[论文解读] Evaluating a Development Framework for Engineering Internet of Things Applications

Pankesh Patel, Tie Luo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2016

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 27被引用 6

一句话总结

本文评估了一种基于领域特定语言（DSL）的物联网（IoT）应用开发框架，该框架可降低开发工作量，提升可重用性，并支持可扩展的异构物联网系统。该框架能够高效建模复杂应用（如个性化暖通空调控制），实证结果表明，与现有最先进方法相比，其在表达能力、内存效率和开发人员生产力方面表现优异。

ABSTRACT

A critical challenge is to enable IoT application development with minimal effort from various stakeholders involved in the development process. Several approaches to tacking this challenge have been proposed in the fields of wireless sensor networks and ubiquitous and pervasive computing, regarded as precursors to the modern day of IoT. However, although existing approaches provide a wide range of features, stakeholders have specific application development requirements and choosing an appropriate approach requires thorough evaluations on different aspects. To date, this aspect has been investigated to a limited extend. In view of this, this paper provides an extensive set of evaluations based on our previous work on IoT application development framework. Specifically, we evaluate our approach in terms of (1) development effort: the effort required to create a new application, (2) reusability: the extend to which software artifacts can be reused during application development, (3) expressiveness: the characteristics of IoT applications that can be modeled using our approach, (4) memory metrics: the amount of memory and storage a device needs to consume in order to run an application under our framework, and (5) comparison of our approach with state of the art in IoT application development on various dimensions, which does not only provide a comprehensive view of state of the art, but also guides developers in selecting an approach given application requirements in hand. We believe that the above different aspects provide the research community with insight into evaluating, selecting, and developing useful IoT frameworks and applications.

研究动机与目标

• 为解决在多个层次和生命周期阶段中，物联网应用开发面临的高开发工作量和关注点分离不足的挑战。
• 从开发工作量、可重用性、表达能力、内存指标以及与现有方法的对比角度，评估所提出的物联网开发框架。
• 为基于利益相关者需求选择或设计物联网框架提供全面的实证依据。
• 通过可衡量的定量标准，指导开发人员和研究人员评估、选择和构建高效的物联网框架。

提出的方法

• 该框架采用文本式领域特定语言（DSL）结合Java进行应用建模，支持对物联网逻辑的高层抽象。
• 通过Eclipse插件IDE支持模型驱动开发，提供语法高亮、错误报告和自动化功能，以减少编码工作量。
• 从五个维度对方法进行评估：开发工作量、可重用性、表达能力、内存占用以及与15种现有物联网框架的对比。
• 通过一个真实世界的楼宇自动化用例——个性化暖通空调控制——来展示该框架在处理复杂事件驱动逻辑方面的能力。
• 采用12维评估矩阵进行对比分析，评估功能包括编程接口、IDE支持、开源状态、部署成熟度和生命周期支持等。
• 评估结合定性评估与定量指标，包括从资源受限设备上的实现与部署中得出的内存占用和代码重用率。

实验结果

研究问题

• RQ1 与现有物联网开发方法相比，该框架在多大程度上降低了开发工作量？
• RQ2 在不同物联网应用之间，软件构件在该框架中可重用的程度如何？
• RQ3 该框架的DSL和抽象机制能够有效建模哪些类型的物联网应用特征？
• RQ4 在嵌入式设备上，使用该框架开发的应用程序的内存和存储开销是多少？
• RQ5 在IDE支持、开源可用性和生命周期支持等关键维度上，该框架与现有最先进物联网开发解决方案相比如何？

主要发现

• 该框架显著降低了开发工作量，支持快速原型设计和复杂物联网应用（如个性化暖通空调控制）的实现。
• 通过模块化DSL构件和基于组件的设计，实现了高度可重用性，使共享逻辑在多个应用中仅需极少修改即可复用。
• 该框架表现出强大的表达能力，能够有效支持大规模异构物联网部署中典型的复杂事件驱动和分布式逻辑。
• 内存指标显示开销极低——应用程序占用的存储空间和RAM极少，使其适用于资源受限的物联网设备。
• 与15种现有最先进方法相比，该框架在IDE集成、开源可用性和完整开发生命周期阶段支持等关键维度上排名靠前。
• 评估结果证实，该框架提供了一种平衡且实用的解决方案，能够在真实物联网场景中同时支持开发人员生产力和系统效率。