Resumen El Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT) es una parte integral de la Internet del futuro. IoT se puede entender como una infraestructura de red global dinamica con capacidad de auto con guracion, basada en protocolos de comunicacion estandar e interoperables, donde \cosas" f sicas y virtuales tienen identidad, atributos f sicos y personalidades virtuales. El principal problema en las soluciones tecnologicas para IoT se presenta en un nivel de aplicacion, es decir, un conjunto de componentes de software que se requiere desarrollar para gestionar las cosas, objetos o dispositivos a interconectar. Estos requerimientos propician la utilizacion de los principios del Desarrollo Dirigido por Modelos (Model-Driven Development, MDD) para la construccion de aplicaciones de software, permitiendo generar modelos en diferentes niveles de abstraccion, con la posibilidad de generar artefactos de implementacion de software (codigo) en diferentes plataformas. En este art culo, se propone una metodolog a basada en MDD con diferentes niveles de abstraccion, punto de vista, y granularidad, con el objetivo de guiar el desarrollo de aplicaciones de software para IoT. La metodolog a es soportada mediante metodos de transformacion de modelos posibilitando la generacion del codigo de las aplicaciones de software para IoT. Adicionalmente, se presenta una arquitectura orientada a servicios para el despliegue de aplicaciones de software, conformada de cuatro capas que permiten identi car los componentes requeridos para la implementacion de sistemas de IoT.
(del ingles Internet of Things, IoT) [
Los avances alcanzados en materia de automatizacion y ambientes inteligentes han llegado a niveles importantes, cada vez son mas las aportaciones en este sentido a traves de los conceptos de IoT: ciudades inteligentes, automatizacion de casas, e-health, manejo inteligente de uso de agua, por mencionar algunos. Con los bene cios que han generado estos nuevos paradigmas, se ha presentado tambien la complejidad en su desarrollo; es por ello que se han buscado alternativas que faciliten los procesos de generacion e implementacion de aplicaciones innovadoras. Entonces, el contar con modelos que conceptualicen el dominio de un problema espec co, y que permitan identi car, clasi car, y abstraer los elementos que lo conforman, representa la posibilidad de alcanzar una implementacion automatica e ciente.
En este sentido, el Desarrollo Dirigido por Modelos (del ingles Model Driven
Development, MDD) esta basado en modelos que, en un principio, minimizan
los aspectos tecnologicos de manera que sea mas e ciente la comunicacion entre
los usuarios, los analistas, y los desarrolladores de un sistema, permitiendo
seleccionar la plataforma tecnologica hasta el nal del proceso. La utilizacion de
MDD representa una mayor productividad y e ciencia, en cuanto a que se
genera automaticamente el codigo como producto de una serie de transformaciones
de modelos, favoreciendo a la consistencia como producto de la automatizacion.
Los modelos de alto nivel de abstraccion se transforman en modelos de nivel
mas bajo, en donde la relacion entre ambos da como resultado una dependencia
que guarda el proceso que se ha seguido hasta llegar a una solucion
tecnologica, contribuyendo a comprender las consecuencias de los cambios en cualquier
momento del proceso de desarrollo [
Como parte del proceso de modelado, en donde los modelos son unidades
productivas de las cuales emanan las implementaciones automaticas, encontramos
como puntos medulares a la abstraccion, representada por lenguajes de modelado
de alto nivel; la automatizacion, que permite transformar los modelos en
programas computacionales; y los estandares, o herramientas complementarias de
desarrollo; con la nalidad de obtener los artefactos o modelos formales que
puedan ser comprendidos por una computadora [
En este art culo se propone un metodolog a basada en el MDD que permita guiar el proceso de desarrollo de aplicaciones de software orientadas a servicios, que posibiliten satisfacer los requerimientos de negocio del dominio de IoT. La metodolog a se conforma de un conjunto de metodos basados en MDD con diferentes niveles de abstraccion, punto de vista y granularidad. Ademas, se presenta una arquitectura para sistemas de IoT compuesta de cuatro capas, y que se basa en el enfoque de SOA. Lo anterior, permite garantizar la interoperabilidad entre dispositivos heterogeneos en multiples v as, estableciendo un puente entre el mundo f sico y el mundo virtual de IoT. 2.
El principal requerimiento de IoT es que las cosas u objetos en la red deben estar interconectadas. La arquitectura de un sistema de IoT debe garantizar las operaciones de las cosas, permitiendo establecer un puente entre las cosas (parte f sica) y el mundo virtual de IoT. La arquitectura basada en SOA para el desarrollo de sistemas de IoT propuesta se conforma de 4 capas, tal como se muestra en la Figura 1 y se describen a continuacion.
