Este trabalho apresenta uma proposta de infra-estrutura de software sensível ao contexto para a computação ubíqua (ubicomp) denominada Continuum. A área de ubicomp, também chamada de computação pervasiva, pressupõe uma forte integração com o mundo real, com foco no usuário e na manutenção de alta transparência. Para o desenvolvimento de aplicativos nesse cenário, é necessária uma infra-estrutura de software adequada. A infra-estrutura projetada é baseada no padrão da arquitetura orientada a serviços (service-oriented architecture ou SOA), fazendo uso de framework e middleware, e empregando uma redefinição da semântica siga-me. Nessa visão redefinida, os usuários podem ir para qualquer lugar carregando os dados e os aplicativos que desejam, os quais podem ser usados de forma imperceptível e integrada com o mundo real (seamless integration). O foco particular desse trabalho é sensibilidade ao contexto: a percepção de características relacionadas aos usuários e ao entorno. No trabalho são considerados os recursos disponíveis no ambiente e é mantida a história dos dados de contexto. Além disso, é proposta a representação do contexto para promover raciocínio e compartilhamento de conhecimento, empregando uma ontologia. Dessa forma, contexto é representado de uma maneira formal e bastante expressiva, diferente de muitas soluções existentes hoje em dia que ainda usam modelos de representação ad hoc. Esta tese está então na interseção destas três áreas principais: infra-estrutura de software para ubicomp, sensibilidade ao contexto e ontologias. No desenvolvimento desta tese, também examina-se o campo da computação ubíqua, e sugere-se um modelo de arquitetura geral que enfrente esses desafios fundamentais. Baseado nos requisitos estabelecidos para esse modelo, propõe-se um conjunto de serviços para o Continuum. Os serviços são projetados considerando o trabalho previamente desenvolvido pelo nosso grupo de pesquisa, mais especificamente o projeto ISAM, e particularmente o middleware EXEHDA. A proposta estende esses projetos, adicionando aspectos que não haviam sido considerados no momento do seu desenvolvimento. Particularmente, o suporte a sensibilidade de contexto é melhorado com a proposta de uma ontologia para a formalização da informação de contexto. Algumas análises, usando a metodologia de estudo de caso, foram conduzidas para apreciar as principais proposições da tese. Baseado nessas avaliações, foram apresentadas algumas lições aprendidas e traçada a conclusão do trabalho. Como resultado, Continuum é uma infra-estrutura de software que endereça muitos aspectos da computação ubíqua, integrando imperceptivelmente diferentes desafios. / The present work is a proposal of a context-aware software infrastructure for ubiquitous computing (ubicomp) named Continuum. The ubicomp area, also called pervasive computing, presupposes a strong integration with the real world, with focus on the user and on keeping high transparency. For the development of applications in this scenario, we need an adequate software infrastructure. The infrastructure designed in this work is based on service-oriented architecture (SOA), making use of framework and middleware, and employing a redefinition of follow-me semantics. In this redefined vision, users can go anywhere carrying the data and application they want, which they can use in a seamlessly integrated fashion with the real world. The specific focus of our work is context awareness: the perception of characteristics related to users and surroundings. We consider the resources available in the environment and keep a history of context data. Furthermore, we propose the representation of context to promote reasoning and knowledge sharing, using ontology. In this way, context is represented in a considerably expressive, formal approach, different from many solutions that exist today, which still use ad hoc representations models. Our work is then at the intersection of these three main areas: software infrastructures for ubicomp, context awareness, and ontologies. In the development of this thesis, we also survey the field of ubiquitous computing, suggesting a general architectural model to deal with its fundamental challenges. Based on the established requirements for this model, we propose a set of services for Continuum. The services are designed considering the previous works developed by our research group, namely ISAM (Infra-estrutura de Suporte às Aplicações Móveis – Mobile Applications Support Infrastructure), and particularly the middleware EXEHDA (Execution Environment for Highly Distributed Applications). We further extend these projects, by adding aspects to them that had not been considered at the time of their development. Particularly, we improve context awareness support, proposing an ontology for the formalization of context information. We have conducted some analysis, using case study methodology, to evaluate the main propositions of our work. Based on these assessments, we present lessons learned and draw the conclusion of our work. As a result, Continuum is a software infrastructure that addresses many aspects of ubiquitous computing, seamlessly integrating many different challenges.

