Forschung

"BASE MoVE" - Sicher, multiprotokollfähig, energieeffizient und aktualisierbar, die Basis einer zukunftsfähigen IoT-Sensorik

Abstract

Das Konzept des ‚ÄěSmart Home‚Äú gewinnt zunehmend an Bedeutung: alle Ger√§te im Haushalt sollen sich intelligent vernetzen. Die dahinter stehende Haussteuerung sorgt dabei nicht nur f√ľr Komfort,  Sicherheit und Assistenz der Bewohner, sondern beeinflusst den Energieverbrauch aktiv und optimiert z.B. die Verbrauchskosten.

In der Praxis stellt jedoch die mangelnde Interoperabilität unterschiedlicher Technologien und Produkte konkurrierender Hersteller noch immer eine große Herausforderung bei der intelligenten Vernetzung dar.

Der Ansatz vieler Hersteller, einzelne Ger√§te statt untereinander √ľber eine zentrale Instanz (Broker) zu vernetzen, welche mit der Cloud des Herstellers verbunden ist, entspricht dabei h√§ufig nicht dem Schutzbed√ľrfnis der Bewohner und auch nicht der generellen Vorstellung des ‚ÄěInternet of Things‚Äú: In diesem sollte vielmehr jedes Ger√§t prinzipiell mit jedem anderen ‚Äď unter Ber√ľcksichtigung der Sicherheitsvorgaben ‚Äď direkt kommunizieren k√∂nnen. Weiterhin legt ein Produkt als zentrale Instanz heute fest, welche Ger√§te im Haus eingesetzt werden k√∂nnen. Als untere Protokollschichten kommen hier unter anderem 6LoWPAN, ZigBee, Z-Wave, KNX, EnOcean oder BlueTooth zum Einsatz, die durch unterschiedliche Herstellerkooperationen standardisiert werden. F√ľr den grundlegenden Ablauf des Verschickens und Empfangens kommen teilweise standardisierte Protokolle wie MQTT zum Einsatz.  Welche Nachrichten letztlich verschickt werden und welches Protokoll den Ablauf f√ľr Verschicken und Empfangen festlegt, entscheidet der Hersteller des Brokers.

Im Rahmen des Projekts BASE MoVE wird eine neuartige Basis f√ľr zuk√ľnftige vernetzungsf√§hige Sensorprodukte unter Verwendung von Open Source entwickelt. Dabei soll diese eine Basis mit Aktualisierungsf√§higkeit, Scherheit und Energieeffizienz bieten. F√ľr zuk√ľnftige L√∂sungen im Smart Home und insbesondere im Bereich des altersgerechten, assistierten Wohnens erm√∂glicht diese Basis in Zukunft Sensorikprodukte, die sich einfach in bestehendem Wohnraum nachr√ľsten lassen und ihre Energie aus der Umgebung (Energy Harvesting) beziehen. Das Projekt ist Teil der Idee, eine Modulare Vernetzung von (Wohn-)Einheiten zu erreichen, die den Schutz von Daten innerhalb des Wohnraums gew√§hrleistet im Gegensatz zu heutigen Cloud-basierten Smart-Home-Produkten vieler Hersteller.

Internet-Technologien als Grundlage f√ľr zuk√ľnftige vernetzungsf√§hige Sensorprodukte erm√∂glichen in der gewerblichen und privaten (Smart Home) Geb√§udeautomatisierung einen langfristigen Einsatz zum Investitionsschutz. Die Unterst√ľtzung mehrerer Funkprotokolle, eine Aktualisierungsf√§higkeit der Ger√§te-Software und Verwendung von Open-Source-Technologien ebnen den Weg zur breiten Interoperabilit√§t mit weiteren Ger√§ten und dem sicheren Betrieb durch Schlie√üen von Sicherheitsl√ľcken. Zur Nachr√ľstung in bestehendem Wohnraum beziehen die Ger√§te ihre Energie aus der Umgebung (Energy Harvesting) und vermeiden Betriebskosten durch Batteriewechsel oder Investitionen in eine zus√§tzliche Elektroinstallation. Darauf aufbauend werden Konzepte f√ľr zuk√ľnftige Grundausstattungen von Mietwohnungen entwickelt, die u.a. Assistenzfunktionen f√ľr ein selbstbestimmtes Leben im Alter bei Schutz der Privatsph√§re bieten.

 Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 530/17-12) wird im Rahmen von Hessen ModellProjekte aus Mitteln der LOEWE ‚Äď Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-√∂konomischerExzellenz, F√∂rderlinie 3: KMU-Verbundvorhabengef√∂rdert.

Kooperationspartner

Hochschule Rhein Main - Prof. Dr. Reinhold Kröger, Kai Beckmann

Thermokon Sensortechnik GmbH - Sensorik f√ľr Heizsysteme und Geb√§ude

Vonovia SE - DAX-Konzern f√ľr Wohnungsvermietung und -dienstleistungen

COUNT+CARE GmbH - Tochterunternehmen der Entega


Projektlaufzeit

Start: 01.06.2017

Ende: 31.12.2019

Möglichkeit zur Mitarbeit

Die Studenten/-innen haben die M√∂glichkeit, sich vielf√§ltig im Projekt einzubringen. Eine Liste der aktuell zu vergebenden Master/ Bachelor-Arbeiten, R&E Studies sowie Stellen f√ľr Studentische Hilfskr√§fte sind unten stehend zu finden.

Bei Interesse an einem der Themen melden Sie sich bitte bei Prof. Dr. Jens-Peter Akelbein.

Thesis @ EST

Wir suchen Bachelor- und Master-Studenten, die Interesse haben, ihre Thesis thematisch im Rahmen unseres aktuellen Forschungsprojektes zu schreiben: Bei Bachelor-Studenten beinhaltet dies auch die der Thesis vorausgehende Praxis-Phase. Master-Studenten k√∂nnen Teile der Arbeit auch als vertiefende F&E-Studien durchf√ľhren.    

Im Rahmen des Forschungsprojekts BASE MoVE wird von der Arbeitsgruppe des Embedded System Technology Lab (EST) eine Plattform f√ľr eine zukunftsf√§hige IoT-Sensorik zusammen mit mehreren Kooperationspartnern entwickelt. Grundlegende Funktionen sind dabei, dass mehrere Funkprotokolle auf einer hierf√ľr geeigneten Hardware unterst√ľtzt werden k√∂nnen. Weiterhin soll die Firmware aktualisierbar sein. Hierf√ľr sollen sichere Methoden eines zuk√ľnftigen IoT-Systemmanagements exemplarisch f√ľr das Open Source Betriebssystem RIOT OS (‚Äěthe friendly operation system for the Internet of Things‚Äú) entwickelt werden.

Bachelorarbeit mit Praxisphase Design, Entwicklung und Evaluation der Aktualisierungsfähigkeit von IoT-Plattformen

Erstellt und evaluiert werden soll eine L√∂sung, mit der zwischen verschiedenen Speicherabbildern (Images) in einer multiprotokollf√§higen IoT-Hardwareplattform wie dem TI CC2650 zum Systemstart umgeschaltet werden kann (Image Switching). Dies soll auf der Basis des Open Source Betriebssystems RIOT OS erstellt werden. Die Erweiterungen sollen als Open Source der Community zur Verf√ľgung gestellt werden und in zuk√ľnftige Versionen integrierbar sein. Die Umschaltung zwischen den Images soll von au√üen durch eine Signalisierung mittels Funk√ľbertragung √ľber 6loWPAN initiierbar sein. In einem zweiten Schritt ist eine Methode zur √úbertragung von Images √ľber die gleiche Funkverbindung zu implementieren (Image Update). Im Rahmen der Evaluation ist zu untersuchen, wie aufw√§ndig eine Implementierung zu realisieren ist und welche Zeiteigenschaften das Umschalten und √úbertragen von Images √ľber 6loWPAN besitzen. Eine Analyse soll die Integrationsm√∂glichkeiten mit Implementierungen zur Sicherung der √úbertragung aufzeigen. Weiterhin sollen eine Recherche zu bereits existierenden Implementierungen f√ľr andere IoT-Betriebssysteme und ein Vergleich mit der realisierten L√∂sung die M√∂glichkeiten und Effizienz von Implementierungen f√ľr Aktualisierungsf√§higkeiten im IoT vergleichbar machen.

