General Purpose Monitoring & Control System via Internet

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1 EINREICHUNG FÜR CYBERSCHOOL 2009 (Kategorie TECHNICS) General Purpose Monitoring & Control System via Internet Diplomarbeit HTBLA Braunau am Inn Jahrgang 5AHELI, Abteilung Elektronik/Technische Informatik Ausbildungszweig Mobile Computing & Software Engineering Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 1

2 Allgemeines Schule HTBLA Braunau am Inn Osternbergerstraße Braunau am Inn Tel: / Fax: / Betreuungslehrer Dipl.-Ing. Waser Gerhard Schüler Munz Martin Dir. Mayer Straße Uttendorf Geb Klampfer Florian Reitsham Lochen Geb Höckner Leonhard St. Georgen St. Georgen Geb Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 2

3 Kurzzusammenfassung Problemdefinition, Zielsetzung Ziel ist die Entwicklung des Prototyps eines universellen Systems zur Fernsteuerung sowie visuellen Überwachung von elektrischen Geräten über Internet. Das System bietet die Möglichkeit, digitale und analoge I/Os von Steuermodulen auf einfachste Art und Weise mittels Webbrowser oder Handy zu steuern sowie Räume durch Netzwerkkameras zu überwachen. Funktionen - Geschützter Zugriff mit Benutzername und Passwort (Benutzerrollen) - Auswahl eines Gebäudes mittels Google Earth Maps auf einer Landkarte - Steuern/Abfragen der I/Os eines ausgewählten Steuermoduls - Anfordern von Live-Videos vorhandener Netzwerkkameras zur visuellen Überwachung - Steuern/Abfragen von I/Os direkt innerhalb des Live-Videos einer Netzwerkkamera(!) - Mobiler Zugriff auch per Handy möglich, dabei können Standbilder angefordert werden - Hinzufügen/Konfigurieren/Entfernen von Steuermodulen und Kameras während des Betriebs Mögliche Einsatzgebiete, Nutzen - Fernsteuern jeglicher Art von elektrischen Geräten: Heizungssteuerung, Temperaturmessung, Alarmanlagen, Lichtschalter, - Visuelle Überwachung von Gebäuden Innovationsaspekte Das besondere an unserem Projekt ist die universelle und einfache Verwendbarkeit des Systems sowie die kostengünstige Realisierung. Steuerung sowie Konfiguration erfolgen mittels Webbrowser (Silverlight-Plugin erforderlich), es muss keinerlei Applikation installiert werden. Als besondere Innovation erlaubt unser Projekt die Steuerung von Geräten direkt im Live-Video einer Netzwerkkamera auf der Webseite. Falls man sich mit dem Mauszeiger über einem zu steuernden Gerät im Live-Video befindet, so werden Statusinformation über das betreffende Gerät als ToolTip angezeigt und das Gerät kann per Mausklick bzw. Mausbewegung gesteuert (z.b. ein- und ausgeschaltet) werden. Ein Java-fähiges Handy erlaubt den mobilen Zugriff auf das System und ebenso eine visuelle Überwachung mit Standbildern. Dabei werden die in neueren Handys vorhandenen Beschleunigungssensoren verwendet, deren Daten von Java-Applikationen aus abgefragt werden können. So ist es zum Beispiel möglich, eine Lampe durch Kippen des Handys ein- bzw. auszuschalten bzw. den Wert eines analogen Ausgangs (Beispiel Temperatur) durch Drehen des Handys einzustellen. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 3

4 1. Inhaltsverzeichnis 2.1 Projektentstehung und -planung Entstehung der Projektidee... 5 Ziele, Nutzen... 5 Recherchen und Quellen... 6 Zeitlicher Ablauf/Meilensteine... 8 Aufgabenverteilung Inhaltliche Beschreibung des Projektes Idee und Umsetzung... 9 Ablauf Verwendete Technologien, Probleme und Lösungen Übersicht Gebäude-Server Web-Server Handy-Client Live-Video-Streaming Bisherige Ergebnisse Ausblick Lebensläufe.. 20 Anhang Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 4

