seminário mestrado inatel - cidades inteligentes: clout
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SEMINÁRIO DE TP525 – REDES CONVERGENTES
Fábio Viniccius Almeida
Felipe Simões Miranda
Marília Martins Bontempo
ARQUITETURA
FERRAMENTAS
ANÁLISE
TRABALHOSFUTUROS
CONCLUSÃO
INTRODUÇÃO
Tipo do projeto: FP7-ICT-2013-EU-Japan, projeto colaborativoCódigo do projeto: EU FP7 Grant number 608641; NICT management number 167Data de início: 01/04/2013Encerramento: 31/03/2016Duração: 36 monthsCusto total: €2,3M (Europeu); €1,6M (Japonês)Financiamento solicitado: €1,5M (Europeu); €1,5M (Japonês)
O consórcio ClouT é uma forte parceria da indústria europeia e japonesa, bem como universidades e centros depesquisa nas áreas de IoT e computação em nuvem. Este consórcio é formado por 13 parceiros: 6 provenientes daEuropa e 7 do Japão.
INTRODUÇÃO
CONCEITOS INICIAIS
Cidades InteligentesUtilização de recursostecnológicos que permitem odesenvolvimento mais rápido esustentável das cidades
CloudAbrange uma coleção decomputadores dinamicamentegrupados em servidores paraprover recursos computacionaisvirtuais a qualquer consumidor
IoTConjunto de objetos etecnologias necessárias paraconexão dos mesmos com aInternet
O ClouT irá reduzir o tempo e custos para o desenvolvimento/implantação de novas aplicações através da utilização denovas parcerias público-privadas inspiradas no modelo em NUVEM, suportando estratégias de ganha-ganha para todosos stakeholders. O objetivo final é unir forças e criar uma duradoura sinergia para iniciativas de cidades inteligentes entreEuropa e Japão.
PRINCIPAIS OBJETIVOS
i. Prover uma infraestrutura urbana inteligente comcapacidade de dados e processamento para suportar aintegração entre as trilhões de coisas e as pessoas atravésde serviços virtuais na nuvem
ii. Oferecer um conjunto de ferramentas e serviços com oobjetivo de facilitar o desenvolvimento, implantação esupervisão de aplicativos IoT
iii. Fornecer acesso aos mecanismos de processamento e dados para manipulação Big Data provenientes de fontesheterogêneas em tempo “quase” real
iv. Gerar aplicações urbanas inovadoras e realizar testes de campo em quatro cidades piloto
CICLO DE DESENVOLVIMENTO
Para projetar e implementar uma plataforma globalpara Cidades Inteligentes foi utilizado um sistema dedesenvolvimento circular, dividido em 3 etapas:
1. Interação com os stakeholdersColeta de requisitos e elaboração de Casos de Uso
2. DesenvolvimentoElaboração de proposta da arquitetura eprototipagem
3. Teste de campoAplicação de pilotos em diferentes cidades (Japãoe Europa)
CLASSIFICAÇÃO DOS CASOS DE USO
• Gestão dos recursos das Cidades InteligentesPermite que os recursos da cidade sejam utilizadosfacilmente e de maneira eficiente (ex.: sensores,atuadores, carros, trens, ônibus, smartphonesetc
• Segurança e gestão de emergênciasGerenciar riscos e prover segurança aos cidadãos,seja de riscos naturais (terremotos) ou artificiais(acidentes de trânsito)
• Gestão da saúde e do bem-estar dos cidadãosTem como objetivo motivar os cidadãos a participaresde eventos na cidade (culturais, saúde etc.)
