A GeoEvent-driven architecture based on GeoMQTT for the Geospatial IoT

Herlé, Stefan; Bill, Ralf; Blankenbach, Jörg Manfred

doi:HT020294792

A GeoEvent-driven architecture based on GeoMQTT for the Geospatial IoT = Eine GeoEvent-gesteuerte Architektur basierend auf GeoMQTT für das Geospatial IoT

Herlé, Stefan^RWTH*

2019

VerantwortlichkeitsangabeStefan Herlé

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (X, 268 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheVeröffentlichung des Geodätischen Instituts der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen ; 71

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Blankenbach, Jörg Manfred (Thesis advisor)^RWTH* ; Bill, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-10-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-10695
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/772603/files/772603.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bauinformatik und Geoinformationssysteme und Geodätisches Institut (316210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
event-driven architecture (frei) ; GIS (frei) ; GeoEvent (frei) ; GeoMQTT (frei) ; Geographic Information System (frei) ; Geospatial IoT (frei) ; MQTT (frei) ; REST (frei) ; Sensor Web (frei) ; real-time messaging (frei) ; spatiotemporal publish/subscribe (frei) ; web processing service (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Im Internet-of-Things (IoT) (Internet der Dinge, IdD) vernetzen sich physische Dingen mit anderen Objekt und Menschen mittels Informations- und Kommunikationstechnologien des Internets. Damit erweitert das IoT Konzept das traditionelle Internet der Computer um eine Vielzahl von Zugangspunkten. Alltägliche physische Objekte können benutzt werden um weltweit mit anderen Menschen oder Dingen zu kommunizieren. Da Objekte, Menschen und Ereignisse der realen Welt räumliche Eigenschaften besitzen, wohnen ihren Handlungen, Beobachtungen, Zuständen oder Geschehnissen ebenfalls Geoinformationen inne. Durch den Austausch digitaler Geoinformationen (Geodaten) im IoT kann auch von einem Geospatial IoT gesprochen werden. Dabei ist das Geospatial IoT fundamental verschieden von konventionellen Geoinformationstechnologien. Dinge im IoT liefern ihre Geodaten mit einer viel höheren Frequenz und Menge. Die Integration dieser Dinge wird als der größte revolutionäre Wandel in der Geschichte von Geoinformationstechnologien angesehen. Dabei hat die allgegenwärtige Sammlung und Bereitstellung von Geodaten durch ein Geospatial IoT großes Potential. Natürliche und von Menschen gemachte Ökosysteme können so besser räumlich erfasst, modelliert, visualisiert und verstanden werden. Es sind allerdings noch viele Herausforderungen zu lösen um räumliche und raumzeitliche Echtzeitdaten von IoT Geräten in neue oder etablierte Systeme zu integrieren. Anforderungen an Architektur und Nachrichtenaustauschmechanismus wie etwa Skalierbarkeit oder Effizienz müssen analysiert, evaluiert und umgesetzt werden, um eine geeignete Infrastruktur für ein Geospatial IoT aufzubauen. Diese Doktorarbeit fokussiert sich auf verschiedenste Forschungsfragen im Zusammenhang mit einer Infrastruktur für ein Geospatial IoT und der Integration von IoT Dingen, Daten und Datenströmen in etablierte Geoinformationstechnologien. Dazu werden zunächst typische Konzepte, Architekturen und Bausteine des IoT untersucht. Insbesondere werden neuste Entwicklungen bei der IoT Kommunikation betrachtet. Basierend auf diesen Analysen wird ein Konzept für eine Geospatial IoT Architektur