5 2.1 Projektentstehung und planung Entstehung der Projektidee Unser Team besuchte bereits im Vorjahr bei Hr. Waser eine Begabtenförderung im Bereich Informatik, im Zuge derer wir einen Einblick in die Softwareentwicklung für die.net-plattform mit der Programmiersprache C# bekamen. Dieses Grundwissen kam uns während des gesamten Projektes laufend zu Gute. Die Idee zu diesem Projekt besteht schon seit einigen Jahren. Unser Projektbetreuer Hr. Waser, hat sich bereits in der Vergangenheit intensiv mit der Thematik Gebäudeüberwachung über Internet auseinandergesetzt. Vor einigen Jahren wurde bereits ein ähnliches Projekt gestartet, das Problem dabei waren die Komplexität der verwendeten (weil damals verfügbaren) Technologien sowie die daraus resultierende nur teilweise Umsetzung des gewünschten Funktionsumfangs. Die Verfügbarkeit neuester Technologien wie Windows Communication Foundation, Silverlight, Media Services, Windows Mobile, TCP/IP in Hardware, Handys mit WLAN und Beschleunigungssensoren usw. gaben den Anstoß zu einer neuerlichen Realisierung mit wesentlich umfangreicheren Möglichkeiten wie beispielsweise die Übertragung von Live-Videos und Steuerung direkt im Video oder etwa ein Handy-Client mit Bewegungssteuerung. Ziele, Nutzen Unser System ermöglicht dem Anwender die Möglichkeit der einfachen Steuerung bzw. Überwachung eines elektrischen bzw. elektronischen Geräts über Internet. Die Bedienung erfolgt primär über einen Webbrowser, das heißt es muss keinerlei spezielle Anwendung auf Clientseite installiert sein. Zusätzlich ist auch ein einfacher mobiler Zugriff mittels eines Java-fähigen Handys von jedem Standort aus mit WLAN-Zugang oder Mobilfunkzugang in das Internet möglich. Besonders innovativ ist die Möglichkeit des Abrufens von Live-Video-Streams der Netzwerkkameras in den zu überwachenden Gebäuden. Im Webbrowser ist eine Bedienung der im Livebild angezeigten Geräte direkt per Mausklick bzw. Mausbewegung möglich. Die Kosten des Systems sind relativ gering. Sämtliche eingesetzten Tools können kostenlos aus dem Internet heruntergeladen und installiert werden. Auf dem Web-Server sowie am Gebäude- Server ist ein Windows Server Betriebssystem erforderlich. Die HW-Kosten eines Steuermoduls belaufen sich in etwa zwischen 40 und 50 Euro. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 5

6 Recherchen und Quellen Gebäude-Server Microsoft Developer Network Das MSDN ist eine Sammlung von Tutorials, Artikeln und Referenzen für Software-Entwickler, die mit den verschiedensten Microsoft-Technologien arbeiten. Es gibt eine lokale Version, welche zusätzlich zur Entwicklungsumgebung Visual Studio 2008 installiert wird, sowie eine Online-Variante, die mit ausführlicher und mehrsprachiger Dokumentation ausgestattet ist. Microsoft.NET Framework Windows Communication Foundation Self-Paced Training Kit Dabei handelt es sich um ein Vorbereitungsbuch für die Zertifizierungsprüfung MCTS (Microsoft Certified Technology Specialist) for Windows Communication Foundation. Bei der Windows Communication Foundation (WCF) handelt es sich vereinfacht gesagt um eine neue einheitliche Programmierschnittstelle für die verschiedensten Kommunikationstechnologien unter Windows. Sämtliche Dienste am Gebäude-Server wurden mit dieser Technologie realisiert. SQL Server 2005 Lokale Hilfe Da wir im Unterricht bereits einiges zum Thema Datenbanken mit SQL Server 2005 besprochen hatten, konnten wir relativ schnell die notwendigen Datenbanken aufbauen. Einarbeiten mussten wir uns noch zusätzlich in das Thema Stored Procedures sowie den Zugriff auf eine Datenbank mittels ADO.NET. Web-Server Microsoft Silverlight Homepage Auf dieser Webseite findet man Tutorials zum Einarbeiten in die Entwicklung mit Silverlight sowie eine umfangreiche Beispielsammlung zu den verschiedensten Themenbereichen. Expression Blend 2 Lokale Hilfe Bei Expression Blend handelt es sich um ein professionelles Werkzeug zum Erstellen von grafischen, animierten Benutzeroberflächen (Graphical User Interface GUI) basierend auf Windows Presentation Foundation (WPF). WPF ermöglicht die Entwicklung einer GUI durch einen Designer angekoppelt von der Entwicklung der dahinterliegenden Programmlogik durch einen Softwareentwickler. Die gesamte Benutzeroberfläche wird hierbei durch eine XML-ähnliche textuelle Beschreibung festgelegt (Extensible Markup Language XAML). Die Ausgabe erfolgt im Gegensatz zu herkömmlichen GUI-Systemen mittels Vektorgrafik, so dass eine laufende Skalierung auf die jeweilige Fenstergröße möglich ist. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 6

