ClouT Seminario Redes Convergentes Mestrado INATEL

ClouT: Resenha e Análise das Perspectivas de uma Arquitetura de Referência para Cidades Inteligentes

SEMINÁRIO DE TP525 – REDES CONVERGENTES

Fábio Viniccius AlmeidaFelipe Simões Miranda

Marília Martins Bontempo

ClouT: Cloud of Things for empowering the citizen clout in smart cities

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 de pesquisa nas áreas de IoT e computação em nuvem. Este consórcio é formado por 13 parceiros: 6 provenientes da Europa e 7 do Japão.

INTRODUÇÃO

CONCEITOS INICIAIS

Cidades InteligentesUtilização de recursos tecnológicos que permitem o desenvolvimento mais rápido e sustentável das cidades

CloudAbrange uma coleção de computadores dinamicamente grupados em servidores para prover recursos computacionais virtuais a qualquer consumidor

IoTConjunto de objetos e tecnologias necessárias para conexão dos mesmos com a Internet

O ClouT irá reduzir o tempo e custos para o desenvolvimento/implantação de novas aplicações através da utilização de novas parcerias público-privadas inspiradas no modelo em NUVEM, suportando estratégias de ganha-ganha para todos os stakeholders. O objetivo final é unir forças e criar uma duradoura sinergia para iniciativas de cidades inteligentes entre Europa e Japão.

PRINCIPAIS OBJETIVOS

i. Prover uma infraestrutura urbana inteligente com capacidade de dados e processamento para suportar a integração entre as trilhões de coisas e as pessoas através de serviços virtuais na nuvem

ii. Oferecer um conjunto de ferramentas e serviços com o objetivo de facilitar o desenvolvimento, implantação e supervisão de aplicativos IoT

iii. Fornecer acesso aos mecanismos de processamento e dados para manipulação Big Data provenientes de fontes heterogêneas 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 global para Cidades Inteligentes foi utilizado um sistema de desenvolvimento circular, dividido em 3 etapas:

1. Interação com os stakeholdersColeta de requisitos e elaboração de Casos de Uso

2. DesenvolvimentoElaboração de proposta da arquitetura e prototipagem

3. Teste de campoAplicação de pilotos em diferentes cidades (Japão e Europa)

CLASSIFICAÇÃO DOS CASOS DE USO

• Gestão dos recursos das Cidades InteligentesPermite que os recursos da cidade sejam utilizados facilmente e de maneira eficiente (ex.: sensores, atuadores, carros, trens, ônibus, smartphones etc

• 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 participares de 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 foram classificados em 3 grupos após análises e discussões

Planejamento de Rota Eventos Urbanos Gestão do

tráfego

Composição dos serviços da cidade

Processamento de dados da cidade

Acesso aos recursos da cidade

Gerenciamento de Infraestrutura da cidade

Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidadeSensores e Atuadores IoT Kernel Computação e

Armazenamento

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O ClouT fornece conceitos de três camadas inspirados nos domínios da nuvem (cloud-centric): CIaaS, CPaaS e CSaaS


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CSaaS é composta das aplicações construídas pelos usuários usando a CPaaS, isto é, cada aplicação pode ser desenvolvida e operada utilizando partes específicas das funcionalidades da CPaaS, de acordo com as suas características.

Estes 3 componentes são um exemplo para uma aplicação de Gestão da Mobilidade (como o projeto em Santander).

CIDADES-PILOTO

Fujisawa – Promover o turismo por toda a cidadeUma aplicação que exibe em diversos pontos da cidade informações sobre o clima, temperatura, eventos, etc.Outra aplicação (Smiley Coupon) consiste em diversos displays espalhados pela cidade para que os turistas tirem fotos neles e recebam cupons para troca.

Display da Smiley na estação Shonandai

Mitaka – Motivar pessoas idosas para passearUm aplicativo (Android ou iPhone) do tipo rede social promoveu visitas em 177 locais da cidade de Mitaka, sendo que um usuário poderia desafiar o outro para atingir os objetivos através de um chat.

Tela do aplicativo Sanpoki sugerindo rotas para caminhada

CIDADES-PILOTO

Santander – Melhorar a experiência com a mobilidadeAlavancar a utilização eficiente de recursos de transporte da cidade, através do fornecimento de informações sobre a frota de ônibus (localização, velocidade média, emissão de gases, ocupação etc). É possível a combinação destas informações com as de outros 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 de emergênciaInformar os cidadãos das regras e boas práticas em situações de emergência, tais como, alagamentos, terremotos. No futuro espera-se que os dados históricos ajudem a prever situações e alertar os cidadãos.

