Sensing and Actuation as a Service, a device-centric paradigm for the IoT: analysis, design and case studies

The huge and steady growth in the number of distributed devices connected to the global network as a so-called Internet of Things (IoT) calls for infrastructure management techniques able to deal with this overwhelming complexity, especially in light of the growing impact of the sharing economy and the role played by the so-called "long tail". In this context, the as-a-Service approach provides well investigated mechanisms for infrastructure and service provisioning, and an interesting challenge lies in evaluating its application to the instantiation and lifecycle management of a dynamic, possibly virtualised, infrastructure of sensing (and actuation) resources. Apart from the flexibility of renting this kind of resources according to the utility model, by providing access at the lowest level where possible, the research path undertaken in this dissertation is meant to provide even bigger scope to the scenarios under consideration, from a platform for opportunistic and cooperative mobile crowd-sensing to a model for Software-Defined Smart Cities, where dynamic reconfiguration of the wiring among Things ultimately enables wide-area feedback control loops on demand. Yet none of these outcomes, and in particular shaping the surrounding environment, may be achievable without means to interact bidirectionally, and with the greatest control that may be exerted, with physical systems through remote sensors and actuators at one's own fingertips. The premise then lies in engaging the research from a "device-centric" perspective. The infrastructure and platform takes on IoT, the Stack4Things framework as well as other results are then outcomes of this approach. Analytical descriptions of the scenarios, details of the architectures and investigated case studies therefore are here provided, while also reporting and highlighting design choices.

La crescita impressionante, che non accenna ad arrestarsi, del numero di dispositivi distribuiti e connessi alla rete globale in quella che viene definita l'Internet delle Cose, ovvero Internet of Things (IoT), richiede la disponibilità di tecniche per la gestione di infrastruttura hardware in grado di affrontare un livello di complessità talmente schiacciante, specialmente alla luce del crescente impatto dell'economia della condivisione e del ruolo giocato dalla cosiddetta "coda lunga". In questo contesto, l'approccio "as-a-Service" fornisce meccanismi noti ed affidabili per il provisioning di infrastrutture e servizi, ed una sfida interessante sta nel valutarne l'applicabilità all'istanziazione e gestione del ciclo di vita di un'infrastruttura dinamica, possibilmente virtualizzata, composta da sensori (ed attuatori). A parte la flessibilità di poter noleggiare questo tipo di risorse secondo il modello delle "utilities", fornendo l'accesso al livello più basso possibile, il percorso di ricerca intrapreso per questa dissertazione è pensato per fornire un respiro ancora più ampio in relazione agli scenari presi in considerazione, a partire da una piattaforma per il "mobile crowd-sensing" di tipo opportunistico e cooperativo fino ad arrivare ad un modello per Smart City "definite dal software", laddove la riconfigurazione dinamica del "cablaggio" tra oggetti in ultima istanza abilita anelli di controllo retroazionato su scala geografica, e su richiesta. Eppure nessuno di questi traguardi, ed in particulare la facoltà di plasmare l'ambiente circostante, risulta essere obiettivo effettivamente raggiungibile in assenza di strumenti per interagire bidirezionalmente, e col massimo controllo esercitabile, con sistemi fisici attraverso sensori ed attuatori remoti a portata di mano. La premessa dunque risiede nell'impostare la ricerca da una prospettiva "incentrata sul dispositivo". I tentativi di gestire l'IoT a livello di infrastruttura e piattaforma, il framework Stack4Things così come altri risultati non sono altro che esiti di questo approccio. In questa dissertazione sono quindi presentate le analisi degli scenari d'interesse, i dettagli relativi alle architetture ed i casi di studio affrontati, descrivendo ed evidenziando le scelte progettuali effettuate.