entwickelt. Die konzeptionelle Architektur benutzt als Basisdatentyp GeoEvents, um Akteure in einem Geospatial IoT über einen raumzeitlichen Nachrichtenaustauschmechanismus zu verknüpfen. Dieser Datentyp ist abgeleitet von raumzeitlichen Ereignissen aus der realen Welt. Ein GeoEvent ist ein 4-Tupel mit einem Namen, einer räumlichen und einer zeitlichen Komponente, sowie eines Nachrichtenrumpfes. Mittels GeoEvents kann eine GeoEvent-getriebene Architektur (GeoEvent-driven Architecture) für ein Geospatial IoT entworfen werden. Diese folgt einem ereignisgesteuerten Muster, sodass GeoEvents direkt zum Konsumenten geschickt werden, sobald diese auftreten. Dabei können Konsumenten ihr Interesse in GeoEvents mittels einer GeoSubscription ausdrücken. Ein GeoEvent-Prozessor evaluiert die Metainformationen jedes eingehenden GeoEvents gegen jede GeoSubscription und verteilt diese an interessierte Clients. Das IoT Protokoll Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) wird in dieser Arbeit genutzt um diese GeoEvent-getriebene Architektur prototypisch zu implementieren. MQTT erfüllt die Anforderungen zur Unterstützung von Ressourcen-beschränkten Geräten wie eine kleine Nachrichtengröße oder gute Performanz, aber auch Architektureigenschaften wie der Nachrichtenaustauschmechanismus und die Skalierbarkeit der Server. Das themen-basierte Publish/Subscribe Protokoll MQTT wird durch die Datentypen GeoEvents und GeoSubscriptions erweitert. Neue Nachrichtentypen werden in GeoMQTT eingeführt, um die angedachten Mechanismen umzusetzen. Ein GeoMQTT Broker verteilt die GeoEvents an Clients basierend auf den GeoSubscriptions. Dazu werden Filter-Möglichkeiten auf den Metainformationen von GeoEvents eingeführt, sodass GeoMQTT ein inhaltsbasiertes Publish/Subscribe umsetzt. Neben GeoMQTT Clients in verschiedenen Programmiersprachen, wird die Erweiterung GeoMQTT-SN für unzuverlässige Netzwerke entwickelt, die insbesondere auf geringe Nachrichtengrößen achtet. Die GeoMQTT Erweiterung wird in Hinblick auf mehrere Anforderungen für IoT Systeme evaluiert. Sowohl die Ausdrucksstärke für die Modellierung von GeoEvents als auch die Nachrichtengröße und die Effizienz der Filtermechanismen erfüllen die Anforderungen. Auch die Skalierbarkeit ist durch den GeoMQTT Broker sichergestellt. Schließlich wird das GeoMQTT Protokoll in konventionelle Geoinformationstechnologien integriert. Beispielsweise wird ein GeoMQTT Plug-in für QGIS implementiert, um GeoEvents in Echtzeit in einem Desktop GIS zu empfangen. Des Weiteren wird der WPS Dienst, der zum Ausführen von Geoprozessen genutzt wird, um neue Ein- und Ausgabeformate für GeoEvents erweitert, sodass Prozesse auf raumzeitlichen Datenströmen ausgeführt werden können. Zusätzlich werden Brücken zu Sensor Web und REST Diensten vorgestellt, um archivierte oder neue GeoEvents durch Methoden des WWW abzurufen bzw. zu veröffentlichen. Diese Arbeit behandelt und löst einige Herausforderungen und Anforderungen, die bei dem Aufbau einer Infrastruktur für das Geospatial IoT auftreten. Die prototypische Implementierung einer GeoEvent-getriebenen Architektur und zugehöriger Dienste zeigt die Möglichkeit Dinge und Systeme in einem Geospatial IoT über raumzeitliche Nachrichtenaustauschmuster zu verbinden. Zusätzlich können diese raumzeitlichen Nachrichten von verschiedenen Diensten und konventionellen Geoinformationstechnologien empfangen und angeboten werden. Dennoch sind noch weitere Herausforderungen für eine Implementierung des Geospatial IoT zu lösen, auf die am Ende der Arbeit eingegangen wird.