Tela inicial do aplicativo “I

don’t risk” com informações do clima, estradas

etc.


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CPaaS oferece a possibilidade da composição de serviços na plataforma para os usuários finais, sejam eles usuários inexperientes que buscam unir dados e serviços oferecidos por outras aplicações, sejam eles desenvolvedores que buscam instanciar recursos da camada


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Composição dos serviçosda cidade





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COMPOSIÇÃO DOS SERVIÇOS DA CIDADE A Composição de Serviços da Cidade agrega um conjunto de funcionalidades para permitir a implantação de serviços a partir da infraestrutura da cidade

BLOCOS FUNCIONAIS• Composição de Serviços

Contém todas as ferramentas que permitem cidadãos ou desenvolvedores criarem seus próprios serviços

• Plataforma de Desenvolvimento e ImplantaçãoFornece a capacidade para que cidadãos ou desenvolvedores criem, testem e implantem as aplicações e as executem na nuvem

COMUNICAÇÃO ENTRE COMPONENTES


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PROCESSAMENTO DE DADOS DA CIDADE A principal função deste bloco é construir a camada de processamento de dados, ou seja, ele reúne dados de cidades a partir do componente Acesso aos Recursos de Cidade e fornece dados/eventos processados

BLOCOS FUNCIONAIS• Processamento de Dados/Eventos

Responsável pelo tratamento (armazenamento e processamento) de dados coletados pelas várias fontes de dados e eventos da cidade

• Gerenciador de ContextoResponsável pelo tratamento (armazenamento e processamento) de informações contextualizadas de alto nível obtidas pelo Processamento de Dados/Eventos



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ACESSO AOS RECURSOS DA CIDADE Fornece todas as funcionalidades necessárias para acessar os módulos desenvolvidos e implantados na camada CIaaS

BLOCOS FUNCIONAIS• Acesso aos Dados da Cidade

Gerencia e orquestra o acesso ao framework de Gestão de Serviço (dentro do Gerenciamento de Infraestrutura da Cidade) para manipulação de dados e o bloco Segurança e Privacidade para validação de credencias de usuários para utilização de recursos

• Acesso aos eventos da CidadeGerencia e orquestra o acesso aos eventos da cidade e o bloco Segurança e Privacidade para validação de credencias de usuários para utilização de recursos






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CIaaS expõe os recursosfísicos em uma API aberta de forma homogênea. Permitindo que um serviço utilize uma entidade virtualizada ao invés de uma entidade concreta a fim de gerir os recursos de forma flexível


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GERENCIAMENTO DE INFRAESTRUTURA DA CIDADE


Este bloco funcional dá acesso aos Recursos da Cidade. Sua função básica é manter as ligações entre as entidades e dispositivos físicos com os dispositivos virtualizados, tornando suas capacidades pesquisáveis sob a forma de serviços para as camadas lógicas a cima.BLOCOS FUNCIONAIS• Gestão de Serviço

Responsável por abstrair os recursos da cidade como serviços

• Gestão do Acesso aos RecursosEncarregada da comunicação com os sensores físicos ou virtuais

• Gestão das Entidades da CidadeRegistra o relacionamento entre as Entidades e os dispositivos IoT



Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidade

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INTEROPERABILIDADE E VIRTUALIZAÇÃO DOS RECURSOS DA CIDADEA Interoperabilidade e Virtualização dos Recursos da Cidade é responsável pela validação e conversão, incluindo análises semânticas e sintáticas dos dados brutos coletados a partir dos dispositivos de IoT. Além disso, inclui a capacidade de virtualização dos sensores e atuadores, estendendo a oferta de funcionalidades abstratasBLOCOS FUNCIONAIS• Interoperabilidade Semântica e Sintática

Transforma dados não estruturados brutos em legíveis e bem estruturados e, finalmente, em dados contextualizados para a compreensão humana

• Gestão do Acesso aos RecursosEncarregado de acessar, abstrair, gerenciar e mapear os recursos físicos/virtuais da cidade.



