Framework for Building Situation-Aware Ubiquitous Services in Smart Home Environments [Elektronische Ressource] / Andreas Rieger. Betreuer: Sahin Albayrak

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Framework for Building Situation-Aware UbiquitousServices in Smart Home Environmentsvorgelegt vonDiplom-InformatikerAndreas RiegerVon der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatikder Technischen Universität Berlinzur Erlangung des akademischen GradesDoktor der IngenieurwissenschaftenDr.-Ing.genehmigte DissertationPromotionsausschuss:Vorsitzender: Prof. Dr. habil. Odej KaoBerichter: Prof. Dr. habil. Sahin Albayrak Prof. Arkady ZaslavskyTag der wissenschaftlichen Aussprache: 31.05.2011Berlin 2011D 83ZusammenfassungDie zunehmende Verbreitung des Computers in verschiedenen Lebensbereichen er-laubt neue Möglichkeiten der Nutzung, bringt aber auch Herausforderungen für Wis-senschaftler in verschiedenen Fachrichtungen der Informatik. Mit Hilfe vernetzterGeräte können intelligente Umgebungen geschaffen werden, die die Benutzer in aufunterschiedliche Weise unterstützen. Die voranschreitende Miniaturisierung von Sen-soren und Aktoren, die in Geräte des täglichen Lebens integriert werden, ermöglicheneinen allmählichen Paradigmenwechsel in Richtung des “Ubiquitous Computing”.Insbesondere unsere eigene Wohnumgebung gerät dabei immer mehr in den Fokus.Wohnungen und ganze Häuser werden zu so genannten Smart Homes. Ziel dieserSmart Homes ist die Unterstützung der Bewohner hin zu mehr Komfort, Sicherheitund Energieeffizienz.
Publié le : samedi 1 janvier 2011
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Framework for Building Situation-Aware Ubiquitous
Services in Smart Home Environments
vorgelegt von
Diplom-Informatiker
Andreas Rieger
Von der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
Dr.-Ing.
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. habil. Odej Kao
Berichter: Prof. Dr. habil. Sahin Albayrak Prof. Arkady Zaslavsky
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 31.05.2011
Berlin 2011
D 83Zusammenfassung
Die zunehmende Verbreitung des Computers in verschiedenen Lebensbereichen er-
laubt neue Möglichkeiten der Nutzung, bringt aber auch Herausforderungen für Wis-
senschaftler in verschiedenen Fachrichtungen der Informatik. Mit Hilfe vernetzter
Geräte können intelligente Umgebungen geschaffen werden, die die Benutzer in auf
unterschiedliche Weise unterstützen. Die voranschreitende Miniaturisierung von Sen-
soren und Aktoren, die in Geräte des täglichen Lebens integriert werden, ermöglichen
einen allmählichen Paradigmenwechsel in Richtung des “Ubiquitous Computing”.
Insbesondere unsere eigene Wohnumgebung gerät dabei immer mehr in den Fokus.
Wohnungen und ganze Häuser werden zu so genannten Smart Homes. Ziel dieser
Smart Homes ist die Unterstützung der Bewohner hin zu mehr Komfort, Sicherheit
und Energieeffizienz. Vielfältige Technologien unterstützen diesen Ansatz, jedoch
fehlt es bisher an einem einheitlichen Framework, welches die sich dadurch ergeben-
den Herausforderungen adressiert. Die Integration verschiedenster Geräte, die unter-
schiedliche Kommunikationsmedien und Protokolle verwenden, die Erfassung von
Informationen aus der Umgebung und deren aufbereitete Bereitstellung, sowie die
Generierung von intuitiv bedienbaren Diensten sind dabei die wesentlichen Heraus-
forderungen.
Diese Dissertation befasst sich mit der Erforschung, Entwicklung und Evaluierung
von kontextsensitiven, allgegenwärtigen Diensten für Smart Homes. Dazu wurde
eine eingehende Analyse des Marktes, der Technologien und der Anwendungsgebi-
iete für allgegenwärtige Dienste für Smart Homes vorgenommen. Darauf basierend
wurden drei Hauptkomponenten identifiziert, deren Bereitstellung die Umsetzung
von solchen Diensten unterstützt. Diese Komponenten verringern die sich ergebene
Komplexität für Softwareentwickler und ermöglichen eine Fokussierung auf service-
spezifische Aspekte.