Sensoriamento urbano e cidades inteligentes têm sido tópicos derivados da computação ubíqua em alta nos últimos anos, tanto para a academia como para a indústria, devido ao contínuo avanço tecnológico aliado à maior facilidade de acesso e aceitação pelos usuários. Na literatura pesquisada sobre plataformas que englobam tais tópicos foi constatado que diversas delas possuem algum processo autonômico utilizado para atender alguma necessidade de autoadaptação em tempo de execução. Apesar disso, nenhuma das plataformas pesquisadas focou especificamente em encontrar e propor uma solução para tratar exclusivamente a autoadaptação. Nesse contexto, esta dissertação tem por objetivo propor um mecanismo de autoadaptação para sistemas de sensoriamento urbano, além de avaliar seu comportamento. Como primeiro passo para realizar tal objetivo, foi conduzida uma pesquisa literária tendo em vistas identificar os principais casos de adaptação em sistemas de sensoriamento urbano, além de requisitos específicos da arquitetura de sensoriamento urbano UrboSenti, utilizada para implementação. Como segundo passo, a partir dos requisitos identificados, o modelo MAPE-K da computação autonômica foi escolhido como a base da construção do mecanismo de autoadaptação. A implementação deste modelo utilizou as técnicas de eventos passivos para monitoramento do ambiente, regras Evento-Condição-Ação, para tomada de decisão, planos estáticos para planejamento e adaptações por parâmetros e componentes para execução. Tanto o modelo como as técnicas escolhidas foram implementadas devido atenderem as necessidades dos cenários avaliados. Por fim, as avaliações aplicadas apontam resultados preliminares satisfatórios, dados os casos avaliados e os experimentos de tempo de resposta a eventos internos e interações; no entanto, tais avaliações revelarem diversos pontos que devem ser explorados em trabalhos futuros. / In the last years, urban sensing and smart cities have been popular topics derived from the ubiquitous computing, for both the academia and the industry, due to its continuous technological development combined with greater facilities of access and acceptance by the users. The reviewed literature about platforms that encompass such topics showed that many of them have some kind of autonomic process used to meet any need for self-adaptation at runtime. Despite this, none of the researched platforms focused in proposing a solution to exclusively meet the self-adaptation properties. In this way, this dissertation aims to propose a self-adaptive mechanism to urban sensing systems, as well as evaluating its behavior. As the first step to achieving such goal, a literature review was performed aiming to identify the main adaptation cases in urban sensing systems, as well to identify the specific requirements of the UrboSenti architecture for urban sensing. As the second step, the autonomic computing MAPE-K model was chosen to compose the foundation of the self-adaptive mechanism based on the identified requirements. The implementation of this model used the techniques of passive events for monitoring, rules Event-Condition-Action for decision making, static plans for planning and parameter and component adaptations for execution were used in the proposed implementation to meet the evaluated scenario needs. Lastly, the applied evaluations indicate satisfactory results, given the assessed cases and the experiments of scalability at the response of internal events and interactions. However, they have left many open points that should be explored in future works.