Figura 1. Arquitectura basada en SOA para IoT
Capa de Objetos. Esta integrada con los objetos de hardware disponibles en
la red que detectan el estado de las cosas. En la capa de objetos, los
sistemas inteligentes mediante etiquetas (tags) o sensores, son capaces de
detectar automaticamente el medio ambiente y el intercambio de datos entre
los dispositivos. Los objetos de esta capa deben tener una identidad digital
(identi cador unico universal, UUID), lo que permite raestrear al objeto en
el dominio digital, posibilitando cumplir con la expectativa de IoT de ser
una red f sica inter-conectada en todo el mundo, en el que las cosas estan
conectadas a la perfeccion y se pueden controlar de forma remota [
Capa de Aplicacion. Es la capa responsable de la entrega de las aplicaciones
a los diferentes usuarios de IoT. La intencion de la arquitectura es soportar
aplicaciones verticales. El desarrollo de aplicaciones en IoT se ha centrado
en las areas de salud, agricultura, transporte, ciudades inteligentes,
automatizacion de casas, sistemas complejos para la toma de decisiones, gestion de
uso de agua, etc [
Figura 2. Esquema de la capa de servicios de SOA 3.
La metodolog a propuesta apunta al uso de modelos conceptuales en diferentes puntos de vista, niveles de abstraccion, y de granularidad. Los artefactos de salida de las fases de esta metodolog a se representan por medio de modelos (de procesos y/o sistemas), generados mediante la aplicacion de los principios del MDD. El resultado nal son los artefactos de implementacion de software, es decir, el codigo de las aplicaciones o sistemas de software para IoT. En la Figura 3 se presentan las fases que componen esta metodolog a: 1) analisis de requerimientos de negocio, 2) de nicion de la logica de negocio, 3) disen~o de la solucion integrada de servicios, y 4) generacion de la solucion tecnologica.
Figura 3. Metodolog a basada en MDD para desplegar aplicaciones de IoT Fase 1. Analisis de los requerimientos de negocio. Esta fase consiste en analizar el dominio del problema e identi car los requerimientos de negocio. Esto se realiza considerando los requerimientos funcionales y no funcionales del sistema. Para de nir el modelo de requerimientos de negocio se utiliza el lenguaje UML, capturando el ujo del proceso de software mediante diagramas de casos de uso y diagramas de actividades, generando un modelo de nido en un nivel PIM de MDD.
Fase 2. De nicion de la logica de negocio. Esta fase se enfoca en el disen~o de los procesos de negocio requeridos para soportar la logica de negocio y los requerimientos de negocio. Entonces, se utiliza como entrada a la fase, el modelo de requerimientos de negocio generado previamente, y se complementa mediante la de nicion de la logica del proceso de negocio, utilizando el lenguaje de modelado y notacion de procesos de negocio (Business Process Model and Notation, BPMN), lo cual permite generar un modelo de la solucion de negocio de nido en un nivel PIM del MDD, describiendo el comportamiento e interacciones del proceso de negocio desde un punto de vista global.
Fase 3. Disen~o de la solucion integrada de servicios. Esta fase tiene por objetivo la de nicion de un modelo de la arquitectura de TI, en un nivel independiente de la plataforma para separar la solucion de la logica de negocio de los aspectos tecnicos de implementacion (TI), lo que permite que este tipo de implementacion pueda generarse en diferentes plataformas destino. El modelo de arquitectura de TI se deriva del modelo de la solucion de negocio generado en la fase anterior, el modelo generado se mantiene sin cambios en cualquier plataforma. En este caso, el modelo de la arquitectura de TI se genera siguiendo el enfoque orientado a servicios SOA.
Fase 4. Generacion de la solucion tecnologica. En esta fase se utilizan conceptos espec cos de la plataforma de implementacion con el n de convertir esta solucion en codigo ejecutable de una aplicacion de software en particular. Esta fase se realiza mediante la ejecucion de dos etapas: 1) disen~o de la solucion de la plataforma espec ca de TI, y 2) generacion de las especi caciones o codigo del sistema de software. La primera etapa consiste en la de nicion de un modelo de especi caciones basado en un estandar o tecnolog a espec ca (por ejemplo, TinyOS 2.0 o WSN Operating Systems), utilizando como entrada a la fase, el modelo de la arquitectura de TI generado previamente. El modelo de la solucion tecnologica contiene la informacion requerida para la plataforma espec ca (mensajes concretos en el formato de enviar o recibir para las cosas u objetos, protocolos de transporte usados, UUID del sensor, emisor o receptor, etc.). La segunda etapa consiste de una transformacion del modelo PSM de MDD a texto, que representa el esqueleto de codigo o el codigo ejecutable de una aplicacion, normalmente en especi caciones basadas en XML. 3.1.