7 Google Maps API, AJAX-aktivierter WCF-Dienst Für die Gebäudeauswahl auf der Startseite des Web-Servers ist es notwendig, sämtliche verfügbaren Gebäude-Server auf einer Karte zu visualisieren, um somit eine ansprechende optische Auswahlmöglichkeit für den Benutzer zu bieten. Die Einbettung einer Google Map in eine eigene Webseite erfordert das Schreiben einiger JavaScript-Funktionen sowie den Aufruf eines WCF-Dienstes von Java-Script aus. Handy-Client Sun Developer Network (SDN) Die Java-Technologie wurde von der Firma Sun entwickelt, welche auf ihren Webseiten eine umfangreiche Informationsmöglichkeit zu diesem Thema bietet. Forum: API Spezifikationen: Programmierschnittstelle für den Zugriff auf Webservices Web Services API (JSR 172) Programmierschnittstelle für den Zugriff auf Beschleunigungssensoren Mobile Sensor API (JSR 256) Java ME API Dokumentation Die Online-Hilfe der Java Micro Edition wurde sehr häufig verwendet. Sie beschreibt ausführlich sämtliche Komponenten dieser Programmierplattform. Netzwerkkameras AXIS 206 Network Camera Manual Die Firma Axis ist ein Marktführer im Bereich der Netzwerkkameras. Nach einigen Recherchen haben wir uns für diesen Kameratyp entschieden. Windows Media Encoder, Windows Media Services Mit diesen beiden Tools wird die Infrastruktur für das Video-Streaming realisiert. Der Media Encoder wandelt das Videoformat der Axis-Kameras in ein Microsoft-kompatibles Format um. Die Windows Media Services können auf einem Windows Server 2008 als Zusatzdienst installiert werden und sorgen für die Veröffentlichung über das Internet mittels sogenannter frei konfigurierbarer Publishing Points. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 7

8 Zeitplan / Meilensteine Sommerferien 2008 September 2008 Oktober November Dezember Jänner Februar März Einarbeiten in die jeweiligen Technologien Eigentlicher Projektstart Datenbank für die Steuermodule sowie Netzwerkkameras Grundlegende WCF-Dienste Grundgerüst Website Grundgerüst Handy-Client Erste Steuerungsversuche über die Website Zugriff auf WCF-Dienste vom Handy aus Präsentation am Tag der offenen Tür Infrastruktur für die Netzwerkkameras (Windows Media Services) Webseite für die Gebäudeauswahl Fertigstellung aller Komponenten, abschließende Tests Fehlerbehebungen, Projektbericht und Dokumentation Aufgabenverteilung Durch die jeweiligen Interessen war die Aufgabenverteilung von Beginn an klar: Höckner Leonhard Handy-Client Klampfer Florian Munz Martin Silverlight-Website Gebäude-Server Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 8

9 2.2 Inhaltliche Beschreibung des Projektes Idee und Umsetzung Systemarchitektur Gebäude-Server, Steuerung und Konfiguration Über ein lokales Netzwerk (alternativ Funk, Bluetooth, ) sind innerhalb eines Gebäudes sehr kleine Steuermodule mit einem Gebäude-Server verbunden, welcher Dienste über LAN bzw. über das Internet anbietet. Die Steuermodule besitzen mehrere digitale bzw. analoge I/Os und können über die Dienste am Server abgefragt bzw. gesteuert werden. Netzwerkkameras Zusätzlich zu den Steuermodulen können Netzwerkkameras an das LAN angeschlossen werden, über diese können Live-Videos per Video-Stream angefordert werden. Web-Server Auf der Startseite erfolgt die Auswahl des gewünschten Gebäudes. Auf einer Weltkarte (Google Maps) sind alle registrierten Gebäude durch eine Markierung mit Zusatzinformationen dargestellt. Für die Implementierung dieser Funktionalität werden JavaScript-Bibliotheken von Google Earth Maps verwendet. Durch Doppelklick auf eine Markierung wird die Verbindung mit den Diensten des ausgewählten Gebäude-Servers aufgebaut. Authentifizierung als auch Autorisierung erfolgen hierbei mit Hilfe des ASP.NET Authentication-Services. Über die Webseite kann das gesamte System konfiguriert sowie gesteuert werden. Für den Zugriff auf das System wird zwischen zwei Rollen unterschieden: Benutzer und Administratoren. Normalen Benutzern stehen sämtliche Steuerungs- sowie Überwachungsfunktionen zur Verfügung, Konfigurationsaufgaben (z.b. beim Hinzufügen eines neuen Steuermoduls bzw. einer neuen Netzwerkkamera) sind ausschließlich Administratoren zugänglich. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 9