A computação ubíqua define que a computação deve estar presente em ambientes para auxiliar o usuário na realização de suas tarefas diárias de forma eficiente. Para que isto aconteça, sistemas considerados ubíquos devem ser conhecedores do contexto e devem adaptar seu funcionamento em relação aos contextos capturados do ambiente. Informações de contexto podem ser representadas de diversas formas em sistemas computacionais e pesquisas recentes demonstram que a representação destas informações baseada em ontologias apresenta vantagens importantes se comparada à outras soluções, destacando-se principalmente o alto nível de expressividade e a padronização de linguagens para a representação de ontologias. Informações consideradas específicas de domínio são frequentemente representadas em bancos de dados relacionais. Esta diferença em relação a modelos de representação, com o uso de ontologias para representação de contexto e representação relacional para informações de domínio, implica em uma série de problemas no que se refere à adaptação e distribuição de conteúdo em arquiteturas ubíquas. Dentre os principais problemas pode-se destacar a dificuldade de alinhamento entre as informações de domínio e de contexto, a dificuldade na distribuição destas informações entre arquiteturas ubíquas e as diferenças entre modelagens de contexto e de domínio (o conhecimento sobre os objetos do domínio). Este trabalho apresenta um framework de consulta entre informações de contexto e informações de domínio. Com a aplicação deste framework, a recuperação contextualizada de informações se tornou possível, utilizando a expressividade necessária para a modelagem de contexto através de ontologias e utilizando esquemas relacionais previamente definidos e utilizados por sistemas de informação. Para realizar a avaliação do framework, o mesmo foi aplicado em um ambiente baseado no cenário motivador de pesquisa, que descreve possíveis situações de utilização de tecnologias ubíquas. Através da aplicação do framework no cenário motivador, foi possível verificar que a proposta foi capaz de realizar a integração entre contexto e domínio e permitiu estender a filtragem de consultas relacionais. / Ubiquitous computing defines the computer must be present in environments to assist the user to perform their daily tasks efficiently. Thus, ubiquitous systems must be aware of the context and should adapt its operation in relation to the captured environment contexts. Context information can be represented in different ways in computer systems, and recent research shows that the representation of context in ontologies offers important advantages when compared to other solutions, in particular, the high level of expressiveness and the standardization of languages for representation of ontologies. Domain specific information is frequently maintained in relational databases. This difference of representation models, using ontologies for context representation and relational representation to domain information, involves a number of problems as the adjustment and distribution of content in ubiquitous architectures. Related problems include the difficulty of alignment between field and context information, the difficulty in the distribution of information between ubiquitous architectures, and differences between the context and domain modeling (knowledge about the domain objects). This PhD thesis presents a framework of query for context information and domain information. On applying this framework, contextualized information retrieval becomes possible using the expressiveness required for context modeling using ontologies, and using relational schemas previously defined and used by information systems. In order to evaluate the framework, it was applied in an environment based on the motivating scenario. It was possible to verify that the framework was able to accomplish the integration of context and domain, and allowed the extension of the filtering relational queries.

A Computação Ubíqua (UbiComp) foi introduzida na década de 90 como a área de pesquisa que estuda a integração da tecnologia às tarefas cotidianas, com a intenção de proporcionar aos usuários a manutenção do foco em suas atividades, reduzindo a necessidade de seu envolvimento com a gerência da infraestrutura computacional. Considerando esta perspectiva de integração das tecnologias, exigindo o mínimo de participação do usuário, um dos desafios centrais de pesquisa para contemplar essa proposta da UbiComp é a Ciência de Situação. A construção do suporte à Ciência de Situação para as aplicações ubíquas envolve a representação do contexto, a coleta, o armazenamento e o processamento dos dados contextuais, bem como a identificação e disseminação das situações, de forma autônoma. Dentre as maneiras que tem sido consideradas para materializar a UbiComp, vem se destacando a Internet das Coisas (Internet of Things - IoT). Esta abordagem utiliza a Internet como principal meio para interoperação entre dispositivos computacionais. Nesse sentido, a IoT tem como premissa unir o mundo físico ao digital, preconizando a ideia do “tudo conectado”, criando assim uma rede de objetos incorporados ao ambiente de forma ubíqua. Deste modo, esta tese tem como objetivo conceber uma arquitetura para provimento de Ciência de Situação às aplicações ubíquas, na perspectiva da infraestrutura da Internet das Coisas. A arquitetura, denominada SAUI (Situation-aware Architecture for Ubiquitous applications in the Internet of things), é concebida considerando os trabalhos previamente desenvolvidos pelo grupo de pesquisa GPPD/UFRGS, particularmente o middleware EXEHDA (Execution Environment for Highly Distributed Applications) Entende-se como contribuições centrais desta tese: (i) a definição de uma abordagem híbrida para representação e processamento do contexto, visando à identificação de situações de interesse das aplicações; e (ii) a concepção de uma arquitetura distribuída, baseada em eventos e regras, visando o suporte à Ciência de Situação das aplicações ubíquas, considerando a infraestrutura provida pela IoT. As funcionalidades da Arquitetura SAUI são avaliadas através de cenários de uso nas áreas de agropecuária e saúde, sendo caracterizados os protótipos desenvolvidos, as tecnologias empregadas e os testes realizados. Os resultados obtidos corroboram com a abordagem da Arquitetura SAUI de considerar um suporte concomitante para operação distribuída, tratamento autônomo dos dados contextuais baseado em eventos e regras, e processamento híbrido do contexto, visando à identificação de situações de interesse