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主题WEB:一种物联网感知模型驱动设计方法
L. Mainetti, L. Manco, L. Patrono, I. Sergi, R. Vergallo
Dept. of Innovation Engineering
University of Salento
Lecce, Italy
{luca.mainetti, luigi.manco, luigi.patrono, ilaria.sergi, roberto.vergallo}@unisalento.it
摘要
物联网、极端异质性的传感器、执行器和用户设备要求新的工具和设计模型能把用户的需求场景被机器理解。科学界对该问题提出了不同的解决方案,比如MQTT(MQ遥测传输)协议引入了主题概念“关键标识负载数据发表的信息通道”。这项研究扩展了主题方法提出的主题(WoX),物联网的概念模型，WoX主题由两个坐标确定:(1)感兴趣的一个离散的语义特征(如温度、湿度)，和(2)一个基于URI的位置。一个物联网的实体定义了它的角色在一个主题通过指定其技术和协作方面。通过这种方法,很容易一个物联网的实体定义为一组情侣Topic-Role。为了证明WoX方法的有效性，我们开发了WoX API的一个EPC全球实现。随后,10个开发人员被要求构建一个基于WoX的应用程序支持在学校物理实验室场景。他们还填写了一个售前和售后的调查问卷。有一组定性和定量指标允许测量这个模型的结果。
目录条目：物联网，信息架构，软件度量，数据模型
Ⅰ介绍
最近的创新领域的微处理器，传感器/致动器技术和通信已经引领计算机系统进入了一个新时代，所谓的普适计算系统，将在我们的日常生活中无处不在。在这一领域的一个重要挑战是数字世界的集成和物理世界的集成，反之亦然，所以日常对象可能成为智能对象能够为用户提供新的服务[1][2]。在这个角度看，几个服务平台提出了标准化集成体系结构。但是它们的复杂性，尤其是缺乏知名的工具让它们可用的资源只有一小部分专家开发人员，因此他们使用的应用程序是相当有限的。
当前,新的愿景是完成克服上述限制的目标。它是基于发布-订阅信息通信技术(ICT)设计模式，设计灵感来源于人类之间的沟通:主题概念。在物联网(IoT)，一个主题分离了数据的生产者和消费者，同时简化建模阶段。此外，主题可以重复使用和适应构建新的应用程序和服务。普遍接受的标准和图纸使用主题的方法来解决常见的问题。在物联网中，MQTT(MQ遥测传输)是一个流行的基于主题的协议。
尽管这是个有趣的方法，但是设计阶段的物联网场景和自动部署仍然是一个绊脚石。很多现有的基于主题的解决方案都过于固执的专注于特定的硬件设计的概念，如“传感器”和“执行机构”。原因是主题定义主要是留给开发人员和工程师。这是有偏见的，因为他们有着高大的专业形象。缺乏一个由所有的物联网共享利益相关者(如终端用户、决策者、工程师、开发人员) 共同的IoT-aware设计模型是一个限制，因为开发人员应该是物联网专家和利益相关者，他们不能在没有遇到重大的差距时设计创新场景与解决方案。
为了满足这种需求，目前的工作提出了一个Web主题（WOX）模型，其中一个话题是由两个坐标确定：（1）感兴趣的离散特征（如温度、湿度、空气质量）。（2）一种基于URI的位置。WOX特征不是技术而是非正式的话题的争论，如温度、人群、报警，即任何人定义的、可衡量的、可感知的、可控的环境实体。在现场之后，每个终端用户应用程序和物联网节点声明了一组角色（即传感器的能力，传感器的需要，执行器的能力，执行器需要）的主题感兴趣。WOX的工作目的不是取代MQTT，而是MQTT的上面提供一个强大的物联网的概念模型。
WoX 的java工具的API和Android编程语言被开放，为了证明所提出的方法，从和作为开发商的应用方面的有效性，做了一个实际的实验测试。十个异构编程技能的开发人员被要求实施一个给定的场景。通过使用定性和定量指标，实验阶段提供了一个应用他们以前的知识衡量其性能的方式。这项研究利用这种引进的模式分析了MQTT方法的基础。
Ⅱ相关资料
在文献中，人们对利用不同的抽象图案实现物联网互动的场景的设计的兴趣很深。特别是物联网（WOT）模式为了便于集成和提高互操作性，已经出现了以抽象的物理嵌入式设备的异质性。