Metodos de Transformacion de Modelos
Para reducir los costos y el tiempo de desarrollo, la metodolog a es soportada por metodos basados en el enfoque MDD, permitiendo transformaciones automaticas y semi-automaticas de modelos para generar los modelos de salida de cada fase. Una transformacion de un modelo consiste de un conjunto de reglas de transformacion, que de nen como un modelo de entrada es mapeado a uno o mas modelos o codigo ejecutable de salida. Para soportar las transformaciones de modelos necesarias para la metodolog a, se propone la aplicacion de diferentes metodos de transformacion de modelos, tal como se muestra en la Figura 4. Por un lado, un modelo independiente de la plataforma (del ingles Platform Independent Model, PIM) es una vista del sistema independiente de la plataforma, es decir, un modelo con alto nivel de abstraccion independiente de cualquier tecnolog a o lenguaje de implementacion que exhibe un grado suciente de independencia de la plataforma a n de permitir su mapeo a una o mas plataformas. Por otro lado, un modelo espec co de la plataforma (del ingles Platform Speci c Model, PSM) presenta una vista del sistema desde la perspectiva de una plataforma tecnologica espec ca, es decir, un modelo de solucion asociado a una plataforma que incluye los detalles del PIM y que describe como realizar la implementacion en dicha plataforma.
Figura 4. Transformaciones de modelos en diferentes niveles de abstracion La Figura 4 muestra los metodos MDD que se proponen para generar las soluciones tecnologicas en ambientes de IoT, mediante aplicaciones de software orientadas a servicios. Se detallan los niveles de abstraccion de modelos de acuerdo a MDD, que van desde un modelo en nivel PIM hasta el codigo. Tambien, se detallan los artefactos (de modelos y de codigo) que se generan en cada fase. Para cada uno de ellos se indica la transformacion que se realiza, el modelo y el nivel de origen (de entrada), y el modelo o codigo que resulta (de salida o destino), as como el nivel al que corresponde el modelo generado. Mediante la transformacion T1 se genera un modelo conceptual de la solucion de negocio a partir de un modelo de requerimientos de negocio, complementado con la logica de negocio y con el proceso de negocio disen~ado, a traves de una transformacion horizontal PIM-a-PIM. La transformacion modelo-a-modelo T2 apunta a generar un modelo de la arquitectura de TI, de nido en un nivel PIM mediante una transformacion horizontal. Esta transformacion se deriva del modelo de la solucion de negocio, utilizando los conceptos de la arquitectura orientada a servicios, manteniendo una independencia de la plataforma de implementacion. En la Figura 5 se muestra un ejemplo de una regla de transformacion (T2), utilizando como entrada el metamodelo del lenguaje BPMN y como destino el metamodelo de la arquitectura SOA (Regla 1). Los metodos de transformacion y las reglas propuestas se de nieron utilizando el lenguaje de transformacion de modelos Eclipse Atlas Transformation Language (ATL)3.
La solucion tecnologica (ver Figura 4) es generada mediante dos metodos dirigidos por modelos. El primer metodo aplica una transformacion modelo-amodelo T3, generando un modelo de salida basado en la plataforma de implementacion espec ca que se seleccione, utilizando un modelo de la arquitectura de TI como entrada. El modelo generado es de nido en un nivel espec co de la plataforma PSM, utilizando conceptos de la plataforma de implementacion de IoT. En la Figura 5 se muestra un ejemplo de una regla de transformacion (Regla 2) del metamodelo de SOA (nivel PIM) a un metamodelo en un nivel PSM. En el ejemplo se generan los datos que se enviaran a un sensor de una aplicacion de software de un simulador de veh culos inteligentes. El segundo metodo se lleva a cabo mediante la transformacion directa modelo-a-texto T4, que consiste en la generacion de un documento con el codigo fuente que representa la estructura y comportamiento del objeto ante un evento.
Figura 5. Ejemplo de reglas de transformacion del metodo T2 (Regla 1) y T3 (Regla 2) 3 www.eclipse.org/atl/
En [
Por otro lado, en [
En este trabajo de investigacion se presento una metodolog a para el desarrollo de aplicaciones de software para IoT. La metodolog a se basa en los principios del desarrollo dirigido por modelos (MDD), por lo cual se de nieron un conjunto de metodos de transformacion de modelos, los cuales se especi caron con diferentes puntos de vista, niveles de abstraccion y granularidad. La metodolog a propuesta permite guiar el proceso de desarrollo de aplicaciones de software orientadas a servicios, a partir de modelos conceptuales hasta llegar al codigo de una aplicacion espec ca y en una plataforma tecnologica seleccionada. El enfoque propuesto tiene como objetivo disminuir los tiempos y costos del desarrollo de software mediante la implementacion de transformaciones de modelos automaticas y semi-automaticas.
Ademas, se propuso una arquitectura para soportar las aplicaciones y/o sistemas de software para IoT. La arquitectura describe de forma generica las diferentes capas requeridas para el despliegue de aplicaciones de software en IoT, utilizando los conceptos de la arquitectura orientada a servicios (SOA).