das aplicações. / The Ubiquitous Computing (UbiComp) was introduced in the 90s as the area of research that studies the integration of technology in the everyday tasks, with the objective to keep the focus of the users in their activities, reducing the need of their involvement in the management of the computational infrastructure. Considering this perspective of technologies integration, requiring minimal user participation, one of the central research challenges is the situation awareness. The construction of the support to situation awareness for ubiquitous applications involves the representation of context; the acquisition, storage and processing of contextual data; and the identification and dissemination of situations, in autonomous way. Among the ways that have been considered to materialize UbiComp, has been highlighting the IoT (Internet of Things). This approach uses the Internet as the main means for interoperation between computing devices. In this sense, the IoT has the premise of join the physical and digital worlds, contemplating the idea of “everything connected”, thus creating a network of objects embedded in the environment ubiquitously. Thus, this thesis aims to design an architecture for providing situation awareness to ubiquitous applications, considering the IoT infrastructure. The architecture, called SAUI (Situation-aware Architecture for Ubiquitous applications in the Internet of things), is designed considering the work previously developed by the research group GPPD/UFRGS, particularly EXEHDA middleware (Execution Environment for Highly Distributed Applications) It is considered as central contributions of this thesis: (i) the definition of a hybrid approach for modeling and processing of context, aiming at identification of situations of interest of the applications; and (ii) the design of a distributed architecture, driven by events and rules, aiming at supporting the situation awareness of ubiquitous applications, considering an IoT infrastructure. The funcionalities of SAUI architecture are evaluated through usage scenarios in the areas of agriculture and healthcare. It was characterized the developed prototypes, the technologies used, and the tests performed. The results corroborate with the approach of SAUI architecture, which considers a concomitant support for distributed operation, autonomous handling of context based on events and rules, and hybrid processing of context, aiming at identification of situations.

Ces dernières décennies, les environnements informatiques sont devenus de plus en plus complexes, parsemés de dispositifs miniatures et sophistiqués gérant la mobilité et communiquant sans fil. L'informatique ubiquitaire, telle qu'imaginée par Mark Weiser en 1991, favorise l'intégration transparente de ces environnements avec le monde réel pour offrir de nouveaux types d'applications. La conception de programmes pour environnements ubiquitaires soulève cependant de nombreux défis, en particulier le problème de rendre une application auto-adaptable dans un contexte en constante évolution. Parallèlement, alors que la taille et la complexité de systèmes plus classiques ont explosé, IBM a proposé le concept d'informatique autonomique afin de réduire le fardeau de l'administration de systèmes imposants et largement disséminés. Cette thèse se base sur une approche où les applications sont conçues sous la forme de composants utilisant et fournissant des services. Un modèle de développement fondé sur une architecture de référence pour la conception d'applications ubiquitaires est proposée, fortement inspiré des recherches dans le domaine de l'informatique autonomique. Dans ce modèle, les applications sont prises en charge par une hiérarchie de gestionnaires autonomiques, qui appuient leurs décisions sur une représentation centrale du système. La mise en œuvre de cette contribution requiert de rendre la couche d'exécution sous-jacente plus réflexive, en vue de supporter de nouveaux types d'adaptations à l'exécution. Nous proposons également un modèle qui décrit le système à l'exécution et reflète sa dynamique de manière uniforme, suivant les principes du style d'architecture REST. Les applications reposant sur ce cette couche d'exécution réflexive et représentées par ce modèle sont qualifiées d'Autonomic-Ready. L'implantation de nos propositions ont été intégrées dans le modèle à composant orienté service Apache Felix iPOJO. Le modèle de représentation du système, nommé Everest, est publié en tant que sous-projet d'OW2 Chameleon. Ces propositions ont été évaluées et validées par la conception et l'exécution d'une application ubiquitaire sur iCASA, un environnement de développement et de simulation. / In the last decades, computing environments have been getting more and more complex, filled with miniaturized and sophisticated devices that can handle mobility and wireless communications. Ubiquitous computing, as envisioned by Mark Weiser in 1991, promote the seamless integration of those computing environments with the real world in order to offer new kinds of applications. However, writing software for ubiquitous environments raises numerous challenges, mainly the problem of how to make an application adapt itself in an ever changing context. From another perspective, as classical softwares were growing in size and complexity, IBM proposed the concept of autonomic computing to help to contain the burden of administering massive and numerous systems. This PhD thesis is based on an approach where applications are designed in terms of components using and providing services. A development model based on a reference architecture for the conception of ubiquitous applications is proposed, greatly inspired by researches in the autonomic computing field. In this model, the application is managed by a hierarchy of autonomic managers, that base their decisions on a central representation of the system. The fulfilment of this contribution requires to make the underlying middleware more reflexive, in order to support new kinds of runtime adaptations. We also provide a model that depicts the running system and its dynamics in a uniform way, based on REST principles. Applications relying on this reflexive middleware and represented by this model are what we called Autonomic-Ready. Implementations of our proposals have been integrated in the Apache Felix iPOJO service-oriented component model. The system representation, named Everest, is provided as a OW2 Chameleon subproject. Validation is based on the iCASA pervasive environment development and simulation environment.