10 Ablauf Gebäudeauswahl auf der Startseite Login am Gebäude-Server des ausgewählten Gebäudes Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 10

11 Webseite für die Steuerung und Konfiguration Der obige Screenshot zeigt die Webseite für die Steuerung sowie die Konfiguration. I/O-Module können gesteuert bzw. konfiguriert sowie Live-Videos von Netzwerkkameras angezeigt werden. Das Beispiel beinhaltet einen Live-Video-Stream aus unserem Laborraum in der HTL Braunau. Auf einem Tisch wurde eine Lampe aufgebaut, welche durch Mausklick im Live-Video ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Wenn sich der Mauszeiger über einem angeschlossenen Gerät im Live-Video befindet, so werden mit Hilfe eines Tool-Tips Statusinformationen angezeigt. Der nebenstehende Screenshot zeigt die Protokollierungen aller laufenden Dienste auf unserem Entwicklungs-Gebäude-Server. Dienste nach außen ins Internet werden in der Endversion mittels WCF im IIS7 eines Windows 2008 Web-Server gehostet. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 11

12 Handy-Client, Ablauf Nach dem Start wird eine Liste der verfügbaren Gebäude-Server abgerufen und angezeigt. Nach der Verbindung mit dem Gebäude-Server wird die Liste der registrierten Steuermodule in diesem Gebäude abgerufen und angezeigt. Nach der Auswahl eines Steuermoduls werden Informationen über die verfügbaren I/O-Ports abgerufen und diese können gesteuert werden. Am Emulator: Liste der verfügbaren Gebäude-Server Am Emulator: Liste der verfügbaren Steuermodule am ausgewählten Gebäude-Server. Das Symbol kennzeichnet den Verfügbarkeitsstatus des Moduls (nur HTLModul10 ist im Moment aktiv). Handy-Client auf einem Sony Ericsson W760i Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 12

13 Verwendete Technologien, Probleme und Lösungen.NET Framework 3.5 (C#) WCF-Dienste des Gebäude-Servers ASP.NET 3.5 Webseite Windows Server 2008 (IIS7) JavaScript Kartendarstellung für die Gebäudeauswahl Silverlight 2 Benutzeroberfläche der Webseite Expression Blend 2 Windows Media Encoder Bereitstellen der Video-Streams der Kameras über Internet Windows Media Services SQL Server 2005 (ADO.NET) Datenbanken am Gebäude-Server sowie Web-Server Java Micro Edition Handy-Client (CLDC 1.1, MIDP 2.0) Atmel ATmega32(C) Microcontroller für die Steuermodule WizNET 3150A+ Netzwerkanbindung für die Steuermodule (TCP/IP in Hardware) Axis 206 Netzwerkkameras der Firma Axis Gebäude-Server Der Gebäude-Server stellt die zur Steuerung bzw. Überwachung eines bestimmten Gebäudes notwendigen Dienste im lokalen Netzwerk sowie über Internet zur Verfügung und ist mit einer SQL-Datenbank, lokalen WCF-Diensten sowie im Internet veröffentlichten WCF-Diensten ausgestattet. Datenbank Zum Speichern sämtlicher Daten wurde SQL Server 2005 verwendet, dabei handelt es sich um ein sehr umfangreiches relationales Datenbankmanagementsystem von Microsoft. Die Datenbank für den Gebäude-Server besteht aus mehreren Tabellen für die Speicherung aller relevanten Daten für die verfügbaren Steuermodule bzw. Netzwerkkameras sowie einer umfangreichen Sammlung an gespeicherten Prozeduren innerhalb der Datenbank, welche von den Konfigurationsdiensten genützt werden. WCF-Dienste Die WCF-Technologie (Windows Communication Foundation) ist eine neue dienstorientierte Kommunikationsplattform für verteilte Anwendungen aufbauend auf der Windows-Plattform. Dabei werden viele existierende Kommunikationstechnologien wie DCOM, Enterprise Services, MSMQ und Web-Services zusammengeführt und dem Entwickler in standardisierter Form unter einer einheitlichen API zur Verfügung gestellt. Das Hauptanwendungsgebiet von WCF liegt in der Entwicklung Service-orientierter Architekturen (SOA) für verteilte Anwendungen. Ein WCF-Dienst stellt für die Konsumenten (Clients) typischerweise eine Sammlung an Funktionen (welche als Dienstmethoden bezeichnet werden) zur Verfügung. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 13

