-Rotate

-600-400-200

0200400

1 11 21 31 41

App. Example 3: IoT for Rescue Survivors in Disaster

Receiver/router 

18Survivors 

Robots

App. Example 4:Transparent Service Selecting and Loading (TSSL) Architecture

Context MatchingContext Matching

Delivery Network

Service Block1

Service Block2

Service Block n

…Cloud 

Control Targets 

User

Context SensingContext Sensing

Wearable Controllers19

Summary  • What is IoT:

–Global  Infra. bridging  physical and virtual worlds, with  features, open, conflict‐free, etc.

• What are the Essential Factors for designing  IoT– Techniques (Integration of various tech) 

• Embedded systems, RF‐IDs , sensor networks,Embedded systems, RF IDs , sensor networks,  • Cloud comp.  and transparent computing, etc.   

– Designing IoT System • Identifying conflict in the problem domain • Deciding the architectures and techniques • Developing Algorithm and Killer Applications 

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