Uma residência inteligente é capaz de adquirir e aplicar conhecimentos sobre um ambiente e, de forma autônoma, adaptar-se aos seus habitantes. Estes espaços contêm uma diversidade de dispositivos que precisam interagir, porém, também existem no mercado diversos padrões para automação. Esta heterogeneidade dificulta a interoperabilidade entre dispositivos tornando a aplicação dependente de um único fornecedor para que a comunicação seja efetiva. Da mesma forma, sistemas domóticos possuem serviços dinâmicos e a adição ou mobilidade de novos dispositivos ao longo do tempo requer não somente que aplicações possam comunicar-se, mas também identificar que novos serviços foram adicionados e, quando necessário, estabelecer uma comunicação pertinente ao novo contexto. Finalmente, sistemas de automação também precisam de alguma forma perceber o mundo real e interpretá-lo. Os sinais recebidos por sensores não possuem qualquer valor se não forem interpretados em relação ao contexto da residência. Ontologias podem auxiliar a resolver estes três problemas representando formalmente o domínio. Ela permite uma compreensão comum das informações através de um modelo semântico e possibilita a execução de suposições explícitas para o contexto da residência. Assim, esta dissertação propõe uma ontologia para integração em uma residência inteligente que representa o ambiente, seus dispositivos, indivíduos e os agentes de software permitindo que sejam criadas as relações para a interação. A consistência da ontologia foi avaliada em relação às questões de competência e um protótipo foi criado para validar a aplicação prática do modelo. / A smart home is able to acquire and apply knowledge about the environment and autonomously adapt to its inhabitants. These spaces contain a diversity of devices that need to interact and there are also many commercial protocols for automation. This heterogeneity hinders the interoperability between devices turning the application dependent on a single technology for an effective communication. In the same way, domotic systems have dynamic services and the mobility of new devices from time to time requires the ability to discovery when a new service have been added and, when necessary, establish a new communication related to this new context. Finally, automation systems also need to perceive the real world and interpret it. The signals received from sensors have no value unless they are interpreted against the context of the residence. Ontologies can help to solve these three problems formally representing the domain. It enables a common understanding of information through a semantic model and enables the execution of explicit assumptions to the context of residence. Thus, this dissertation proposes integration ontology for a smart house that represents the environment, devices, people and software agents creating the relationships and reasoning about rules for interaction. The consistency of the ontology was assessed in relation to its competence and a prototype was created to validate the practical application of the model.