14 Unser Projekt unterscheidet zwischen lokalen WCF-Diensten, im Internet veröffentlichten WCF- Diensten und den Diensten für die Netzwerkkameras: Lokale WCF-Dienste Lokale WCF-Dienste stehen nur innerhalb des Gebäude-Servers zur Verfügung, werden also nicht für den Zugriff über Internet veröffentlicht: Dienste für die Steuermodule - TCP-RegistrationService Dieser Dienst dient zur Anmeldung und Registrierung eines neuen TCP-Steuermoduls: Wenn ein Steuermodul an das Gebäude-LAN angeschlossen wird, so meldet es sich über eine TCP-Verbindung an diesem Dienst an. Dieser leitet die Konfigurationsdaten des Steuermoduls an den AdministrationService weiter, welcher diese in die Datenbank einträgt. - TCP-MonitoringService Dieser Dienst dient zur Überwachung aller registrieren TCP-Steuermodule: In regelmäßigen Zeitabständen werden alle registrierten TCP-Steuermodule auf Ihre Anwesenheit abgefragt (ping) und der aktuelle Status mittels des AdministrationService in die Datenbank eingetragen. - TCP-ControlService Dieser Dienst dient zur Steuerung bzw. Überwachung aller registrieren TCP-Steuermodule: Hierbei stehen Methoden für die Steuerung bzw. Abfrage aller vorhandenen digitalen und analogen I/Os von laufenden Steuermodulen zur Verfügung. - AdministrationService Dieser Dienst dient zur Konfiguration aller registrieren Steuermodule: - Registrieren von Steuermodulen (über den TCP-RegistrationService) - Eintragen von Statusinformationen der Steuermodule (über den TCP-MonitoringService) - Konfigurieren der Steuermodule: Bezeichner sowie Beschreibungen für Steuermodule bzw. I/Os, Wertebereiche Dienste für die Netzwerkkameras - Cam-MonitoringService Dieser Dienst dient zur Registrierung und Überwachung aller Netzwerkkameras: In zyklischen Zeitabständen wird eine sogenannte Multicast-DNS Abfrage in das Gebäude- LAN versendet. Wenn eine Netzwerkkamera an das Gebäude-LAN angeschlossen wird, so antwortet diese auf die DNS-Abfrage. Somit kann eine neu angeschlossene Netzwerkkamera automatisch erkannt werden und mit der zugehörigen Seriennummer in der Datenbank gespeichert werden. - Cam-ConfigurationService Dieser Dienst dient zur Konfiguration aller registrieren Netzwerkkameras: - Eintragen der Bezeichner sowie Beschreibungen - Festlegen der Video-Stream-URLs - Cam-PictureService Dieser Dienst dient zur Abfrage von Standbildern aller registrierten Netzwerkkameras Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 14

15 Im Internet veröffentlichte WCF-Dienste Diese Dienste stehen weltweit über Internet zur Verfügung. Im Wesentlichen werden dabei Proxy-Dienste für einen Teil der vorher beschriebenen lokalen Dienste mittels IIS (Internet Information Server) passwortgeschützt veröffentlicht, für die Authentifizierung wird der Authentication-Service von ASP.NET verwendet. Sämtliche Benutzerdaten sind hierbei in einer speziell dafür vorgesehenen Datenbank gespeichert. Da Silverlight nur das sogenannte basichttpbinding unterstützt, handelt es sich um WCF- Dienste, welche rückwärtskompatibel zu den bekannten ASP.NET Webservices sind. Die Daten werden dabei im XML-Format, also in einer plattformunabhängigen Art und Weise beschrieben. Somit können Softwareapplikationen verschiedenster Plattformen miteinander kommunizieren. Folgende Dienste sind über Internet mittels Proxy-Diensten veröffentlicht: - TCP-ControlService - AdministrationService - Cam-ConfigurationService - Cam-PictureService Normalen Benutzern stehen alle Dienstmethoden zur Steuerung bzw. Überwachung vollständig zur Verfügung. Der Zugriff auf Methoden für die Konfiguration von Steuermodulen sowie Netzwerkkameras ist ausschließlich Mitgliedern der Administratorrolle erlaubt. Visual Studio 2008 bietet eine Projektvorlage für einen Silverlight-kompatiblen WCF-Dienst, der notwendige Code für das Gerüst des Service wird dabei automatisch erstellt, so dass man sich auf die Programmierung der anwendungsspezifischen Funktionen konzentrieren kann, diese werden wie bereits erwähnt als Dienstmethoden bezeichnet. Der Zugriff auf die Datenbank innerhalb der Dienste erfolgt über die Programmierschnittstelle ADO.NET. Web-Server Der weltweite Web-Server stellt die komplette Webseite für die Gebäudeauswahl, den Login, die Funktionen für Steuerung/Überwachung sowie Konfiguration zur Verfügung und ist mit einer ASP.NET/Silverlight-Webseite sowie einer SQL-Datenbank ausgestattet. Webseite Auf der Startseite erfolgt die Auswahl des gewünschten Gebäudes. Auf einer Weltkarte (Google Maps) sind alle registrierten Gebäude durch eine Markierung mit Zusatzinformationen dargestellt. Für die Implementierung dieser Funktionalität werden JavaScript-Bibliotheken von Google Earth Maps verwendet. Durch Doppelklick auf eine Markierung wird die Verbindung mit den Diensten des ausgewählten Gebäude-Servers aufgebaut. Authentifizierung als auch Autorisierung erfolgen hierbei mit Hilfe des ASP.NET Authentication-Services. Über die Webseite kann das gesamte System konfiguriert sowie gesteuert werden. Für den Zugriff auf das System wird zwischen zwei Rollen unterschieden: Benutzer und Administratoren. Normalen Benutzern stehen sämtliche Steuerungs- sowie Überwachungsfunktionen zur Verfügung, Konfigurationsaufgaben (z.b. beim Hinzufügen eines neuen Steuermoduls bzw. einer neuen Netzwerkkamera) sind ausschließlich Administratoren zugänglich. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 15