Aumentar a participação de cidadãos
Monitorar parâmetros ambientais
Tornar as cidades mais atrativas
Reduzir/Prevenir riscos
Facilitar o crescimento econômico e social das cidades
Tornar as cidades mais seguras
Apoiar os interesses dos cidadãos
Melhorar a qualidade de vida
Ajudar a diminuir custos
Pesquisa com stakeholders: Objetivos das Cidades Inteligentes
Todos os Casos de Uso recolhidos na etapa de interação com os stakeholders foramclassificados em 3 grupos após análises e discussões
Planejamento de Rota
Eventos UrbanosGestão do
tráfego
Composição dos serviçosda cidade
Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
Gerenciamento de Infraestrutura da cidade
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
Sensores e Atuadores
IoT Kernel Computação e Armazenamento
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O ClouT fornece conceitosde três camadas inspiradosnos domínios da nuvem(cloud-centric): CIaaS,CPaaS e CSaaS
Planejamento de Rota
Eventos UrbanosGestão do
tráfego
Composição dos serviçosda cidade
Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
Gerenciamento de Infraestrutura da cidade
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
Sensores e Atuadores
IoT Kernel Computação e Armazenamento
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CSaaS é composta dasaplicações construídaspelos usuários usando aCPaaS, isto é, cadaaplicação pode serdesenvolvida e operadautilizando partes específicasdas funcionalidades daCPaaS, de acordo com assuas características.
Estes 3 componentes sãoum exemplo para umaaplicação de Gestão daMobilidade (como o projetoem Santander).
CIDADES-PILOTO
Fujisawa – Promover o turismo por toda a cidadeUma aplicação que exibe em diversos pontos dacidade informações sobre o clima, temperatura,eventos, etc.Outra aplicação (Smiley Coupon) consiste emdiversos displays espalhados pela cidade para que osturistas tirem fotos neles e recebam cupons paratroca.
Display da Smiley na estação Shonandai
Mitaka – Motivar pessoas idosas para passearUm aplicativo (Android ou iPhone) do tipo redesocial promoveu visitas em 177 locais da cidade deMitaka, sendo que um usuário poderia desafiar ooutro para atingir os objetivos através de um chat.
Tela do aplicativo Sanpokisugerindo rotas para caminhada
CIDADES-PILOTO
Santander – Melhorar a experiência com a mobilidadeAlavancar a utilização eficiente de recursos detransporte da cidade, através do fornecimento deinformações sobre a frota de ônibus (localização,velocidade média, emissão de gases, ocupação etc). Épossível a combinação destas informações com as deoutros tipos de transporte como bicicleta, trem, táxi etc.
Smiley Coupon distribuído em Santander
Tela da primeira versão da Mobility App.
Genova – Auxiliar os cidadãos em situações deemergênciaInformar os cidadãos das regras e boas práticas emsituações de emergência, tais como, alagamentos,terremotos. No futuro espera-se que os dados históricosajudem a prever situações e alertar os cidadãos.
Tela inicial do aplicativo “I don’t risk” com
informações do clima, estradas etc.
Planejamento de Rota
Eventos UrbanosGestão do
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Composição dos serviçosda cidade
Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
Gerenciamento de Infraestrutura da cidade
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
Sensores e Atuadores
IoT Kernel Computação e Armazenamento
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CPaaS oferece apossibilidade dacomposição de serviços naplataforma para os usuáriosfinais, sejam eles usuáriosinexperientes que buscamunir dados e serviçosoferecidos por outrasaplicações, sejam elesdesenvolvedores quebuscam instanciar recursosda camada
Planejamento de Rota
Eventos UrbanosGestão do
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Composição dos serviçosda cidade
Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
Gerenciamento de Infraestrutura da cidade
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
Sensores e Atuadores
IoT Kernel Computação e Armazenamento
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A Composição de Serviços da Cidade agrega um conjunto defuncionalidades para permitir a implantação de serviços a partirda infraestrutura da cidade
• Composição de ServiçosContém todas as ferramentas que permitem cidadãos oudesenvolvedores criarem seus próprios serviços
• Plataforma de Desenvolvimento e Implantação
Fornece a capacidade para que cidadãos ou desenvolvedorescriem, testem e implantem as aplicações e as executem nanuvem
COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
Planejamento de Rota
Eventos UrbanosGestão do
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Acesso aos recursos da cidade