Uma residência inteligente é capaz de adquirir e aplicar conhecimentos sobre um ambiente e, de forma autônoma, adaptar-se aos seus habitantes. Estes espaços contêm uma diversidade de dispositivos que precisam interagir, porém, também existem no mercado diversos padrões para automação. Esta heterogeneidade dificulta a interoperabilidade entre dispositivos tornando a aplicação dependente de um único fornecedor para que a comunicação seja efetiva. Da mesma forma, sistemas domóticos possuem serviços dinâmicos e a adição ou mobilidade de novos dispositivos ao longo do tempo requer não somente que aplicações possam comunicar-se, mas também identificar que novos serviços foram adicionados e, quando necessário, estabelecer uma comunicação pertinente ao novo contexto. Finalmente, sistemas de automação também precisam de alguma forma perceber o mundo real e interpretá-lo. Os sinais recebidos por sensores não possuem qualquer valor se não forem interpretados em relação ao contexto da residência. Ontologias podem auxiliar a resolver estes três problemas representando formalmente o domínio. Ela permite uma compreensão comum das informações através de um modelo semântico e possibilita a execução de suposições explícitas para o contexto da residência. Assim, esta dissertação propõe uma ontologia para integração em uma residência inteligente que representa o ambiente, seus dispositivos, indivíduos e os agentes de software permitindo que sejam criadas as relações para a interação. A consistência da ontologia foi avaliada em relação às questões de competência e um protótipo foi criado para validar a aplicação prática do modelo. / A smart home is able to acquire and apply knowledge about the environment and autonomously adapt to its inhabitants. These spaces contain a diversity of devices that need to interact and there are also many commercial protocols for automation. This heterogeneity hinders the interoperability between devices turning the application dependent on a single technology for an effective communication. In the same way, domotic systems have dynamic services and the mobility of new devices from time to time requires the ability to discovery when a new service have been added and, when necessary, establish a new communication related to this new context. Finally, automation systems also need to perceive the real world and interpret it. The signals received from sensors have no value unless they are interpreted against the context of the residence. Ontologies can help to solve these three problems formally representing the domain. It enables a common understanding of information through a semantic model and enables the execution of explicit assumptions to the context of residence. Thus, this dissertation proposes integration ontology for a smart house that represents the environment, devices, people and software agents creating the relationships and reasoning about rules for interaction. The consistency of the ontology was assessed in relation to its competence and a prototype was created to validate the practical application of the model.

A computação ubíqua define que a computação deve estar presente em ambientes para auxiliar o usuário na realização de suas tarefas diárias de forma eficiente. Para que isto aconteça, sistemas considerados ubíquos devem ser conhecedores do contexto e devem adaptar seu funcionamento em relação aos contextos capturados do ambiente. Informações de contexto podem ser representadas de diversas formas em sistemas computacionais e pesquisas recentes demonstram que a representação destas informações baseada em ontologias apresenta vantagens importantes se comparada à outras soluções, destacando-se principalmente o alto nível de expressividade e a padronização de linguagens para a representação de ontologias. Informações consideradas específicas de domínio são frequentemente representadas em bancos de dados relacionais. Esta diferença em relação a modelos de representação, com o uso de ontologias para representação de contexto e representação relacional para informações de domínio, implica em uma série de problemas no que se refere à adaptação e distribuição de conteúdo em arquiteturas ubíquas. Dentre os principais problemas pode-se destacar a dificuldade de alinhamento entre as informações de domínio e de contexto, a dificuldade na distribuição destas informações entre arquiteturas ubíquas e as diferenças entre modelagens de contexto e de domínio (o conhecimento sobre os objetos do domínio). Este trabalho apresenta um framework de consulta entre informações de contexto e informações de domínio. Com a aplicação deste framework, a recuperação contextualizada de informações se tornou possível, utilizando a expressividade necessária para a modelagem de contexto através de ontologias e utilizando esquemas relacionais previamente definidos e utilizados por sistemas de informação. Para realizar a avaliação do framework, o mesmo foi aplicado em um ambiente baseado no cenário motivador de pesquisa, que descreve possíveis situações de utilização de tecnologias ubíquas. Através da aplicação do framework no cenário motivador, foi possível verificar que a proposta foi capaz de realizar a integração entre contexto e domínio e permitiu estender a filtragem de consultas relacionais. / Ubiquitous computing defines the computer must be present in environments to assist the user to perform their daily tasks efficiently. Thus, ubiquitous systems must be aware of the context and should adapt its operation in relation to the captured environment contexts. Context information can be represented in different ways in computer systems, and recent research shows that the representation of context in ontologies offers important advantages when compared to other solutions, in particular, the high level of expressiveness and the standardization of languages for representation of ontologies. Domain specific information is frequently maintained in relational databases. This difference of representation models, using ontologies for context representation and relational representation to domain information, involves a number of problems as the adjustment and distribution of content in ubiquitous architectures. Related problems include the difficulty of alignment between field and context information, the difficulty in the distribution of information between ubiquitous architectures, and differences between the context and domain modeling (knowledge about the domain objects). This PhD thesis presents a framework of query for context information and domain information. On applying this framework, contextualized information retrieval becomes possible using the expressiveness required for context modeling using ontologies, and using relational schemas previously defined and used by information systems. In order to evaluate the framework, it was applied in an environment based on the motivating scenario. It was possible to verify that the framework was able to accomplish the integration of context and domain, and allowed the extension of the filtering relational queries.