16 Die Benutzeroberfläche im Browser ist vollständig mit Silverlight 2 erstellt. Silverlight ist die neueste Technologie von Microsoft zur Erstellung von interaktiven und animierten Benutzeroberflächen innerhalb eines Webbrowsers. Es handelt sich dabei um eine reduzierte Version der WPF (Windows Presentation Foundation), welche ebenfalls auf XAML basiert und die Programmierung mit Managed Code (C#) innerhalb des Browsers ermöglicht. Diese Technologie wurde erst Ende Oktober des vergangenen Jahres freigegeben, so dass wir die Entwicklung mit der Beta 2 Version beginnen mussten. Datenbank So wie auf den Gebäude-Servern wird der SQL Server 2005 verwendet. Die Datenbank für den Web-Server ist relativ einfach aufgebaut und besteht lediglich aus einer einzigen Tabelle für die Speicherung der Positionsdaten (Längen-/Breitengrad) sowie der Bezeichner und URLs der verfügbaren Gebäude. Diese Informationen können über einen eigenen Serverexplorer-Service abgerufen werden Handy-Client Die Handy-Anwendung für den Zugriff auf das System wurde aufbauend auf der Java Micro Edition (J2ME) programmiert. Dabei handelt es sich um eine abgespeckte Version der Java- Plattform speziell für mobile Geräte mit geringen Hardwareressourcen (wie z.b. Handys oder PDAs). Als Benutzerumgebung (IDE) wurde NetBeans 6.1 gemeinsam mit dem Mobility Pack verwendet. Kommunikation mit einem Webservice von einem Handy aus Für die Java Micro Edition existieren viele optionale Programmbibliotheken (Pakete) zur Erweiterung der Grundfunktionalität eines Java-fähigen Handys. Diese Pakete werden durch einen Java Specification Request (JSR) beschrieben. Für den Zugriff auf einen Webservice ist das Paket JSR172 (Webservices API) vorgesehen, welches auf neueren Mobiltelefonen praktisch vorausgesetzt werden kann und welches wir für unser Projekt verwenden. Die Entwicklungsumgebung NetBeans enthält einen sogenannten Stub-Generator zur Erstellung der notwendigen Proxyklassen für Webservices. Ein Webservice wird durch eine sogenannte WSDL (Web Service Description Language)-Datei beschrieben, ein Stub-Generator erzeugt aus einer solchen WSDL-Datei die notwendigen Klassen für den Zugriff auf den Webservice. Leider konnte der Stub-Generator von NetBeans nicht verwendet werden, da die WSDL-Dateien von WCF-Diensten Elemente enthalten, welche von diesem Stub-Generator nicht verstanden werden. Als Ersatz wurde dafür der Stub-Generator des Sun Wireless Toolkit verwendet, welcher die gewünschten Proxyklassen erfolgreich generieren konnte. Hauptproblem beim Zugriff auf die notwendigen Webservices ist die Verwendung des ASP.NET Authentication-Services mit Hilfe der generierten Proxyklassen. Der ASP.NET Authentication-Service verwendet für die Benutzeridentifikation sogenannte Session-Cookies. Diese werden von der JSR172-Bibliothek zwar prinzipiell unterstützt, können aber nur innerhalb einer Proxyklasse verwendet werden und nicht innerhalb verschiedener Proxyklassen quasi ausgetauscht werden. Genau diese Funktionalität ist in unserem Fall aber notwendig, da wir ein und denselben Session-Cookie für mehrere Webservices (jeweils eine Proxyklasse für einen Webservice) verwenden müssen. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 16

