M2M  Protocol  Interoperability    MQTT  CoAP  HTTP  REST  Bridge  Using    IoT  Toolkit  and  the  Smart  Object  API  

Michael  J  Koster  michaeljohnkoster@gmail.com  

IoT  Toolkit  Goals  •  Interoperability  –  Any  ApplicaJon,  any  connected  object,  using  any  M2M  protocol  

•  Simple  API  arJculated  through  data  models  and  high  level  informaJon  models  

•  PlaOorm-­‐as-­‐a-­‐Service  and  gateway  enabled  •  Open  Source,  IPR-­‐free    •  Distributed,  event-­‐driven  applicaJon  soSware  runs  anywhere  in  the  network  

•  Web  standard  protocols  and  best  pracJces  

API  

IoT  1.0  –  Things  Connected  to  Apps  

M2M  CoAP  

M2M  MQ  

M2M  XMPP  

M2M  HTTP  

App  

API  

App  

API  

App  

API  

App  

•  App  runs  on  single  service  –  Single  Points  Of  Failure  

•  Each  app  wriYen  to  a  custom  API  

•  Diverse  M2M  is  someJmes  required  but  can  inhibit  interoperability  

•  SoSware,  User  data,  and  Things  are  trapped  in  Silos  

•  Difficult  to  connect  new  types  of  things  and  deploy  new  plaOorms  

•  Very  difficult  to  share  resources  or  connect  across  plaOorms  

•  Apps  are  not  network-­‐effect  enabled  

Connected  Things,  Sensors,  Actuators,  Data  Sources  

IoT  2.0  –  Interoperability  

M2M  CoAP   M2M  

MQTT  M2M  XMPP  

M2M  HTTP  

Smart  Object  API  IoT  Toolkit  

Discovery  

ApplicaJons  

Data  Models  

•  Object  Model  •  REST  +  Event  Model  •  M2M  Abstrac9ons  

IoT  Toolkit  

Connected  Things,  Sensors,  Actuators,  Data  Sources  

Model  Database  

•  Easy  to  deploy  new  things  and  applicaJons  using  data  models  

•  Write  once,  run  anywhere  soSware  

•  Any  app  to  any  thing  via  any  M2M,  use-­‐case  appropriate  M2M    

•  Network  effect  enabled   Machine  

Models  

Graph-­‐Structured,  Event-­‐Driven,    Real  Time  Distributed  ApplicaJons  

SO  

SO  

SO  

Gateways   Server  Cloud  Endpoints  

•  Sensors  •  Devices  

ApplicaJon    Components    

And    Resources  

Databases  

Registry  -­‐  Instances  

Repository  -­‐  Models  

Models  

• Discovery  • Persistence  • ReplicaJon  • Resource  Access  

• Data  Models    • Sensor  Models  • Machine  Models  • Templates  

HTTP  

MQTT  

CoAP  

XMPP  HTTP  

CoAP  

MQTT  

Smart    Objects  

What  Is  The  Smart  Object  API?  •  Virtual  RepresentaJon  of  a  physical  Smart  Object  •  Object  Model  –  Web  Object  EncapsulaJon  of  properJes  

•  REST  API  using  JSON,  XML,  RDF,  core-­‐link-­‐format  representaJons  

•  Data  Models  –  Linked  Data  descripJons,  Resource  Discovery  and  Linkage  

•  Event  Model  –  Asynchronous  M2M  and  applicaJon  soSware  event  handlers  

Object  Model  Web  Object  EncapsulaJon    

Smart  Object  

Web  protocol  interfaces,  also  M2M  e.g.  MQTT,  XMPP,  …  

Event  Model  Links  data  with  acJons  Pub-­‐Sub  and  event  handlers  

Encapsulates  local  soSware    components  and  handlers  

Self-­‐describing  data  model  For  Resource  Discovery    

and  Linkage,  RDF  and  core-­‐link-­‐format  

Sensor  or  other  data    JSON,  XML,  data  feeds  

API  –  DescripJon    (Data  Model)  

•  Contains  graphs  describing  the  resource  data  model    

•  RDF  triples  in  many  popular  representaJons  – create  (POST)  loads  a  graph  into  the  descripJon  delete  (DELETE)  removes  a  graph  or  subgraph  from  the  descripJon  

– set  (PUT)  updates  a  graph  or  subgraph  – get  (GET)  returns  a  graph  or  subgraph  

•  SemanJc  Proxy  for  core-­‐link-­‐format  compaJbility  

API  –  Observable  Property    

•  Represents  sensor  data  or  a  data  feed  •  Can  be  JSON,  xml,  text,  or  other  content  type  – create  (POST):  make  new  observable  property  – delete  (DELETE)  remove  observable  property  – set  (PUT)  update  ObservaJon  Value  or  data  feed  – get  (GET)  returns  the  current  ObservaJon  Value  

•  Formats  for  embedded  Jme  +  locaJon  data  

API  –  Agent  

•  Container  for  Event  Handlers,  soSware  components  invoked  within  the  local  context  of  a  Smart  Object  

•  Observer  class  invokes  Event  Handler  code  in  the  Agent  

•  Reference  ImplementaJon  –  create  (POST)  make  a  new  code  object  instance  

•  handler  or  daemon  –  delete  (DELETE)  remove    code  instance  –  set  (PUT)  updates  segng  of  a  code  instance  –  get  (GET)  returns  segng  of  a  code  instance  