MQTT[3]是一个完成的WOT视觉的巧妙方法。它是一个轻量级的基于代理的发布/订阅消息协议，设计的思想是开放，简单，轻量级，易于实现。MQTT协议引入“主题”概念作为“关键标识信息通道和有效载荷数据发布。用户使用关键标识，以确定信息渠道，他们以此获得已发表的信息。”MQTT主题通过使用Unix的层次结构识别的物联网环境的特点，允许在物联网基础设施添加语义层。通过这样的协议，客户可能会从其他客户那里更新发布或更新订阅。
在过去的几年中，无论是工业领域和还是研究领域，试图利用高水平的Web协议和标准连接MQTT。例如，IBM的WebSphere MQ遥测系统[4]其并购了IBM的标准程序。程序的消息传送是通过WebSphere MQ和MQTT协议在多个平台实现的，一方面为了使不同的设备在世界任何地方相互连接连接企业应用和使用Web服务。另一方面在[6]设计了一种新的经纪人能够汇集其他面向Web架构与MQTT协议的实时性能的操作者，所以定义了一个新的设备和网络之间的交互协议。这项研究的目标是，以弥补机器和开发人员之间的差距，让用户跟上的物联网系统的快速发展。
在[6]作者提出了一种改进的以EPC全球架构[7]版本创建灵活的物联网体系结构在高密度和流动性环境。基于标准的架构，如EPC兼容的，可以有效地解决物联网网络过载的问题，让工程师和开发人员在捕获应用层定义业务场景的原因。
为了集成不同的协议和标准的结束，事物的语义Web（SWOT）是一种新兴的视觉技术，它加入了语义网和物联网。一种广泛使用的语义结构的实现工具是smart-m3 [8]。它是一个基于内容的，语义订阅通知，和开放源代码中间件能够提供一个语义网络信息共享的软件实体和设备之间的基础设施。对smart-m3关注智能应用环境和提供智能服务的物理世界信息的共享互通信息的主要目标。在[9]和[10]作者提出了新的建立在smart-m3语义结构的普适计算和物联网系统。在这样的体系结构中，设备的信息和功能是用语义来表示。
当使用最先进的技术时，我们观察到的是，当标准成为基础时，目前的物联网的实现，以及执行和可扩展性，但缺点在于配置简单。而且基于语义的实现是高度灵活的，接近人类的语言，同时要兼具物联网的兼容性。
技术很差的话，必须在每个使用的基础上实现。WoT模型的距离缩短了物联网和人类之间（开发者和用户）。然而，即使使用RESTful或MQTT架构，信息单元通常是物联网设备，不感兴趣的话题。对于这个范围，该模型旨在填补物联网设计师和开发商之间的差距。
Ⅲ主题模式的WEB
正如在第二节报道中，众所周知的的基于WoT架构和平台试图解决物联网的经典问题：可扩展性、异质性和隐私问题。特别是MQTT提供建筑物联网的架构体系非常方便话题的方法。然而，它缺乏在定义一个严谨的分析模型周围的主题概念，可以共享不同的物联网的利益相关者。为了克服这些问题，目前的工作主要介绍了主题网站（WoX）模型。它试图提供一个共同的语言，以及所有的物联网生产链。工作可以被看作是在物联网协议栈的WOT和应用程序之间铺设额外的抽象层（图2）。在下面的内容中，读者可以参考作为物联网实体硬件节点和物联网应用。
在WOX中，“传感器”和“执行”的概念不存在了。主要的概念主题为：它可以被定义为一个实体，它在一定的位置描述了一个感兴趣的数量被称为特征。更严格的是，该特征是任何实体的可感知的环境，可定义的，可测量的和可控的。因此，主题模型能够抽象出任何物联网实体。在模型中，主题思想是与角色严格相关的。它在自己所代表的实体范围内它可以提供功能的功能有：可作为传感器，执行器或进行计算。一些典型的主题是：在一个酒店的房间里，一个公共区域的人群中的温度，在家里被激活的报警功能，计算智能设备上的数学函数。形式上F是我们WOX模型支持的功能集：
地点是表达层次以下的URN（统一资源名称）方案，例如“urn：意大利：萨伦托：高中：第一层：phylab:desk1”或“urn：美国：加利福尼亚：香格里拉：西木：overlandavenue：2801”。使用层次模型的位置是非常有用的，因为如果需要的话，它允许向父母的位置传播（冒泡）物联网事件。做为特色，L是在WoX模型中设置支持的集合地点：
该集合中还包括2个特殊位置：
bull;loc_any，即任何一个位置的通配符；
bull;loc_self，即一个指针的当前位置。另一个很有趣的可能性是定义虚拟位置的可能性，例如在一个有效的协同虚拟环境（CVE），例如 “urn：CVE：SecondLife：地点：都柏林市中心：大教堂”。