17 Die Lösung dieses Problems war nur durch eigenständiges Implementieren einer intern verwendeten Klasse der JSR172-Bibliothek möglich. Nach langwieriger Suche fanden wir im Internet den Sourcecode der betreffenden Klasse und bauten die notwendigen Änderungen ein. Mit viel Geduld und Aufwand konnte somit die gewünschte Funktionalität realisiert werden. Der Authentication Service liefert bei einem erfolgreichen Login einen Session-Cookie, welcher für alle Proxyklassen wiederverwendet werden kann. Steuerung durch physische Handybewegung Für die Abfrage von Sensoren am Handy existiert für die Java Micro Edition ein optionales Paket mit der Bezeichnung JSR256 (Mobile Sensor API). Mobiltelefone, welche dieses Paket enthalten, erlauben dem Entwickler die Abfrage von Sensordaten innerhalb einer Java-Anwendung. Wir benutzen dieses Paket, um laufend die Daten eines vorhandenen Beschleunigungssensors abzufragen. Dabei ist es möglich, laufend Werte für alle drei Achsen (x,y,z) des Handys zu ermitteln und somit eine Steuerung durch physisches Bewegen des Handys zu ermöglichen. Zum Beispiel kann ein digitaler Ausgang durch Hin- und Herkippen ein- bzw. ausgeschaltet werden oder der Wert eines analogen Ausgangs durch Drehen des Handys gesteuert werden. Live-Video-Streaming Für unser Projekt setzen wir Netzwerkkameras der Firma Axis ein. Axis ist Marktführer in diesem Bereich und bietet eine große Palette von IP-Kameras an. Ein großer Vorteil dieses Kameratyps ist die weite Verbreitung sowie die gute Softwareunterstützung. So können diese Kameras mit Hilfe eines Treibers als Quelle für den Windows Media Encoder installiert werden. Der Windows Media Encoder wandelt das Bildformat der Netzwerkkamera in das für das Streaming notwendige Format um und ermöglicht die Festlegung der Bildgröße sowie einer maximalen Bitrate. Wir haben uns nach einigen Tests für 100kBit/s und eine Videogröße von 320x240 Pixel entschieden. Für die Bereitstellung der Streams über das Internet werden auf dem Web-Server (Windows Server 2008) die Windows Media Services verwendet. Diese erlauben es, sogenannte Publishing Points (Veröffentlichungspunkte) zu definieren. Ein Publishing Point ist die Verknüpfung zu einer Videoquelle und die Definition einer URL zur Veröffentlichung sowie die Festlegung von Protokolleigenschaften. Ein Abrufen des Video-Streams ist über HTTP bzw. RTSP möglich. Ein WCF-Service (Cam-MonitoringService) am Web-Server erlaubt die automatische Erkennung einer vorhandenen Netzwerkkamera und die Registrierung derselben in der Datenbank. Über den Cam-ConfigurationService kann die URL in der Datenbank gespeichert werden. Für die Anzeige des Live-Video-Streams einer Netzwerkkamera innerhalb der Webseite wird das Media-Element von Silverlight 2 verwendet. Als Übertragungsprotokoll wird HTTP unterstützt. Als besondere Innovation erlaubt unser Projekt die Steuerung von Geräten direkt im Live-Video einer Netzwerkkamera auf der Webseite. Falls man sich mit dem Mauszeiger über einem zu steuernden Gerät im Live-Video befindet, so werden Statusinformation über das betreffende Gerät als ToolTip angezeigt und das Gerät kann per Mausklick bzw. Mausbewegung gesteuert (z.b. ein- und ausgeschaltet) werden. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 17