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Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
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Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
Sensores e Atuadores
IoT Kernel Computação e Armazenamento
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A principal função deste bloco é construir a camada deprocessamento de dados, ou seja, ele reúne dados de cidades apartir do componente Acesso aos Recursos de Cidade e fornecedados/eventos processados
• Processamento de Dados/EventosResponsável pelo tratamento (armazenamento eprocessamento) de dados coletados pelas várias fontes dedados e eventos da cidade
• Gerenciador de Contexto
Responsável pelo tratamento (armazenamento eprocessamento) de informações contextualizadas de altonível obtidas pelo Processamento de Dados/Eventos
COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
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Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
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Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
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Fornece todas as funcionalidades necessárias para acessar osmódulos desenvolvidos e implantados na camada CIaaS
• Acesso aos Dados da CidadeGerencia e orquestra o acesso ao framework de Gestão deServiço (dentro do Gerenciamento de Infraestrutura daCidade) para manipulação de dados e o bloco Segurança ePrivacidade para validação de credencias de usuários parautilização de recursos
• Acesso aos eventos da Cidade
Gerencia e orquestra o acesso aos eventos da cidade e obloco Segurança e Privacidade para validação de credenciasde usuários para utilização de recursos
COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
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Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
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Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
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CIaaS expõe os recursosfísicos em uma API abertade forma homogênea.Permitindo que um serviçoutilize uma entidadevirtualizada ao invés deuma entidade concreta afim de gerir os recursos deforma flexível
Planejamento de Rota
Eventos UrbanosGestão do
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Composição dos serviçosda cidade
Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
Gerenciamento de Infraestrutura da cidade
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
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IoT Kernel Computação e Armazenamento
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COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
Este bloco funcional dá acesso aos Recursos da Cidade. Sua funçãobásica é manter as ligações entre as entidades e dispositivosfísicos com os dispositivos virtualizados, tornando suascapacidades pesquisáveis sob a forma de serviços para as camadaslógicas a cima.
• Gestão de ServiçoResponsável por abstrair os recursos da cidade como serviços
• Gestão do Acesso aos Recursos
Encarregada da comunicação com os sensores físicos ouvirtuais
• Gestão das Entidades da Cidade
Registra o relacionamento entre as Entidades e osdispositivos IoT
Acesso aos recursos da cidade
Gerenciamento de Infraestrutura da cidade
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
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A Interoperabilidade e Virtualização dos Recursos da Cidade éresponsável pela validação e conversão, incluindo análisessemânticas e sintáticas dos dados brutos coletados a partir dosdispositivos de IoT. Além disso, inclui a capacidade de virtualizaçãodos sensores e atuadores, estendendo a oferta de funcionalidadesabstratas
• Interoperabilidade Semântica e SintáticaTransforma dados não estruturados brutos em legíveis e bemestruturados e, finalmente, em dados contextualizados paraa compreensão humana
• Gestão do Acesso aos Recursos
Encarregado de acessar, abstrair, gerenciar e mapear osrecursos físicos/virtuais da cidade.
COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
Sensores e Atuadores
IoT Kernel Computação e Armazenamento
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Sensores e Atuadores
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Bloco encarregado por orquestrar os sensores e atuadores dascidades. Além disso, ele transforma os recursos legados em smartobjects. Este componente possui as funcionalidades de extrairdados contextualizados de fontes externas da web (redes sociais elegado), como por exemplo uma rede social, e oferecer acesso viaAPI para os sensores.