A Computação Ubíqua (UbiComp) foi introduzida na década de 90 como a área de pesquisa que estuda a integração da tecnologia às tarefas cotidianas, com a intenção de proporcionar aos usuários a manutenção do foco em suas atividades, reduzindo a necessidade de seu envolvimento com a gerência da infraestrutura computacional. Considerando esta perspectiva de integração das tecnologias, exigindo o mínimo de participação do usuário, um dos desafios centrais de pesquisa para contemplar essa proposta da UbiComp é a Ciência de Situação. A construção do suporte à Ciência de Situação para as aplicações ubíquas envolve a representação do contexto, a coleta, o armazenamento e o processamento dos dados contextuais, bem como a identificação e disseminação das situações, de forma autônoma. Dentre as maneiras que tem sido consideradas para materializar a UbiComp, vem se destacando a Internet das Coisas (Internet of Things - IoT). Esta abordagem utiliza a Internet como principal meio para interoperação entre dispositivos computacionais. Nesse sentido, a IoT tem como premissa unir o mundo físico ao digital, preconizando a ideia do “tudo conectado”, criando assim uma rede de objetos incorporados ao ambiente de forma ubíqua. Deste modo, esta tese tem como objetivo conceber uma arquitetura para provimento de Ciência de Situação às aplicações ubíquas, na perspectiva da infraestrutura da Internet das Coisas. A arquitetura, denominada SAUI (Situation-aware Architecture for Ubiquitous applications in the Internet of things), é concebida considerando os trabalhos previamente desenvolvidos pelo grupo de pesquisa GPPD/UFRGS, particularmente o middleware EXEHDA (Execution Environment for Highly Distributed Applications) Entende-se como contribuições centrais desta tese: (i) a definição de uma abordagem híbrida para representação e processamento do contexto, visando à identificação de situações de interesse das aplicações; e (ii) a concepção de uma arquitetura distribuída, baseada em eventos e regras, visando o suporte à Ciência de Situação das aplicações ubíquas, considerando a infraestrutura provida pela IoT. As funcionalidades da Arquitetura SAUI são avaliadas através de cenários de uso nas áreas de agropecuária e saúde, sendo caracterizados os protótipos desenvolvidos, as tecnologias empregadas e os testes realizados. Os resultados obtidos corroboram com a abordagem da Arquitetura SAUI de considerar um suporte concomitante para operação distribuída, tratamento autônomo dos dados contextuais baseado em eventos e regras, e processamento híbrido do contexto, visando à identificação de situações de interesse das aplicações. / The Ubiquitous Computing (UbiComp) was introduced in the 90s as the area of research that studies the integration of technology in the everyday tasks, with the objective to keep the focus of the users in their activities, reducing the need of their involvement in the management of the computational infrastructure. Considering this perspective of technologies integration, requiring minimal user participation, one of the central research challenges is the situation awareness. The construction of the support to situation awareness for ubiquitous applications involves the representation of context; the acquisition, storage and processing of contextual data; and the identification and dissemination of situations, in autonomous way. Among the ways that have been considered to materialize UbiComp, has been highlighting the IoT (Internet of Things). This approach uses the Internet as the main means for interoperation between computing devices. In this sense, the IoT has the premise of join the physical and digital worlds, contemplating the idea of “everything connected”, thus creating a network of objects embedded in the environment ubiquitously. Thus, this thesis aims to design an architecture for providing situation awareness to ubiquitous applications, considering the IoT infrastructure. The architecture, called SAUI (Situation-aware Architecture for Ubiquitous applications in the Internet of things), is designed considering the work previously developed by the research group GPPD/UFRGS, particularly EXEHDA middleware (Execution Environment for Highly Distributed Applications) It is considered as central contributions of this thesis: (i) the definition of a hybrid approach for modeling and processing of context, aiming at identification of situations of interest of the applications; and (ii) the design of a distributed architecture, driven by events and rules, aiming at supporting the situation awareness of ubiquitous applications, considering an IoT infrastructure. The funcionalities of SAUI architecture are evaluated through usage scenarios in the areas of agriculture and healthcare. It was characterized the developed prototypes, the technologies used, and the tests performed. The results corroborate with the approach of SAUI architecture, which considers a concomitant support for distributed operation, autonomous handling of context based on events and rules, and hybrid processing of context, aiming at identification of situations.