Masterarbeit (alternativ Teile der Arbeit als vertiefende F&E-Studien) Analyse, prototypische Umsetzung und Evaluation eines sicheren Systemmanagements f√ľr IoT-Plattformen

F√ľr Funktionen des Systemmanagements von IoT-Plattformen wie der Aktualisierung der Firmware oder dem Umschalten zwischen unterschiedlichen Firmwareversionen soll an Hand des Open Source Betriebssystems RIOT OS analysiert werden, welche Implementierungsans√§tze in den verschiedenen Betriebssystemkomponenten des Netzwerkstacks bestehen und welche Vor- und Nachteile die Ans√§tze bieten. Dabei sollen als IoT-Hardware zwei Varianten mit und ohne Einsatz eines aktuellen Crypto-Prozessors die Grundlage bilden. Als Evaluationskriterium dient die Integrierbarkeit des Systemmanagements mit Funkprotokollen wie 6loWPAN oder Bluetooth und hierauf aufbauender Anwendungen. Eine weitere Analyse von bestehenden offenen L√∂sungen und Protokollen zum IoT-Systemmanagement soll aufzeigen, inwieweit diese als Grundlage f√ľr eine prototypische Implementierung geeignet sind. Auf Basis der Analysen soll prototypisch eine Implementierung eines gesicherten Systemmanagements erfolgen, welches die Funktionen der Erkennung von neuen Ger√§ten (Neighbor Discovery) und dem Koppeln eines IoT-Ger√§ts mit einem Gateway (Pairing) implementiert. Weiterhin soll die Implementierung die grundlegenden Eigenschaften der Sicherung der Aktualisierung von Firmware (Image Update) und dem Umschalten zwischen Firmwareversionen (Image Switching) bilden. Eine Evaluierung verschiedener Bedrohungsszenarien im IoT soll den Grad der Sicherheit der gefundenen L√∂sung und deren Grenzen aufzeigen. 

 Working @ EST

 Aufbau einer Continuous-Integration-Plattform

Im Embedded Bereich verbreitet sich zunehmend der Ansatz von Continuous Integration. Im BASE-MoVE-Projekt werden die Software-Komponenten ebenfalls nach diesem Prinzip entwickelt und so zu einer Gesamtanwendung iterativ zusammengef√ľgt. Kontinuierliche Buildprozesse und grundlegende Akzeptanztests sind f√ľr eine Continuous Integration unabdingbar. Wir suchen daher eine studentische Hilfskraft f√ľr das Aufsetzen eines Jenkins-Servers, mit dessen Hilfe sich diese Abl√§ufe realisieren lassen. Der Server ist so zu konfigurieren, dass die Buildprozesse √ľber eine Anbindung an ein gitLab-Source-Code- Repository angesto√üen werden. Weitere Aufgaben sind dann die Auswahl eines geeigneten Testautomations- Frameworks aus dem Embedded Bereich und dessen Integration auf dem Jenkins-Server. Au√üerdem sollen durch kleine Demo-Software-Applikationen die Eigenschaften sowie der Workflow von Jenkins mit der gitLab-Anbindung und der Testautomations-Integration evaluiert werden.