• Habilitador da Rede de Sensores e AtuadoresTransforma os dispositivos legados e os dados na web emsensores e atuadores IoT
• Redutor de Ruídos
Neste componente são removidos os erros nos dispositivosweb para usá-los como sensores IoT
• Acesso Uniforme a Sensores e Atuadores
Este componente provê uma API para acesso uniforme aosdispositivos virtualizados IoT
Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
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COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
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Gateway IoT multiprotocolos para gestão e coleta de fluxo dedados provenientes de dispositivos heterogêneos
• Acesso Uniforme aos Dispositivos IoTResponsável pela abstração dos dispositivos, implementandouma API para acesso transparente às camadas superiores
• Gestão dos Dispositivos de IoT
Responsável pela tarefas de gestão nos dispositivos, comoparametrizar a frequência com que os dados são enviados etc
• Dispositivos IoT
Nível mais baixo das camadas, sendo o responsável pelainteração de cada dispositivo com o meio físico e osprotocolos de comunicação
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É composto por todos os recursos de computação físicos e virtuaisda cidade. Este bloco inclui todo o hardware e softwarenecessário para a plataforma oferecer uma infraestrutura decomputação em nuvem escalável e confiável para que os demaisserviços assentem suas fundações.
• Computação como ServiçoOferece recursos de computação virtualizada como máquinasvirtuais sendo executadas em nós expostos e alocadosdinamicamente
• Armazenamento como Serviço
Realizado através de um sistema de arquivos escalávelacoplados à uma API para garantir a interoperabilidade eportabilidade dos dados
COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
Gerenciamento de Infraestrutura da cidade
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Segurança e Privacidadefornece todafuncionalidade desegurança, incluindo osprotocolos utilizados paravalidar e autorizar o acessoaos demais módulos
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Possui dois objetivos principais: proporcionar uma estrutura dearmazenamento e acesso de dados com segurança e,gerenciamento e garantia da confiabilidade do sistema(permitindo o monitoramento, detecção e recuperação de falhas)
• Autenticação, Autorização e AuditoriaOferece uma API para fornecer acesso para as camadas CIaaSe CPaaS
• Criptografia
Abrange as tecnologias e protocolos utilizados paracriptografar dados e comunicações entre as aplicações e oscomponentes
• Monitoramento de Confiabilidade
Monitora todos os recursos de hardware e software emexecução na CIaaS e na CPaaS, este bloco é capaz de checar ostatus dos serviços/dispositivos com baixo overhead
COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES
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EXEMPLO
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Entidade
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aSServiço de infraestrutura da cidade
AçõesDados
EXPÕE OS RECURSOS
Liga Alerta Brilho
Exemplo de iluminação pública
1. As lâmpadas/sensores são representadasna camada CIaaS como entidades deinfraestrutura da cidade
2. As entidades exportam suasfuncionalidades como serviços
3. Os serviços expõem suas funcionalidadescomo recursos de iluminação
4. As ações “Liga” e “Alerta” são asfuncionalidades acessadas pela aplicação
5. “Brilho” representa o estado atual daluminosidade de cada lâmpada
FERRAMENTAS
As definições das ferramentas utilizadasna infraestrutura de referência da ClouT,tiveram como base as ferramentastestadas nos projetos pilotos
A referência final, traz a descrição dasferramentas definidas para cada módulo
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• Composição dos serviços da cidadeApache Shinding – implementar um container, emconformidade com as especificações de gadgets open social
• Processamento de dados da cidadeEsper CEP ENGINE - atender aos requisitos de aplicativos queanalisam e reagem a eventos.
• Acesso aos recursos da cidadeCloud Data Management Interface for Swift – Protocoloque define operações em RESTful para acesso ao Open StackSwift
OpenstackHeat, Mash-up Markup Language, Open Social,
Apache Shindig, BPMN, …
Orion Context Broker, MongoDB, MySQL, ESPER CEP
CDMI for Swift, Apache Tomcat
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Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade
Sensores e Atuadores
IoT Kernel Computação e Armazenamento
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Eventos Urbanos Gestão do tráfego
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aS Planejamento de Rota
Eventos Urbanos Gestão do tráfego
Composição dos serviçosda cidade
Processamento de dados da cidade
Acesso aos recursos da cidade
Smart Santander, Butler GW, UDDI, WSDL, JSDL, USDL …
XML, JSON, Sesame, Neo4j, JSONLD, XMPP, PIAX e DNS
XMPP, Google Chrome, Arduino ...
ButlerGW, CoRECoAP, 6LoWPAN...