18 Bisherige Ergebnisse Das System ist mit annähernd vollem Funktionsumfang prototypisch umgesetzt. Die Steuerung, Konfiguration sowie die visuelle Überwachung funktioniert reibungslos. Die verbleibende Zeit wird einerseits für weitere Tests und Fehlerbehebungen sowie andererseits zum Verfassen der eigentlichen Projektdokumentation verwendet werden. Nachfolgend ist der im Moment implementierte und einsatzbereite Funktionsumfang des Systems für jede Komponente detailliert beschrieben: Gebäude-Server - Datenbank mit SQL Server 2005 mit allen Tabellen und gespeicherten Prozeduren - Geschützte WCF-Dienste (lokal bzw. im Internet veröffentlicht) Web-Server - Vollständig auf die Silverlight-Technologie basierende Benutzeroberfläche - Auswahl eines Gebäudes auf einer Weltkarte (Google Maps) und Weiterleitung auf den betreffenden Gebäude-Server - Login am Authentication-Service eines Gebäude-Servers - Funktionen zur Steuerung bzw. Konfiguration - Laden der Liste aller vorhandenen Steuermodule (Status running/not running) - Laden der Liste aller vorhandenen Netzwerkkameras (Status running/not running) - Steuern/Abfragen von I/Os - Abrufen von Online-Videos der Netzwerkkameras - Steuern/Abfragen von I/Os direkt im Live-Video einer Netzwerkkamera Handy-Client (noch nicht voll funktionsfähig) - Auswahl eines Gebäude-Servers (mittels eines eigenen Dienstes am Web-Server) - Laden der Liste aller vorhandenen Steuermodule (Status running/not running) - Steuern/Abfragen von I/Os (zur Zeit nur digitale Ausgänge) Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 18

19 Ausblick Sowohl am Gebäude-Server als auch am Web-Server wurden nahezu sämtliche gewünschten Funktionen realisiert. Folgende Funktionen wären noch wünschenswert: Handy-Client - Der Login am Gebäudeserver muss noch implementiert werden - Die Abfrage der Netzwerkkameras sowie von Standbildern muss noch implementiert werden. - Anzeigen eines Live-Video-Streams Die Multimedia API, welche auf jedem Java-fähigen Handy vorhanden ist, unterstützt laut Spezifikation lediglich optional das RTSP-Protokoll (Real Time Streaming Protocol). Die von uns verwendeten Media Services auf dem Web-Server unterstützen dieses Protokoll, es scheint aber in den momentan vorhandenen Implementierungen von RTSP auf Handys einige Einschränkungen zu geben. Ein zusätzliches Problem ist die Tatsache, das RTSP über UDP (User Datagram Protocol) arbeitet und somit eine Übertragung über eine Firewall hinweg problematisch sein dürfte. Die Datenmenge für eine Live-Stream-Übertragung auf ein Handy wird im Moment auch vom Kostenstandpunkt her gesehen ein gewisses Problem darstellen (abgesehen von einem Internetzugang über WLAN). Im Moment beschränken wir uns darauf, ein Standbild einer Netzwerkkamera anfordern zu können, dazu wurde am Server ein spezieller WCF-Dienst implementiert. - Zur Zeit ist keine Konfigurationsfunktionalität am Handy-Client vorgesehen, dass heißt es stehen ausschließlich Steuerungs- bzw. Überwachungsfunktionen zur Verfügung. Unser hauptsächliches Projektziel war es, bis März einen funktionsfähigen Prototyp des Systems zu Demonstrationszwecken zu realisieren. Protokollierung Sämtliche Zugriffe auf das System sollten protokolliert werden. Dazu könnte man das Windows Event-Log-System verwenden, wobei ein Problem hierbei die Vergabe von Rechten zur Nutzung dieses Dienstes sein dürfte. Die Protokollierung sollte auf einfache Art und Weise ein- und ausgeschaltet werden können. Pocket PC Neben dem Handy-Client wäre auch ein Client für einen Pocket PC mit Windows Mobile sehr wünschenswert. Dies wird mit ziemlicher Wahrscheinlichkeit im Rahmen einer eigenständigen Projektarbeit realisiert. Besonders interessant ist hierbei, den Live-Video-Stream einer Netzwerkkamera innerhalb einer eigenen Applikation darzustellen. Auf dieser Plattform steht das Windows Media Player Control der Windows Desktop Variante nicht unmittelbar zur Verfügung, es sollte jedoch möglich sein, das Hosting dieses vorhandenen ActiveX-Controls zu realisieren. Weiteres Problem auf Windows Mobile ist die fehlende Unterstützung für Session Cookies in WCF-Clientproxys. Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 19

20 Lebenslauf Angaben zu meiner Person Name: Martin Munz Geburtsdatum: Geburtsort: Staatsangehörigkeit: Braunau am Inn Österreich Anschrift: Dir. Mayr Str Uttendorf Schulbildung Volksschule Uttendorf Hauptschule Mauerkirchen seit 2004 HTL Braunau - Mobile Computing & Software Engineering Besondere Fähigkeiten und Interessen gute Kenntnisse in C, C++ und C# Programmierung sehr gutes Englisch in Wort und Schrift CCNA 1 Cisco Network Academy Programm Begabtenförderung Informatik Höckner Leonhard, Klampfer Florian, Munz Martin 20

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