Aufbau, Auswertung und Anpassung eines exemplarischen IoT-Netzwerks auf Basis eines Open Source Betriebssystems und dem inoffiziellen Zigbee Nachfolger ‚ÄěThread‚Äú

Zigbee, BLE, EnOcean, Thread, Z-Wave... Oder doch einfach wieder WLAN? Im Smart Home des Internets der Dinge hat man im Zweifelsfall die Qual der Wahl. Im aktuell laufenden Forschungsprojekt ‚ÄěBASE MoVE‚Äú wird eine sichere, aktualisierbare und multiprotokollf√§hige IoT Sensorik entwickelt, damit man seinen Lichtschalter nicht wegwerfen muss, sobald die neue Lampe das letzte gro√üe IoT-Protokoll nicht mehr unterst√ľtzt.

Das f√ľr diese Stelle relevante Aufgabenpaket dieses Projekts befasst sich damit, auf von Projektpartnern entwickelten Sensorknoten ein Open Source Betriebssystem in Verbindung mit einem von mehreren im IoT g√§ngigen Netzwerk-Protokollen einzusetzen.

Zur Unterst√ľtzung dieses Aufgabenpakets suchen wir eine studentische Hilfskraft zur Mitarbeit im Forschungsprojekt. Auch eine anschlie√üende Abschlussarbeit im Rahmen des Forschungsprojekt ist ggf. m√∂glich. Konkret geht es um einen prototypischen Einsatz des inoffiziellen Zigbee Nachfolgers ‚ÄěThread‚Äú in Verbindung mit dem Open Source-Betriebssystem RIOT-OS auf bereits unterst√ľtzten Sensorknoten. Umgesetzt werden soll dies durch den bereits f√ľr RIOT-OS portierten Thread-Softwarestack ‚ÄěOpenThread‚Äú. Eine Evaluation dieses Aufbaus ist vorgesehen.

Weiter sollen im Anschluss auf Basis dieses Aufbaus √Ąnderungen in den Betriebssystemkomponenten des Netzwerkstacks vorgenommen werden, um das Verarbeiten von eingehenden Paketen durch einen alternativen Softwarestack zu erm√∂glichen. Das Einsatzszenario hierf√ľr ist ein Protokoll f√ľr Management-Funktionalit√§ten, welches unabh√§ngig von eingesetzten IoT-Protokollen wie Zigbee, Thread oder BLE arbeiten soll. So sollen eingehende Nachrichten nicht wie bisher direkt durch OpenThread verarbeitet werden, sondern stattdessen vor-ausgewertet werden, um zu entscheiden, ob es sich um ein OpenThread Paket oder um Funktionalit√§ten des Management-Protokolls handelt. Neben einer allgemeinen Machbarkeitsstudie geht es auch um die Absch√§tzung des Mehraufwands, der durch eine zweite Auswertungslogik entsteht.

Mach das Internet der Dinge (be-)greifbar

Das Internet der Dinge (Internet of Things IoT) wird immer greifbarer. Absehbare Entwicklungen mit deutlicher gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Bedeutung werden begreifbar. Um dies auch in unsere Lehre am Fachbereich einbringen zu k√∂nnen, soll unserem Fachbereich eine Spende von der Controlware Stiftung und durch den Gr√ľnder der Controlware GmbH und Gesch√§ftsf√ľhrer der iotWare GmbH Helmut W√∂rner dienen. Hiermit m√∂chten wir in Zukunft IoT-Koffer zur Verf√ľgung stellen, die in der Lehre in Praktika, Systemprojekten, R&D-Studien und anderen praxisnahen Veranstaltungsformen zum Thema IoT eingesetzt werden. So soll in einfacher, handhabbarer Form die f√ľr typische IoT-Projekte n√∂tige Hardware ausleihbar werden. Ein einfacher Einstieg f√ľr Studierende soll so in Zukunft m√∂glich sein. Verweise und Anleitungen zu IoT-Projekten k√∂nnen Hilfestellung und Ideengeber sein. F√ľr die Erstellung und Pflege der IoT-Koffer suchen wir eine studentische Hilfskraft, die die ben√∂tigte Hardware zusammenstellt, Dokumentation erstellt und die Pflege der IoT-Koffer √ľbernimmt. Die Finanzierung erfolgt √ľber das Zentrum f√ľr Angewandte Informatik (z.a.i. www.fbi.h-da.de/zai).