IFA-CMST: uma arquitetura de névoa interoperável para medição de consumo em cidades inteligentes

Abstract

O monitoramento de consumo de água e energia em cidades inteligentes envolve dispositivos heterogêneos, redes distintas e a necessidade de processar dados próximo à sua origem. Este trabalho apresenta a Interoperable Fog Architecture for Consumption Measurement in Smart Towns (IFA-CMST), uma arquitetura de névoa interoperável e modular para receber, encaminhar, processar e agregar medições de consumo. A proposta adota a organização hierárquica de dispositivos, névoa e nuvem da arquitetura de referência OpenFog, concentrando sua contribuição na organização interna dos nós de névoa, na abstração de protocolos de comunicação e na coordenação entre domínios. Um adaptador normaliza mensagens HTTP e CoAP para o fluxo interno, enquanto nós primários registram componentes, distribuem requisições segundo a especialização dos serviços e consultam outro domínio quando não há capacidade local disponível. A avaliação utilizou 70 medidores de água e energia executados em software, distribuídos em dois domínios de névoa, durante 48 horas de operação, totalizando 3.360 leituras. Foram observadas a execução do fluxo com protocolos de comunicação heterogêneos, a consolidação diária dos dados, as latências entre componentes e o consumo de memória dos processos. Os resultados demonstram a viabilidade funcional da implementação, a interoperabilidade entre HTTP e CoAP, o redirecionamento entre domínios e a integração entre dispositivos, névoa e nuvem. A proposta atende diretamente aos pilares OpenFog de abertura, programabilidade, autonomia, hierarquia e RAS. Os trabalhos futuros serão orientados pelos pilares de segurança, escalabilidade e agilidade, abrangendo autenticação, autorização, gestão de chaves, DTLS, TLS, ampliação de dispositivos, nós e domínios, descoberta dinâmica, replicação de estado, eleição de primários, adaptação em tempo de execução, MQTT, AMQP e cargas analíticas no HPCC Systems.

Abstract: Monitoring water and energy consumption in smart cities involves heterogeneous devices, distinct networks, and the need to process data close to their source. This work presents the Interoperable Fog Architecture for Consumption Measurement in Smart Towns (IFA-CMST), a modular fog architecture for receiving, forwarding, processing, and aggregating consumption measurements. The proposal adopts the OpenFog hierarchy of devices, fog, and cloud, while its contribution focuses on the internal organization of fog nodes, protocol abstraction, and coordination between domains. An adapter normalizes HTTP and CoAP messages for the internal flow, while primary nodes register components, distribute requests according to service specialization, and query another domain when local capacity is unavailable. The evaluation used 70 softwarebased water and energy meters distributed across two fog domains during 48 hours of operation, totaling 3,360 readings. The evaluation covered heterogeneous-protocol communication, daily data consolidation, inter-component latency, and process memory consumption. The results demonstrate functional feasibility, HTTP/CoAP interoperability, inter-domain redirection, and device?fog?cloud integration. The proposal directly addresses the OpenFog pillars of openness, programmability, autonomy, hierarchy, and RAS. Future work will focus on the security, scalability, and agility pillars, covering authentication, authorization, key management, DTLS, TLS, expansion of devices, nodes and domains, dynamic discovery, state replication, primary-node election, runtime adaptation, MQTT, AMQP, and analytical workloads in HPCC Systems.