E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
1
EE 586 Communication andSwitching Networks
Lecture 5
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Internet of Things
2-2
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Internet of Things
Kevin Ashton coined "Internet of Things" phraseto describe a system where the Internet isconnected to the physical world via ubiquitoussensors– RFID Journal (2009)
The Internet of Things, also called The Internet ofObjects, refers to wireless network betweenobjects, usually the network will be wireless andself-configuring, such as household appliances.
                                                    - Wikipedia
3
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Applications
4
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Industrial Automation and Asset Management
Diapositive4
fig-intro-industrial
Tracking inventory
Remote sensing incontrolling doors,automating transfer
Safety practice monitoring
Energy efficiency
Vehicular automation
Security system
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Utility Management
facilitymanagement
RFID Door Access Control
Asset Tracking
Building Automation
Energy Reduction
Maintenance
AMI = Automatic Meteringinfrastructure
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Fitness
Physical Activities
Calorie Intake
Continuous Vital Signmeasurement
Sleep monitoring
Coaching, Motivation,Adherence
http://photos.prnewswire.com/prn/20130521/SF17618
http://img.sxsw.com/2011/events/FutureFitnessThePowerOfPersonal.jpg
http://cdn.xlcgamingnetwork.com/news/images/2012/07/13/Kinect_PlayFit-screens/Playfit_Welcome.jpg
underline_base
j0235319
Stickman 08 by nicubunu - Blue stick man figure illustrating various actions (par of the
Motion sensor
Motion sensor
Motion sensor
ECG sensor
#
#
MC900411406[1]
#
Internet
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Environmental Monitoring
8
http://images.libelium.es/content/applications/libelium_smart_world_infographic_big.png
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Trend
9
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
(modified by Cheung for EE586;based on K&R original)
10
http://gigaom2.files.wordpress.com/2011/10/updated-gsma-infographic-final.jpg
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Emerging Technologies
11
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Hype Cycle
12
http://www.virtualtravelog.net/wp/wp-content/gallery/2011-04-hype-cycles/Gartner-Hype-Cycle-Phases.png
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Make Technology Disappear
1.Shared Understanding of the situation of its usersand their applications
2.Software architectures and pervasivecommunication networks to process and conveythe contextual information to where it is relevant
3.Analytics tools in the IoT that aim for autonomousand smart behavior
13
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Key Technology Components
1.RFID = embedded wireless devices for identification
2.Wireless Sensor Network = a network of miniatureintelligent sensors and actuators, enabling thecollection, processing, analysis and dissemination ofvaluable information
3.Universal Addressing Scheme = IPv6 and 802.15.4
4.Cloud computing = the delivery of computing as aservice rather than a product, whereby sharedresources, software, and information are providedto computers and other devices as a utility (like theelectricity grid) over a network
14
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Wireless Sensor Network
Low-power RF + Sensors/Actuators + IPv6 =
The Wireless Embedded Internet
IPv6 over Low Power wireless Area Networks(6LoWPAN)
The benefits of 6LoWPAN include:
Open, long-lived, reliable standards
Easy learning-curve
Transparent Internet integration
Network maintainability
Global scalability
End-to-end data flows
underline_base
3
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Microcontroller
Main processing units of embedded devices
Special purpose and highly integrated
Integrated RAM, ROM, I/O, peripherals
Extremely good power to performance ratio
Cheap, typically 0.25 - 10.00 USD
Executes programs including embedded systemcontrol, measurement & communications
Usually time-critical requiring guarantees
Real-time performance a common requirement
Pre-emptive scheduled tasks
Queues and semaphores
LandingPageTIMS430MCU
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Example: MSP430
Texas Instruments mixed-signal uC
16-bit RISC
ROM: 1-60 kB
RAM: Up to 10 kB
Ultra low power
<100uA/MHz
> 20 years @ 4MHz
Analogue
12 bit ADC & DAC
LCD driver
Digital
USART x 2
DMA controller
Timers
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Embedded Meets Wireless
Microcontrollers are everywhere in embedded systems
appliances, watches, toys, cameras, industrial control, mobile phones,sensors, cars, automation
Microcontroller vs. microprocessor market
15 x more microcontroller units sold yearly (8 billion)
20 billion vs 43 billion USD market
Key standard for Wireless Sensor Network
Zigbee/802.15.4 chips to 850 million unit sales by 2016
Modern embedded communications chips are transceivers: theycombine half-duplex transmission and reception.
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
What is 802.15.4?
19
http://www.ni.com/cms/images/devzone/tut/image7111120948423385884.jpg
underline_base
http://www.ni.com/cms/images/devzone/tut/2.4GHz_Spectrum.jpg
IEEE 802.15.4 is asimple link layer dataprotocol for
wireless sensornetworks.
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Example: CC2420
IEEE 802.15.4 compliant radio
2.4 GHz band using DSSS at 250 kbps
Integrated voltage regulator
Integrated digital baseband and MAC functions
Clear channel assessment
Energy detection (RSSI)
Synchronization
Framing
Encryption/authentication
Retransmission (CSMA)
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Sensors & Actuators
Sensors measure real-world phenomena andconvert them to electrical form
Analogue sensors require an ADC
Digital sensors use e.g. I2C or SPI interfaces
Human interface can also be a sensor (button)
IEEE 1451 standard becoming important
Defines standard interfaces and auto-configuration
Also some protocol specifications
Actuators convert an electrical signal to someaction
Analogue and digital interfaces both common
A motor servo is a good example
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
What is 6LoWPAN?
IPv6 over Low-Power wireless Area Networks
Defined by IETF standards
RFC 4919 (problem)
RFC 4944 (format)
RFC 6282 (header compression)
RFC 6568 (use cases)
RFC 6775 (neighbor discovery)+
RFC 6606 (problem for routing)
Draft-ietf-roll-rpl (routing)
Stateless header compression
Enables a standard socket API
Minimal use of code and memory
Direct end-to-end Internet integration
fig-ipv6-wide
IPv6
fig-intro-device
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
The 6LoWPAN Format
6LoWPAN is an adaptation header format
Enables the use of IPv6 over low-power wireless links
IPv6 header compression
UDP header compression
Format initially defined in RFC4944
Updated by RFC 6282
fig-intro-stack
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
fig-intro-arch
Architecture
LoWPANs are stubnetworks
Simple LoWPAN
Single Edge Router
Extended LoWPAN
Multiple Edge Routerswith common backbonelink
Ad-hoc LoWPAN
No route outside theLoWPAN
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
6LoWPAN Headers
Orthogonal header format for efficiency
Stateless header compression
fig-intro-header
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Clouds and IoT
26
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
What is Cloud?
27
SaaS =
a softwarelicensing anddelivery modelin whichsoftware islicensed on asubscriptionbasis and iscentrally hosted
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
What is Cloud?
28
PaaS =
provides acomputing platformand a solution stackas a service w/o thecost and complexityof buying andmanaging theunderlyinghardware andsoftware andprovisioning hostingcapabilities
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
What is Cloud?
29
IaaS =
Offers computers –physical or virtual,as well as otherresources includingdisk image library,raw block storage,and file or objectstorage, firewalls,load balancers, IPaddresses, virtuallocal area networks(VLANs), andsoftware bundles
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Advantages
30
On-demandservices
ResourcePooling
Broad NetworkAccess
Rapid Elasticity
MeasuredServices
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
IoT versus Cloud
31
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Challenges
Scalable architecture
Energy efficient sensing
Secure reprogrammable networks and privacy
Quality of service
New protocols
Participatory sensing
Data mining
Visualization
32
underline_base