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SENSORES E ATUADORES Bloco encarregado por orquestrar os sensores e atuadores das cidades. Além disso, ele transforma os recursos legados em smart objects. Este componente possui as funcionalidades de extrair dados contextualizados de fontes externas da web (redes sociais e legado), como por exemplo uma rede social, e oferecer acesso via API para os sensores.BLOCOS FUNCIONAIS• Habilitador da Rede de Sensores e Atuadores

Transforma os dispositivos legados e os dados na web em sensores e atuadores IoT

• Redutor de RuídosNeste componente são removidos os erros nos dispositivos web para usá-los como sensores IoT

• Acesso Uniforme a Sensores e AtuadoresEste componente provê uma API para acesso uniforme aos dispositivos virtualizados IoT

Interoperabilidade e virtualização de recursos da cidadeSensores e Atuadores

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IoT KERNEL Gateway IoT multiprotocolos para gestão e coleta de fluxo de dados provenientes de dispositivos heterogêneos

BLOCOS FUNCIONAIS• Acesso Uniforme aos Dispositivos IoT

Responsável pela abstração dos dispositivos, implementando uma API para acesso transparente às camadas superiores

• Gestão dos Dispositivos de IoTResponsável pela tarefas de gestão nos dispositivos, como parametrizar a frequência com que os dados são enviados etc

• Dispositivos IoTNível mais baixo das camadas, sendo o responsável pela interação de cada dispositivo com o meio físico e os protocolos de comunicação



IoT Kernel

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COMPUTAÇÃO E ARMAZENAMENTO É composto por todos os recursos de computação físicos e virtuais da cidade. Este bloco inclui todo o hardware e software necessário para a plataforma oferecer uma infraestrutura de computação em nuvem escalável e confiável para que os demais serviços assentem suas fundações.BLOCOS FUNCIONAIS• Computação como Serviço

Oferece recursos de computação virtualizada como máquinas virtuais sendo executadas em nós expostos e alocados dinamicamente

• Armazenamento como ServiçoRealizado através de um sistema de arquivos escalável acoplados à uma API para garantir a interoperabilidade e portabilidade dos dados



Computação e Armazenamento

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Segurança e Privacidade fornece toda funcionalidade de segurança, incluindo os protocolos utilizados para validar e autorizar o acesso aos demais módulos


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SEGURANÇA E PRIVACIDADE Possui dois objetivos principais: proporcionar uma estrutura de armazenamento e acesso de dados com segurança e, gerenciamento e garantia da confiabilidade do sistema (permitindo o monitoramento, detecção e recuperação de falhas)BLOCOS FUNCIONAIS• Autenticação, Autorização e Auditoria

Oferece uma API para fornecer acesso para as camadas CIaaS e CPaaS

• CriptografiaAbrange as tecnologias e protocolos utilizados para criptografar dados e comunicações entre as aplicações e os componentes

• Monitoramento de ConfiabilidadeMonitora todos os recursos de hardware e software em execução na CIaaS e na CPaaS, este bloco é capaz de checar o status dos serviços/dispositivos com baixo overhead



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EXEMPLO

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SServiço de infraestrutura da cidade

AçõesDados

EXPÕE OS RECURSOS

Liga Alerta Brilho

Exemplo de iluminação pública

1. As lâmpadas/sensores são representadas na camada CIaaS como entidades de infraestrutura da cidade

2. As entidades exportam suas funcionalidades como serviços

3. Os serviços expõem suas funcionalidades como recursos de iluminação

4. As ações “Liga” e “Alerta” são as funcionalidades acessadas pela aplicação

5. “Brilho” representa o estado atual da luminosidade de cada lâmpada

DISPOSITIVOS FÍSICOS

FERRAMENTAS

As definições das ferramentas utilizadas na infraestrutura de referência da ClouT, tiveram como base as ferramentas testadas nos projetos pilotos A ClouT propõe a idéia do reuso

de ferramentas

A referência final, traz a descrição das ferramentas definidas para cada módulo

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• Composição dos serviços da cidadeApache Shinding – implementar um container, em conformidade com as especificações de gadgets open social

• Processamento de dados da cidadeEsper CEP ENGINE - atender aos requisitos de aplicativos que analisam e reagem a eventos.

• Acesso aos recursos da cidade Cloud Data Management Interface for Swift – Protocolo que define operações em RESTful para acesso ao Open Stack Swift

FERRAMENTAS E COMPONENTES UTILIZADOS

Openstack Heat, Mash-up Markup Language, Open Social,

Apache Shindig, BPMN, …

Orion Context Broker, MongoDB, MySQL, ESPER CEP

CDMI for Swift, Apache Tomcat



Sensores e Atuadores IoT Kernel Computação e

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Planejamento de Rota Eventos Urbanos Gestão do tráfego

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S Planejamento de Rota Eventos Urbanos Gestão do tráfego




Smart Santander, Butler GW, UDDI, WSDL, JSDL, USDL …

XML, JSON, Sesame, Neo4j, JSONLD, XMPP, PIAX e DNS

XMPP, Google Chrome, Arduino ...

ButlerGW, CoRE CoAP, 6LoWPAN...