In the Internet-of-Things (IoT) things of the physical world communicate with humans and other objects by means of the Internet. The concept extends the traditional Internet of Computers (IoC) that uses computers such as desktop PC, notebooks or smartphones as access points to the Internet by a multitude of end points represented by physical objects. Since things, human beings but also events in the physical world possess various spatial properties, their actions, observations or happenings inhere geospatial information. Hence, the exchange of digital geospatial information in the IoT leads to the Geospatial IoT. The Geospatial IoT is fundamentally different from established geoinformation technologies. Things in the Geospatial IoT provide geodata with a much higher frequency and quantity. Its integration is foreseen as the most revolutionary change in the history of geoinformation technologies. The ubiquitous geodata collection and provisioning through the Geospatial IoT as an all-encompassing infrastructure holds huge potential for better spatially understanding, modeling and visualizing of our natural and artificial ecosystems. However, a lot of challenges occur in integrating spatial and spatiotemporal data from IoT devices into new or already established systems. Novel requirements concerning architectures, messaging mechanisms and technologies such as scalability or efficiency appear, which must be analyzed and considered when implementing an appropriate infrastructure. This thesis addresses different research questions regarding an infrastructure for the Geospatial IoT and its integration into established geoinformation technologies. Approaching these issues, typical concepts, architectures and buildings blocks of the IoT are investigated first. This holds especially for recent developments in the field of IoT communications on different layers. Based on these typical structures, a concept for a Geospatial IoT architecture is designed. The conceptual architecture uses GeoEvents as a base data type for exchanging spatiotemporal messages between actors in the Geospatial IoT. The data type is derived from real-world geospatial events and states, which represent occurrences and states of continuants. Basically, a GeoEvent is a four tuple with a name, a spatial component, a temporal component and a message payload. With that event type defined, a GeoEvent-driven architecture for the Geospatial IoT can be specified. It follows an event-driven pattern, so that GeoEvents are send to interested consumers when they occur. Thereby, consumers may specify their interest in GeoEvents by GeoSubscriptions. In the architecture, GeoEvents are distributed by a GeoEvent processing engine, which evaluates the meta information of the GeoEvents against filters of the GeoSubscriptions. The IoT communication protocol Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) is chosen to implement the GeoEvent-driven architecture for the Geospatial IoT. It meets requirements for resource-constraint devices such as small message size and efficiency, but has also beneficial architectural properties such as the messaging paradigm or the scalability of the server. In the thesis, the topic-based publish/subscribe protocol MQTT is extended by a GeoEvent and a GeoSubscription data type. In the developed extension called GeoMQTT, new messages are introduced to encode these data types. A GeoMQTT broker distributes the GeoEvents between the clients based on the GeoSubscriptions. To achieve this, filtering capabilities on temporal and spatial components are integrated, so that GeoMQTT can be used as a content-based publish/subscribe protocol. Several clients in different programming languages are implemented, as well as a GeoMQTT-SN extension for unreliable networks. The latter one focuses especially on small message sizes. GeoMQTT is evaluated with respect to multiple requirements for IoT environments. The expressiveness of the message types as well as the efficiency of the subscribe mechanisms meet the requirements for the Geospatial IoT. Further, scalability is ensured by the GeoMQTT broker and, thus, prepared for a dynamically increasing number of things in the Geospatial IoT. Finally, the spatiotemporal messaging protocol GeoMQTT is integrated in established geoinformation technologies. For instance, a GeoMQTT plug-in for QGIS is implemented to receive GeoEvents in a desktop GIS in real-time. The WPS for executing geoprocesses is extended by new input and output data types, namely GeoPipes, so that processes on geospatial data streams can be invoked. Additionally, bridges to Sensor Web services and to REST servers provide end users or software agents access to historical or new GeoEvents by means of the WWW.The thesis approaches and solves some of the challenges and tasks occurring in building an infrastructure for the Geospatial IoT. The prototypical implementation of the GeoEvent-based architecture and its related services show that things in the Geospatial IoT can be interconnected efficiently by a spatiotemporal messaging mechanism. Real-time access is realizable by services and established geoinformation technologies may also participate. Nevertheless, there are still many ongoing issues to solve, which are addressed in the end of the thesis.

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