因此，T被定义为在位置上的一些特征集：
关于MQTT，在WOX中主题是关键是谁在访问服务和提供服务。不同于MQTT，在其中通过单一的URI对主题进行了匹配，在WOX中特征和位置被分裂在两个不同领域。通过这种方式一个非通信技术专家将更容易的去了解主题的内容。
对于物联网的设计师和开发商了解目前的概念是完全强制性的。接下来的部分介绍了在这些情景下WOX如何工作。
一种物联网实体将结合WOX建筑告诉它的作用。一种相对于一个特定的主题WOX作用，以二维表示：
bull;协作维度层面，它包括2个方面：（i）在主题中执行服务的能力（ii）可以执行的其他实体需要的服务。
bull;技术层面。它包括了传统（i）传感器和（ii）执行器的区别，以及一个通用的（ii）功能服务。
因此，有必要确定以下二维集：
这“需要”满足很多的条件比如硬件的协同，小尺寸，低耗能和有限的物联网设备。通常情况下，一个物联网设备被编程为一个单一的任务，因此它肯定是非常有趣的，让一个设备来询问别人的服务，并且它不能执行。此外，物联网感知的应用程序总是需要来自物理层的东西，所以 “需要”模型完全符合他们的特性。
在技术层面的 “功能”方面更是有趣：物联网实体不仅可以感触或改变环境，他们也可以与他人分享他们的计算智能。一个设备在2个整型和以及功耗算法方面可以简单地寻找一个能够执行一个最大/最小的函数，并要求返回其结果。通过利用功能方面，物联网应用可以在全球的另一边作为一个节点运行这样的计算。
因此，WOX角色R设置如下的笛卡尔积：
括号内的项目分别为传感器：传感器的性能，执行能力，功能能力，传感器的需要，执行器的需要和功能需要。这个通用的物联网实体Z可以被建模为一组属于以下笛卡尔乘积的角色主题：
通过这种即使是最复杂的方式，可以模拟任何设备或应用程序物联网技术。
主题方法已被作为UML类用模型中的方法描绘在图1中。该话题类有两个成员变量的位置用来设置主题相关的值。其中一个位置用来控制最新的值，另一个位置是设置优先级的值，他们分别用于发送和接收关于所需主题的要求。这种模型是发布/订阅设计模式范围的理由有：每次物联网节点的显示，它宣布其作用公式（7）。相应的订阅类是实例化和得到重视的话题实例。当主题的实际值得到更新，SN（即消费者信息）得到通知。当话题优先值被修改，AC的订阅者将被通知，因此这些订阅者可以免除他们的任务。如果主题的特点是功能，那么它的实际使用价值就是是传递函数参数并获得功能结果。
IV实验验证
本节通过描述活动的实施，介绍了 “在外部”的WOX的工作模式。10个开发者被要求使用WoX 的javaAPI实现一个给定的物联网和一个在学校的物理智能实验室。（参考图2）这些API被展示在实现了EPCglobal的fosstrak [11]顶部。
A实验描述
实验的目的是验证预想一个给定的物联网场景和实际中使用WOX方法实现这种场景的距离。因此该实验分为2个主要步骤：（i）预期的步骤。（ii）工作实施的步骤。在第一步，开发者被要求设计方案采用UML软件设计语言没有任何能力的WOX模型，即他们的WoX处于被致盲状态”。换句话说，他们被迫仅利用他们了解的古典建筑和软件的知识来设计样品。
图一 WoX模型
图2 基于物联网WoX的堆栈
为了测量这之间的差距，在实验项目第二步结束时有一组软件指标被放入其中。这样实验就可以提供关于WOX模型的主要特点的信息和关于一些重要的ISO/IEC 9126软件质量标准[12][13]最重要的原则。可供选择的改进GQM（Goal-Question-Metric）的方法[14]，如表I所示。
在细节上，实验包括以下阶段：
1）预期
在基于谷歌制式的准备后，Q1的调查问卷被通过电子邮件发送给开发商。Q1下载地址为http://goo.gl/forms/i3k6zmdftp。
Q1问卷调查包括两部分：
a）开发商在其中表达了他们编程技巧的5点Likert量表（包括通用和具体的物联网，如射频识别，无线传感器网络，COAP，NFC）。
b）提出物联网的设计方案：一种用来验证关于第一欧姆定律的正确性的实验工具的相关资料下载地址为http://goo.gl/qnar0f。在该实验中一个在模型中为线性函数的调光器控制热散发的灯泡。在同一个电路中一个转为线性函数的温度计被
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