OpenstackCloud / Swift, IDAS, Gluster
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• Gerenciamento de Infraestrutura da cidadeUniversal Service Description Language - é um padrão deformato para descrever o serviço onipresente, permite queos aplicativos encontrem vários serviços em um ambientediferente
• Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidadeNEO4J – Banco de dados gráfico de código aberto
• Computação e ArmazenamentoOpenstack Swift – Software de armazenamento redundanteem nuvem
• Sensores e atuadoresArduino –Plataforma de prototipagemaberta (hw e sw)
• IoT KernelConstraint Application Protocol – é um protocoloespecializadoem transferênciaweb para ambientes restritos
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aSO protocolo SSL provê a privacidade e a integridade de dadosentre duas aplicações que comuniquem pela internet. Issoocorre por intermédio da autenticação das partes envolvidase da cifragem dos dados transmitidos entre as partes.
O Zabbix é uma ferramenta de código aberto projetada para monitorarredes, servidores, ferramentas e outros hardwares através de um servidorbaseado em Linux.
Solução orientada a serviços para gerenciamento deusuários, autenticação, autorização, contabilidade, federaçãode identidade e delegação.
ANÁLISE
• Comparação entre os principais projetos europeus IoT-A FIWARE SMARTSANTANDER BUTTLER GAMBAS Critérios
EndereçamentoTecnologia utilizada para identificação dos dispositivos
API abertaAbertura do projeto para que qualquer pessoa desenvolvaaplicações
SegurançaFerramenta(s) ou protocolo(s) utilizados para este fim
ElasticidadeCapacidade da plataforma de alterar seus recursos para atenderaumento da demanda
IOT-A
• Modelo de Referência (ARM)• Alcançar interoperabilidade de ponta-a-ponta• Desenvolver ferramentas de modelagem e uma linguagem
de descrição para as interações de processo orientadas parao objetivo do IoT (negócios)
• Derivar mecanismos adaptativos para orquestraçãodistribuída de interações de recursos de IoT expondopropriedades self-*
• Integrar holisticamente mecanismos de segurança eprivacidade eficazes e eficientes em dispositivos IoT e nosprotocolos e serviços que eles utilizam.
• Desenvolver uma nova infra-estrutura de resolução para oIoT, permitindo a pesquisa escalável e descoberta derecursos IoT, entidades do mundo real e suas associações
Características
Análise
Endereçamento: IPAPI aberta: SimSegurança: AKEElasticidade: Sim
IOT-A
FIWARE
• Plataforma aberta que integra serviços usando NGSIs• Novos serviços adicionados: GEs (Generic Enablers)• O ciclo de vida dos serviços é suportado por características
OpenStack• Acesso por tokens, KeyRock, OAuth 2.0 e AuthZForce
Análise
Endereçamento: IPAPI aberta: SimSegurança: OAuth2Elasticidade: Sim
FIWARE
O projeto prevê a implantação de 20.000sensores em Belgrado, Guildford, Lübeck eSantander (12.000), explorando uma grandevariedade de tecnologias.
Análise
Endereçamento: IPAPI aberta: SimSegurança: Apache Shiro Java Security FrameworkElasticidade: Sim
SMARTSANTANDER
SMARTSANTANDER
Mais de 400 sensores magnéticos aterrados no asfalto.
60 sensores de tráfego.
SMARTSANTANDER
BUTLER
• Propósito: Habilitar o desenvolvimento deaplicativos seguros e inteligentes deassistência à vida, graças a um sistema deinformação abrangente e comconhecimento de contexto e local
• O projeto buscava contribuir para o avançodos Ambient Assisted Living e dasinterações Homem-Construções
• Context-awareness• Projeto encerrado.
Análise
Endereçamento: IPAPI aberta: SimSegurança: OpenAuth, GBA(3GPP)Elasticidade: Sim
GAMBAS
• Propósito: desenvolver um middlewareinovador e adaptável para permitir apreservação da privacidade e a utilizaçãoautomatizada de serviços orientados porcomportamento que se adaptem de formaautônoma ao contexto dos usuários.
