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Workflow Support for Low-Power Wireless Sensor and Actuator Networks

Guerrero, Pablo E. :
Workflow Support for Low-Power Wireless Sensor and Actuator Networks.
tuprints, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Workflow Support for Low-Power Wireless Sensor and Actuator Networks
Language: English
Abstract:

A decade ago, the advances in the miniaturization of electronic components made it possible to integrate three fundamental functions into a tiny, battery-operated device, namely sensing, processing and wireless communication. This gave rise to a new family of computers that, when connected with each other in masses, are known as low-power, wireless sensor and actuator networks (WSANs). These networks are the enabling technology of the Internet of Things, a market that is predicted to encompass ∼14 billion devices by 2020. As the initial challenges of the technology are overcome, such as identifying adequate medium access control protocols, localization techniques, and network standards, the range of possible applications has grown up.

To date, however, there is general consensus that the existing node-level programming languages do not provide adequate abstractions to implement user applications. Indeed, the predominant approach is very close to the hardware and involves the C programming language (or a variant of it). This makes it difficult for domain experts to employ the technology without a sensor network specialist. The research community has proposed a number of middleware approaches to simplify the development effort. However, these macroprogramming languages mainly focus on data extraction, and not on in-network actuation.

In this work we advocate the usage of workflows as a means to define the logic that orchestrates the network activity. With this abstraction, the loop of event-sensing, decision and actuation can be closed, leading to a reduced need for slow and error-prone human intervention in the process. In this way, the whole WSAN loop can be shifted to the network.

Our main contribution consists of the conception of a holistic workflow modeling and execution platform for WSANs, together with the design and implementation of ukuFlow, a workflow platform for low-power nodes, that runs entirely in-network, not requiring an external server infrastructure. Secondly, we present the ongoing work on the development of TUDμNet, a metropolitan-scale federation of sensor network testbeds, with which the empirical evaluation of ukuFlow, among many other research projects, was carried out.

We have identified a set of operators to compose workflows, and provided a lightweight architecture that controls the flow of such processes with an in-network execution algorithm. We present a detailed evaluation of various performance indicators for each major component of the architecture, including the data manager, command execution, and complex event detection modules. The results of the evaluation show the feasibility of the approach, in spite of the adverse resource constraints and the tough network settings employed. We strongly believe that this abstraction is of practical relevance to WSAN practitioners, while still holding promise to an in-network operation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Durch den Fortschritt bei der Miniaturisierung elektronischer Komponenten in den letzen Jahren wurde die Integration von drei grundlegenden Funktionen in kleine batteriebetriebene Geräte ermöglicht: Datenerfassung, -verarbeitung und drahtlose Kommunikation. Dies ließ eine neue Familie von Computern entstehen, die, wenn sie in großer Anzahl miteinander verbunden werden, als Low-Power-, drahtlose Sensor- und Aktor-Netze (engl. WSAN, wireless sensor and actuator network) bezeichnet werden. Diese Netze sind die Schlüsseltechnologie des "Internet der Dinge", ein Markt, der bis 2020 geschätz etwa 14 Milliarden Geräte umfassen wird [69]. Nachdem die ersten Herausforderungen dieser Technologie überwunden worden sind, wie zum Beispiel die Identifizierung von geeigneten Medium-Access-Control- Protokollen, Techniken zur Knotenlokalisierung, und die Spezifikation von ersten Netzwerkstandards, ist das Spektrum der möglichen Anwendungen stark gewachsen. Es besteht allgemeiner Konsens darüber, dass die verfügbaren Programmiersprachen, die auf Ebene einzelner Knoten abzielen, keine ausreichenden Abstraktionen zur Implementierung von Benutzeranwendungen bieten. Der vorherrschende Ansatz setzt umfassende Kenntnisse in der hardwarenahen Programmierung bspw. mit C (oder eine Variante davon) voraus. Dies macht es für Domänen-Experten sehr schwierig, diese Technik ohne die Hilfe von Sensornetz-Spezialisten anzuwenden. Die aktuelle Forschung hat bereits eine Reihe von Middleware-Ansätze vorgeschlagen, um den Entwicklungsaufwand zu reduzieren. Diese Ansätze fokussieren sich jedoch hauptsächlich auf die Datenextraktion mittels Makroprogrammiersprachen und nicht auf die Ausführung der Anwendungslogik im Netz (engl. in-network actuation). In dieser Arbeit werden Workflows als Mechanismus vorgeschlagen, um den Ablauf der Aktivitäten im Netz zu definieren. Mit dieser Abstraktion kann der Zyklus der Ereignis-Erfassung, der Entscheidung und der Ausführung kombiniert werden. Dies führt zu einem verringerten Bedarf an langsamen und fehleranfälligen menschlichen Eingriffen in den Prozess. Auf diese Weise kann die Ausführung des gesamten Zyklus in das Netz verlagert werden. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht aus zwei Aspekten. Zum einen wurde eine ganzheitliche Workflow-Modellierungs- und Laufzeitplattform für WSANs konzipiert. Zum anderen wurde ukuFlow entworfen und umgesetzt, eine Workflow-Plattform für Low-Power-Knoten, die vollständig im Netz läuft und keine externe Server-Infrastruktur erfordert. Darüber hinaus werden die laufende Aktivitäten an der Entwicklung von TUDμNet vorgestellt, ein auf ein Stadtgebiet angelegter Zusammenschluß von Testumgebungen für Sensornetze. Mit TUDμNet wurde die empirische Auswertung von ukuFlow und einigen anderen Forschungsprojekten durchgeführt. Um die Komposition von Workflows zu ermöglichen, wurde eine Menge von Operatoren identifiziert. Dazu wurde auch eine leichtgewichtige Architektur vorgeschlagen, die den Kontrollfluss von Workflows mit einem für ein Sensornetz ausgelegten Ausführungsalgorithmus steuert. Es wird eine detaillierte Auswertung der verschiedenen Leistungsindikatoren für jede Hauptkomponente der Architektur präsentiert. Diese beinhalten die Module des Datenmanagers, der Befehlsausführung und der komplexen Ereigniserkennung. Trotz der Ressourceneinschränkungen, der harten Netzwerkbedingungen und der zusätzlichen Herausforderungen von der Ausführung im Netz, stellen die vorgelegten Ergebnisse die Umsetzbarkeit des Ansatzes dar und zeigen, dass die Abstraktion für WSAN-Anwender eine hohe praktische Relevanz hat.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: tuprints
Uncontrolled Keywords: Wireless, Sensor, Networks, Actuators, Workflows, BPMN, Testbeds
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Databases and Distributed Systems
Date Deposited: 17 Dec 2014 13:24
Last Modified: 17 Dec 2014 13:24
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-42833
Referees: Buchmann, Prof., PhD Alejandro P. and Van Laerhoven, Prof. Dr. Kristof and Marron, Prof. Dr. Pedro
Refereed: 25 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4283
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