Die “Device Management”-Komponente stellt dabei ein transparentes, funktionales
Modell der darunterliegenden Geräte einer Smart Home Umgebung dar. Sie inte-
griert verschiedene Technologien und Protokolle und stellt diese über eine Abstrak-
tionsschicht den darüber liegenden Diensten zur Verfügung. Ein Kontext- und Situa-
tionsmodell stellt Umgebungsinformationen in einer standardisierten Form dar. Die
Einführung des Situationsmodells, welches analog zum menschlichen Prozess der
Erkennung und Bewertung von Situationen umgesetzt wurde, stellt den Diensten auf-
bereitete Situationsinformationen zur Verfügung, die für Adaption von Diensten und
Benutzerschnittstellen verwendet werden können. Die dritte Komponente stellt ein
Framework zur Bereitstellung von intuitiven, multimodalen Benutzerschnittstellen
für Smart Homes dar. Basierend auf einer abstrakten, modellbasierten Beschreibung
der Benutzerschnittstellen werden diese an die Situation des Benutzer und der ak-
tuellen Umgebung angepasst und ausgeliefert.
Die Implementierung wurde u.a. im Rahmen des Service Centric Home Projektes
durchgeführt und in eine Smart Home Testbed integriert. Verschiedene Dienste aus
dem Bereich Smart Home wurden implementiert und in das Testbed integriert. Dabei
konnten die Dienste und deren Entwicklung von den verschiedenen Komponenten
der Architektur profitieren.
iiAbstract
The increasing spread of computing technology in different areas of life brings with it
new possibilities but also challenges for scientists in various disciplines of computer
science. With the help of connected devices we can create smart environments that
assist the user in many ways. The miniaturization of sensors and actuators that are
integrated into everyday devices enable a gradual paradigm shift in the direction of
"ubiquitous computing".
In particular, our own living environment increasingly becomes the focus of our atten-
tion. Flats and houses become so-called smart homes. The goal of these smart homes is
support the inhabitants to more comfort, safety and energy efficiency. Multiple tech-
nologies support this approach; however, there is a lack of a unified framework that
addresses the challenges. The key challenges are the integration of different devices
using different communication technologies and protocols, the acquisition of informa-
tion from the environment and their aggregated provisioning, and the generation of
intuitively usable service.
This dissertation is concerned with research, development and evaluation of situation-
aware ubiquitous services for smart homes. We have performed an in-depth analysis
of the market, the technologies and application areas for ubiquitous services for smart
homes. Based on this analysis we have identified three main components for the im-
plementation of smart homes, supporting the implementation of ubiquitous services.
These components reduce the resulting complexity for software developers and focus
iiiattention on service-specific aspects.
The device management component thereby offers a transparent, functional model
of the underlying devices in a smart home environment. It integrates various tech-
nologies and protocols and provides an abstraction layer for the available services. A
context-and situation model provides information about the environment in a stan-
dardized form. The introduction of a situation model, which was developed analo-
gously to the human process of detection and assessment of situations, provides pro-
cessed situation information for services, which can be used for adaptation of services
and user interfaces. The third component provides a framework for the provision of
intuitive, multimodal user interfaces for smart homes. Based on an abstract, model-
based description, user interfaces are adapted to the situation of the user and the cur-
rent environment and delivered.
The implementation was done inter alia on the Service Centric Home project and inte-
grated into a smart home testbed. Several smart home applications have been imple-
mented and integrated into the testbed. This way, the services and their development
could benefit from the various components of the architecture.
ivAcknowledgments
The completion of my dissertation has been a long journey. It is true that “Life is what
happens to you while you’re busy making other plans”. I stopped counting the many
times I have been questioned whether I have have finished my PhD project yet. Many
things happened and changed while I was involved with this project. Even though my
dissertation has always been a priority, due to planned, motivating, exciting, but also
unexpected, disturbing, and bad challenges in personal and work life my dissertation
could not always be the number one priority. Without the continuous support of the
select few that I’m about to mention, I may not have gotten to where I am today.
I’d like to give special thanks to my advisor Prof. Sahin Albayrak for the great sup-
port and motivation and for giving me the opportunity to conduct my research in
the exciting environment of the DAI-Labor of the Technische Universität Berlin. He
gave me the opportunity to work with and lead the competence center Next Genera-
tion Services (NGS), providing the basis for my research. I would also like to thank
Prof. Arkady Zaslavsky for his motivating support and feedback as member of the
committee. His feedback helped to greatly to improve my thesis.
This work has been conducted as part of the research of the NGS group. All current
and former team member, in particular Marco Blumendorf, Richard Cissee, Grzegorz
Lehmann, Dirk Roscher, Frank Trollmann, Sebastian Feuerstack, Jens Wohltorf, and
every other which was not mentioned, made a direct and indirect contribution to this
work for which I’m greatly thankful.
vAnd last but not least I’d like to thank my parents for their unflagging belief, their
constant source of support, and for always being there for me. This thesis would
certainly not have existed without them.
viviii

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