• Orçamento: 3.105.024 €• Financiamento: 2.194.000 €• Duração: 36 Meses• Kickoff: Fevereiro de 2012
Análise
Endereçamento: IPv4API aberta: SimSegurança: PIKEElasticidade: Sim
TRABALHOS FUTUROS
Este projeto é financiado em conjunto com aEuropean Union’s Horizon 2020 research
BigClouTBig data meeting Cloud and IoT for empowering the citizen clout in smart cities
Construir uma arquitetura interoperávelpermitindo aplicativos IoT orientados adados
Habilitar o self-awareness em umaplataforma de Cidade Inteligente
Fornecer bibliotecas e ferramentas paraextração de conhecimento escalável apartir de fontes de informação distribuídasem áreas urbanas
CONCLUSÃO
As Cidades Inteligentes se apresentam como uma estrutura única para a criaçãode cidades sustentáveis por meio de novas aplicações e serviços baseados emtecnologias no estado da arte, e para a criação de inovações em ICT com oenvolvimento dos usuários/cidadãos através de comunidades Living Labs.
Projeto fortemente centrado na nuvem, tirando proveito das capacidades
virtualmente infinitas de computação para processamento e armazenamento dedados
API aberta que permite que as soluções emerjam de acordo com as
necessidades dos cidadãos
REFERÊNCIAS
[1] D. Miorandi, S. Sicari, F. De Pellegrini, and I. Chlamtac, “Internet of things: Vision, applications and research challenges,” Ad HocNetworks, vol. 10, no. 7, pp. 1497–1516, Sep. 2012. [Online]. Available: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1570870512000674[2] R. Buyya, C. S. Yeo, and S. Venugopal, “Market-Oriented Cloud Computing: Vision, Hype, and Reality for Delivering IT Services asComputing Utilities.” IEEE, Sep. 2008, pp. 5–13. [Online]. Available: http://ieeexplore.ieee.org/document/4637675/[3] J. von Uexk¨ull and H. Girardet, “Shaping our future: Creating the world future council,” 2005.[4] C. Formisano, D. Pavia, L. Gurgen, T. Yonezawa, J. A. Galache, K. Doguchi, and I. Matranga, “The advantages of iot and cloud applied tosmart cities,” in Future Internet of Things and Cloud (FiCloud), 2015 3rd International Conference on. IEEE, 2015, pp. 325–332.[5] J. H. Lee, M. G. Hancock, and M.-C. Hu, “Towards an effective framework for building smart cities: Lessons from seoul and san francisco,”Technological Forecasting and Social Change, vol. 89, pp. 80–99, 2014.[6] J. A. Galache, T. Yonezawa, L. Gurgen, D. Pavia, M. Grella, and H. Maeomichi, “Clout: Leveraging cloud computing techniques forimproving management of massive iot data,” in 2014 IEEE 7th International Conference on Service-Oriented Computing and Applications.IEEE, 2014, pp. 324–327.[7] BUTLER, “BUTLER.” [Online]. Available: http://www.iot-butler.eu/[8] “iCore project.” [Online]. Available: http://www.iot-icore.eu/[9] “Internet of Things - Architecture — IOT-A: Internet of Things Architecture.” [Online]. Available: http://www.iot-a.eu/public[10] “Open311.” [Online]. Available: http://www.open311.org/
REFERÊNCIAS
[11] “SmartSantander.” [Online]. Available: http://www.smartsantander.eu/[12] “FIWARE.” [Online]. Available: https://www.fiware.org/[13] T. Yonezawa, I. Matranga, J. A. Galache, H. Maeomichi, L. Gurgen, and T. Shibuya, “A citizen-centric approach towards global-scale smartcity platform,” in Recent Advances in Internet of Things (RIoT), 2015 International Conference on. IEEE, 2015, pp. 1–6.[12] “ClouT.” [Online]. Available: http://clout-project.eu/[13] “Big Clout.” [Online]. Available: http://bigclout.eu/