API de alto nivel generica para desarrollo de - Facultad de Ingeniería

197 Pages·2010·3.46 MB·Spanish

Instituto de Computaci(cid:243)n
Facultad de Ingenier(cid:237)a
Universidad de la Repœblica
API de alto nivel gen´erica para desarrollo de
aplicaciones de domo´tica.
Informe de Proyecto de Grado
26 de febrero del 2010
Montevideo - Uruguay
Tribunal:
Javier BaliosiÆn, Gonzalo Tejera, Diego Vallespir
Autores: Tutores:
Juan Manuel Picerno AndrØs Aguirre
Ken Tenzer Ariel Sabiguero
2
Resumen
La dom(cid:243)tica es el campo que relaciona la automatizaci(cid:243)n, el hogar y la
tecnolog(cid:237)a brindando bene(cid:28)cios a los usuarios de dichos sistemas teniendo en
cuenta la seguridad, el confort de las personas y el ahorro energØtico.
Las soluciones existentes de dom(cid:243)tica suelen estar altamente acopladas con
una tecnolog(cid:237)a espec(cid:237)(cid:28)ca, lo cual simpli(cid:28)ca la interacci(cid:243)n con los distintos
dispositivos y di(cid:28)culta el uso de diversas tecnolog(cid:237)as simultÆneamente.
Este trabajo presenta en sus primeros cap(cid:237)tulos el relevamiento del Estado
del Arte de la dom(cid:243)tica, para introducir al lector al concepto central que
es la especi(cid:28)caci(cid:243)n de una API genØrica de dom(cid:243)tica. Esta API permite la
programaci(cid:243)n de aplicaciones con un alto grado de portabilidad, implantarse
en plataformas con escasas prestaciones y es lo su(cid:28)cientemente genØrica para
contemplar diferentes interfaces de entrada/salida, as(cid:237) como, protocolos de
comunicaci(cid:243)n heterogØneos.
La soluci(cid:243)n propuesta estÆ basada sobre una plataforma con una
arquitectura orientada a servicios desarrollada en Java, llamada OSGi. Tiene
en cuenta aspectos de seguridad, evitando dejar vulnerable la privacidad, la
autenticaci(cid:243)n y la autorizaci(cid:243)n sobre los diferentes componentes del sistema.
La API permite interactuar con distintas tecnolog(cid:237)as de forma homogØnea, los
cuales incluso pueden estar distribuidos entre varios sistemas.
Paramostrarsuaplicabilidadserealiz(cid:243)unprototipoparalaautomatizaci(cid:243)n
de un baæo en una plataforma con recursos limitados, usando el proyecto
Usb4All que permite el control de dispositivos genØricos desde el puerto USB.
Palabras claves: Dom(cid:243)tica, OSGi, Bajos recursos, JamVM, Middlewares,
Usb4All, OpenWrt.
3
4
Agradecimientos
Agradecemos especialmente a nuestros tutores: AndrØs Aguirre y Ariel
Sabiguero por soportarnos durante todo el aæo.
Reconocemos tambiØn la grandeza de aquellas personas que nos facilitaron
informaci(cid:243)n:
JessicaD(cid:237)az,(cid:16)AGenericGatewayforTestingHeterogeneousComponents
in Acceptance Testing Tools(cid:17) [15].
Marco Aiello, (cid:16)The role of web services at home(cid:17) [3].
Dario Bonino, (cid:16)Domotic House Gateway" [74].
Dario Russo, (cid:16)An Open Standard Solution for Domotic Interoperability"
[52].
Larry Page y Sergey Brin por su aporte incondicional durante toda la
carrera, vida profesional, y esperemos por muchos aæos mÆs!
No es menor, nuestro reconocimiento a los Ingenieros ElØctricos por su ayuda
en dicha Ærea: Edgardo Vaz, Santiago Reyes, Alfonso GonzÆlez, Uri Tenzer y
Daniel Goldenberg.