Openstack Cloud / Swift, IDAS, Gluster

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• Gerenciamento de Infraestrutura da cidadeUniversal Service Description Language - é um padrão de formato para descrever o serviço onipresente, permite que os aplicativos encontrem vários serviços em um ambiente diferente• Interoperabilidade e virtualização de recursos

da cidadeNEO4J – Banco de dados gráfico de código aberto• Computação e ArmazenamentoOpenstack Swift – Software de armazenamento redundante em nuvem• Sensores e atuadoresArduino – Plataforma de prototipagem aberta (hw e sw)• IoT KernelConstraint Application Protocol – é um protocolo especializado em transferência web para ambientes restritos

FERRAMENTAS E COMPONENTES UTILIZADOS

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SECURE SOCKETS LAYER – SSL

O protocolo SSL provê a privacidade e a integridade de dados entre duas aplicações que comuniquem pela internet. Isso ocorre por intermédio da autenticação das partes envolvidas e da cifragem dos dados transmitidos entre as partes.

ZABBIX MONITORING

O Zabbix é uma ferramenta de código aberto projetada para monitorar redes, servidores, ferramentas e outros hardwares através de um servidor baseado em Linux.

Solução orientada a serviços para gerenciamento de usuários, autenticação, autorização, contabilidade, federação de identidade e delegação.

SERVICE ORIENTED ARCHITECTURE (AUTHORIZATION, ACCOUNT AND AUTHENTICATION) – SOA3

ANÁLISE

• Comparação entre os principais projetos europeus

IoT-A FIWARE SMARTSANTANDER BUTTLER GAMBAS

Critérios Endereçamento

Tecnologia utilizada para identificação dos dispositivos

API abertaAbertura do projeto para que qualquer pessoa

desenvolva aplicações Segurança

Ferramenta(s) ou protocolo(s) utilizados para este fim Elasticidade

Capacidade da plataforma de alterar seus recursos para atender aumento 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 para o objetivo do IoT (negócios)

• Derivar mecanismos adaptativos para orquestração distribuída de interações de recursos de IoT expondo propriedades self-*

• Integrar holisticamente mecanismos de segurança e privacidade eficazes e eficientes em dispositivos IoT e nos protocolos e serviços que eles utilizam.

• Desenvolver uma nova infra-estrutura de resolução para o IoT, permitindo a pesquisa escalável e descoberta de recursos IoT, entidades do mundo real e suas associações Características

AnáliseEndereçamento:

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

AnáliseEndereçamento:IPAPI aberta: SimSegurança: OAuth2Elasticidade: Sim

FIWARE

O projeto prevê a implantação de 20.000 sensores em Belgrado, Guildford, Lübeck e Santander (12.000), explorando uma grande variedade de tecnologias.

AnáliseEndereçamento: 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 de aplicativos seguros e inteligentes de assistência à vida, graças a um sistema de informação abrangente e com conhecimento de contexto e local

• O projeto buscava contribuir para o avanço dos Ambient Assisted Living e das interações Homem-Construções

• Context-awareness• Projeto encerrado.

AnáliseEndereçamento: IPAPI aberta: SimSegurança: OpenAuth, GBAElasticidade: Sim

GAMBAS

• Propósito: desenvolver um middleware inovador e adaptável para permitir a preservação da privacidade e a utilização automatizada de serviços orientados por comportamento que se adaptem de forma autônoma ao contexto dos usuários.

• Orçamento: 3.105.024 €• Financiamento: 2.194.000 €• Duração: 36 Meses• Kickoff: Fevereiro de 2012Análise

Endereçamento:IPv4

API aberta: SimSegurança: PIKEElasticidade: Sim

TRABALHOS FUTUROS

Este projeto é financiado em conjunto com a European Union’s Horizon 2020

research

BigClouTBig data meeting Cloud and IoT for empowering the citizen clout in smart cities

Construir uma arquitetura interoperável permitindo aplicativos IoT orientados a dados

Habilitar o self-awareness em uma plataforma de Cidade Inteligente

Fornecer bibliotecas e ferramentas para extração de conhecimento escalável a partir de fontes de informação distribuídas em áreas urbanas

CONCLUSÃO

As Cidades Inteligentes se apresentam como uma estrutura única para a criação de cidades sustentáveis por meio de novas aplicações e serviços baseados em tecnologias no estado da arte, e para a criação de inovações em ICT com o envolvimento 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 de dados

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 Hoc Networks, 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 as Computing 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 to smart 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 for improving 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/

Technology

ClouT Seminario Redes Convergentes Mestrado INATEL