API  –  Observers  

•  Contains  graphs  which  define  the  nodes  and  endpoints  of  event  driven  processing  

•  Publish,  Subscribe,  and  Event  Handler  paYerns  •  Reference  ImplementaJon  – create  (POST)  make  a  new  Observer    – set  (PUT)  update  an  Observer’s  segngs  – get  (GET)  return  an  Observer’s  segngs  – delete  (DELETE)  remove  an  Observer  

Smart  Object  Structure  –  Object  Model  

Smart  Object  

DescripJon  

ObservableProperty  

ObservableProperty…  

Agent  

Publisher  Subscriber  Handler  

PropertyOfInterest  

DescripJon  

Observers  

Handler  Instance  Daemon  

Default  Property  

REST  API  •  Python  API  –  Local  SoSware,  Agents  and  Handlers  –  Resources  (objects)  are  hierarchical  properJes  of  other  resources  

–  self.indoorTempValue = sensors.weather.indoor_temp.get()!

•  Web  API  –  HYp  and  CoAP  REST  Client  access,  MQTT  topics  –  Resources  are  organized  in  hierarchical  path  –  GET http:my_server:8000/sensors/weather/indoor_temp!–  GET coap:my_server:5683/sensors/weather/indoor_temp!–  MQTT subscribe my_server:1883 /sensors/weather/indoor_temp!

•  Default  Property  –  Returns  a  resource  associated  with  a  higher  level  resource  –  GET  of  Smart  Object  returns  it’s  DescripJon;  GET  of  Observable  Property  returns  it’s  ObservaJon  Value  

Protocol  Bridge  Examples  

•  MQTT  Endpoints  and  Bridge  using  Observer  •  CoAP  Server  Endpoint  and  link-­‐data  Proxy  

MQTT  Observer  

MQTT  Broker  

REST  Endpoint  ObservableProperty  

mqYObserver  

PUT   GET  

Publish  from  data  producer  

Publish  From  REST  API  

Publish  to  Other  Subscribers  

SUB  Publish  to  REST  API    

Connects  REST  Resource  to  MQTT  Topic  Publish  and  Subscribe  

MQTT  Observer  

MQTT  Broker  

REST  Endpoint  ObservableProperty  

mqYObserver  

PUT   GET  

Publish  from  data  producer  

Publish  From  REST  API  

Publish  to  Other  Subscribers  

SUB  Publish  to  REST  API    

Publisher    Publishes  REST  Resource  updates  to  the  broker  

MQTT  Observer  

MQTT  Broker  

REST  Endpoint  ObservableProperty  

mqYObserver  

PUT   GET  

Publish  from  data  producer  

Publish  From  REST  API  

Publish  to  Other  Subscribers  

SUB  Publish  to  REST  API    

Subscriber    Makes  last  published  data  available  at  the  REST  endpoint  

MQTT  Observer  

MQTT  Broker  

REST  Endpoint  ObservableProperty  

mqYObserver  

PUT   GET  

Publish  from  data  producer  

Publish  From  REST  API  

Publish  to  Other  Subscribers  

SUB  Publish  to  REST  API    

Pub+Sub  Repeats  data  updates  in  both  direcJons  

MQTT  Bridge  to  mulJple  REST  endpoints  

MQTT  Broker  

REST  Endpoint  ObservableProperty  

mqYObserver  

PUT   GET  

Publish  from  data  producer  

Publish  to  Other  Subscribers  

REST  Endpoint  ObservableProperty  

mqYObserver  

PUT   GET  

CoAP  Server  Endpoint  

Smart  Object  

JSON  

JSON  

JSON  

RDF  

SemanJc  Proxy  

RDF  

link-­‐format  

•  CompaJble  Object  Models  

•  Observer  paYern  •  Standard  JSON  Resources  

•  SemanJc  Proxy  exposes  stored  RDF  via  core-­‐link-­‐format  GET/POST  operaJons  

IoT  Toolkit  Protocol  Interoperability  

CoAP  

MQTT  

MQTT  HTTP  

smartobjectservice.com  

ec2-­‐54-­‐200-­‐106-­‐25.us-­‐west-­‐2.compute.amazonaws.com  

IoT  Toolkit  

•  IoT  Toolkit  is  a  reference  implementaJon  of  the  Smart  Object  API  and  related  tools  

•  REST  API  with  real-­‐Jme  event  model  for  the  Internet  of  Things  

•  Lightweight  server  that  can  run  on  small  computers  e.g.  Raspberry  Pi,  ARM/Linux  PC,  AWS  t1.micro  

•  M2M  using  HTTP,  MQTT,  and  CoAP,  others  

IoT  Toolkit  Project  Status  •  Smart  Object  API  is  complete  and  stable  •  IoT  Toolkit  Demo    •  M2M  interoperability:  MQTT,  CoAP,  HTTP  interfaces    •  Development  Roadmap  Examples  –  Harden  code,  excepJon  handling,  API  Tests  –  Scalable  server,  mulJ-­‐tenancy,  persistence  models  –  Graph-­‐based  resource  access  control  –  Data  model  API  for  resource  discovery  and  linkage  –  XMPP  endpoint  and  proxy  for  XEP-­‐0060,  XEP-­‐0323,  XEP-­‐0325  

–  Programming  model  UI  e.g.  Node  Red  – Web  UI  for  debug  and  demo,  applicaJons  

•  Navigator,  Dashboard,  AnalyJcs,  Graphs  and  Charts