5
6
˝ndice general
1. Introducci(cid:243)n 13
1.1. Motivaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2. Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3. Pœblico Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4. Organizaci(cid:243)n del Documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.1. Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.2. Gu(cid:237)a de Lectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2. Estado del Arte 17
2.1. Sensores y Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2. EstÆndares y middlewares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1. Medios de Comunicaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.2. Interoperabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3. Cronolog(cid:237)a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Sistemas Operativos Embebidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.1. Comparaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.2. Cronolog(cid:237)a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4. Lenguajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1. Comparaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2. Cronolog(cid:237)a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5. Trabajos Relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6. Interpretaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.7. Tendencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3. AnÆlisis 29
3.1. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2. EOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3. Lenguajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4. Deploy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4.1. OSGi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.5. JVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6. Interconexi(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6.1. R-OSGi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.7. Middleware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.8. Resumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7
8 ˝NDICE GENERAL
4. Experimentos y Resultados 37
4.1. Sistema Operativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.2. JVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1. JamVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1.1. Compilaci(cid:243)n de JamVM y GNU-Classpath para
x86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1.2. Cross-compilaci(cid:243)ndeJamVMyGNU-Classpath
para OpenWrt sobre MIPS . . . . . . . . . . . . 39
4.2.1.3. Diferencias con Java-Sun . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.2. Mika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3. OSGi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.1. Concierge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.2. Knop(cid:29)er(cid:28)sh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4. Remoting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.5. Middleware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5.1. Usb4All . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5.1.1. Usb4All-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.5.1.2. Prototipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5.2. Middleware Secundario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.6. Resumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5. Soluci(cid:243)n Propuesta 47
5.1. Requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.1. Funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.2. No Funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2.1. OSGi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1.1. Bundles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1.2. Servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.2. R-OSGi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.3. API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.3.1. TechManager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.3.2. Security Manager . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.3.3. Remote Manager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2.3.4. Proxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.3.5. Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.3.6. Consumidores / Productores custom . . . . . . . 57
5.3. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3.1. Token: Obtenci(cid:243)n y Manipulaci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.2. Usurpaci(cid:243)n de Identidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4. Decisiones sobre la API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4.1. Invocaci(cid:243)n a MØtodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.4.2. Descubrimiento de Servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4.3. Composici(cid:243)n de Servicios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.4.4. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
˝NDICE GENERAL 9
6. Caso de Estudio 65
6.1. Descripci(cid:243)n del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2. Requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.1. Funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2.2. No Funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.3. Casos de uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.4. Matriz de Trazabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.5. Soluci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.5.1. Usb4All . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.5.1.1. Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.5.1.2. Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.5.1.3. Modelado con la API . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.5.2. Estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.5.2.1. L(cid:243)gica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.5.2.2. Modelado con la API . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.5.3. Acceso Remoto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.6. Deploy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.7. Adaptaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.7.1. USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.7.2. Circuito de interacci(cid:243)n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.7.2.1. Con(cid:28)guraci(cid:243)n inicial . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.7.2.2. Modi(cid:28)caciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.7.2.3. Con(cid:28)guraci(cid:243)n alternativa . . . . . . . . . . . . . 80
6.7.3. Recuperaci(cid:243)n ante fallas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
7. Conclusiones 85
7.1. Resultados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.2. Di(cid:28)cultades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.3. Aportes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.4. Trabajos a Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
A. Sensores y Actuadores 109
A.1. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.1.1. Tipos de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.2. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.2.1. Tipos de Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
B. EstÆndares y middlewares 115
B.1. Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B.2. Consumer Electronic Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B.3. Digital Living Network Alliance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B.4. Home Audio Video interoperavility . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
B.5. IEEE 1394. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
B.6. Inter-Integrated Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
B.7. Jini. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
B.8. KNX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
B.9. LonWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
B.10.OpenWebNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
B.11.Open Services Gateway Initiative . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
B.11.1.Service Oriented Framework. . . . . . . . . . . . . . . . . 120
10 ˝NDICE GENERAL
B.12.P2P Universal Computing Consortium . . . . . . . . . . . . . . . 121
B.13.RS232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
B.14.Serial Peripheral Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
B.15.Service Location Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
B.16.Universal Plug and Play . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
B.17.Universal Serial Bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
B.18.X10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
B.19.Zeroconf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
B.20.ZigBee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B.21.Otros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B.21.1.Salutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B.21.2.Konark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B.21.3.Home Gateway Initiative . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B.21.4.VESA Home Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
B.21.5.Home Phoneline Networking Alliance . . . . . . . . . . . 125
B.21.6.Energy Conservation and Home Network . . . . . . . . . 125
B.21.7.Open Building Information Xchange . . . . . . . . . . . . 125
C. Sistemas Operativos Embebidos 127
C.1. Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
C.1.1. Openmoko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
C.1.2. OpenWrt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
C.1.3. SlugOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
C.1.4. µClinux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.1.5. OpenDomo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.2. ThreadX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.3. Windows Embedded CE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C.4. QNX Neutrino NTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
C.5. BSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
C.6. Cuadro Comparativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
D.Lenguajes 131
D.1. C/C++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
D.2. Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
D.3. Perl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.4. PHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.5. Lua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
D.6. Java . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
E. Sistemas Existentes 135
E.1. Libres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
E.1.1. MisterHouse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
E.1.2. Heyu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
E.1.3. DomoticaCasera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
E.1.4. LinKNX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
E.1.5. Taiyaki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
E.2. Comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
E.2.1. MyHome BTicino: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
E.2.2. Creston . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
E.2.3. Home PAC XP8741 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137