Um dos principais desafios de pesquisa na UbiComp consiste em fornecer mecanismos para a ciência de contexto que promovam o desenvolvimento de aplicações que reajam de acordo com a dinâmica do ambiente de interesse do usuário. Para manter o conhecimento a respeito desse ambiente, a área da UbiComp pressupõe a utilização de informações produzidas e disponibilizadas em diferentes localizações, o tempo todo. Nesse sentido, os recentes avanços na área da Internet das Coisas (IoT) têm proporcionado uma crescente disponibilidade de sensores conectados em rede, os quais são potenciais produtores de informações contextuais do ambiente para aplicações ubíquas. Com essa motivação, nessa tese é apresentado o COIOT, um middleware para Internet das Coisas concebido com o objetivo de gerenciar a coleta e o processamento das informações contextuais do ambiente físico, bem como a atuação remota sobre o mesmo. O COIOT foi idealizado considerando os trabalhos previamente desenvolvidos pelo grupo de pesquisa GPPD (Grupo de Processamento Paralelo e Distribuído) da UFRGS, particularmente o middleware EXEHDA (Execution Environment for Highly Distributed Applications). Na concepção do COIOT foi adotada uma abordagem distribuída de processamento de contexto que contempla tanto as premissas da IoT quanto as demandas das aplicações da UbiComp. A arquitetura proposta também contempla o gerenciamento de eventos distribuídos através de regras e triggers para tratar as mudanças de estados dos contextos de interesse. Além disso, a arquitetura proposta gerencia outros aspectos importantes nos cenários da IoT, como o tratamento da interoperabilidade, da heterogeneidade, apoio ao controle da escalabilidade e descoberta de recursos. As principais contribuições desta tese são: (i) a concepção de uma arquitetura para IoT capaz de realizar de forma distribuída tanto a coleta e processamento das informações contextuais, como a atuação remota no meio a fim de atender as aplicações da UbiComp e, (ii) a proposição de um modelo de processamento de eventos distribuídos adequado aos cenários da IoT. Para avaliar a arquitetura do COIOT foram realizados dois estudos de caso na área da agricultura. O primeiro estudo de caso foi desenvolvido em ambiente de produção a partir de demandas de pesquisadores da área da agricultura, particularmente da análise de sementes. Já o segundo estudo de caso teve como cenário de testes ambientes da viticultura de precisão. / One of the main research challenges in UbiComp is to provide mechanisms for context-aware to promote the development of applications that react according to the dynamics of user interest environment. To keep the knowledge of this environment, the area of UbiComp presupposes the use of information produced and made available in different locations, all the time. In this sense, the recent advances in the field of Internet of Things (IoT) have provided an increasing availability of sensors and actuators networked. These sensors are potential producers of contextual information. With this motivation, this thesis is presented the CoIoT, a middleware for Internet of Things (IoT) designed in order to manage the collect and processing of contextual information of the physical environment as well as remote actuation on it. The CoIoT was designed considering the work previously developed by the research group GPPD (Parallel Processing Group and distributed) of UFRGS, particularly middleware EXEHDA (Execution Environment for Highly Distributed Applications). In designing the CoIoT it was adopted a distributed approach of context processing that includes both the principles of IoT as the demands of the applications of UbiComp. The proposed architecture also includes rules based and triggers mechanisms to deal with events that characterize the changes of states of the contexts of interest. In addition, the proposed architecture manages other important aspects of IoT scenarios such as the treatment of interoperability, heterogeneity, support the control of scalability and resource discovery. Until now, the central contributions of this thesis include: (i) the design of an architecture for IoT able to perform distributed way both the collect and processing of contextual information, such as remote actuation in the environment in order to meet UbiComp applications and, (ii) the proposition of a distributed event processing model appropriate to the IoT scenarios. In order to evaluate the CoIoT architecture, two case studies were carried out in the area of agriculture. The first case study was developed in a production environment based on the demands of agricultural researchers, particularly seed analysis. On the other hand, the second case study was based on precision testing of viticulture environments.