Luận án tiến sĩ: Sinh mã nguồn thiết bị đeo tay IoT bằng mô hình hóa - Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TÔN LONG PHƯỚC SINH MÃ NGUỒN CHO CÁC THIẾT BỊ ĐEO TAY TRONG CÁC GIẢI PHÁP THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG INTERNET VẠN VẬT BẰNG MÔ HÌNH HÓA VÀ TẬP LUẬT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. H CHÍ MINH - N M 2022 IăH CăQU CăGIA TP. HCM TR NGă IăH CăBÁCHăKHOA TÔN LONG PH C SINH MÃ NGU N CHO CÁC THI T B EO TAY TRONG CÁC GI I PHÁP THÔNG MINH TRÊN N N T NG INTERNET V N V T B NG MÔ HÌNH HÓA VÀ T P LU T Chuyên ngành: Khoaăh cămáyătính Mưăs ăchuyênăngƠnh: 62.01 Ph năbi năđ căl p: PGS. Nguy n Thái Nghe Ph năbi năđ căl p: TS.ă oàn Duy Ph năbi n:ă PGS.ă ng Tr n Khánh Ph năbi n:ă PGS.ăTr n Minh Quang Ph năbi n:ă TS.

Lê Kim Hùng NG I H NGăD N: 1. PH M HOÀNG ANH i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án Tôn Long Phước ii TÓM TẮT LUẬN ÁN Các thiết bị đeo tay trong lĩnh vực Internet vạn vật là những thiết bị nhỏ gọn, kiến trúc đơn giản và thường giao tiếp với nhau theo hướng truyền tải dữ liệu nhằm hỗ trợ các giải pháp thông minh. Những giải pháp này có thể được triển khai trong nhiều lĩnh vực như hệ thống hỗ trợ chữa cháy, nhà hàng thức ăn nhanh hay trong lĩnh vực điều trị y tế. Hiện nay, với sự gia tăng các thiết bị số nhỏ gọn được xem là các thiết bị đeo tay trong kỷ nguyên số, nhu cầu phát triển các ứng dụng chạy trên các thiết bị này cũng ngày càng phát triển. Từ đó, các nhà phát triển ứng dụng phần mềm cho các thiết bị này cần có những công cụ hỗ trợ phát triển các ứng dụng một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Hiện các nghiên cứu trong học thuật cũng như trong công nghiệp đều rất quan tâm đến các công cụ phát triển ứng dụng tự động, hoặc bán tự động nhưng lĩnh vực hỗ trợ phát triển ứng dụng cho các thiết bị đeo tay vẫn còn bỏ ngỏ. Từ đó, chúng tôi đề xuất một khung thức hỗ trợ xây dựng ứng dụng chạy trên các thiết bị đeo tay một cách nhanh chóng và hiệu quả. Từ khung thức này, chúng tôi xây dựng một công cụ có tên là Micraspis, cho phép sinh mã các ứng dụng dựa vào mô hình hóa và tập luật. Công cụ này cho phép đặc tả kiến trúc phần cứng và ứng dụng chạy trên phép thiết bị đeo tay bằng mô hình hóa, đồng thời có sự ánh xạ thống nhất giữa hai mô hình đặc tả này.

Công cụ hoạt động dựa vào nguyên tắc chuyển đổi mô hình sang mã nguồn (ngôn ngữ lập trình C++) có thể chạy các ứng dụng trên các bo mạch dòng Arduino. Chúng tôi cũng đã thử nghiệm một cách khoa học và khách quan nhằm minh chứng công cụ Micarspis đạt được các tiêu chí đề ra. Kết quả thử nghiệm thể hiện như sau: hơn 65% mã nguồn hoàn thiện được tạo ra tự động từ công cụ Micraspis cho các hệ thống ứng dụng trên các thiết bị đeo đơn giản đến phức tạp. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng thực hiện các phương pháp kiểm chứng khác như phỏng vấn người dùng nhằm thu thập đánh giá từ chuyên gia đến những lập trình viên chưa kinh nghiệm hay chất lượng phần mềm.

Nội dung phỏng vấn chúng tôi tập trung việc đánh giá về cách công cụ Micraspis đã hỗ trợ cho lập trình viên trong việc phát triển các ứng dụng chạy trên thiết bị đeo tay trong các giải pháp thông minh thuộc lĩnh vực Internet vạn vật như thế nào. Ngoài ra, để kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình đặc tả, chúng tôi cũng dùng ngôn ngữ Alloy và xây dựng thuật toán nhằm nâng cao chất lượng mã nguồn tạo ra. Các đóng góp chính của luận án được tóm tắt như sau: 1. Đề xuất hướng tiếp cận sinh mã nguồn cho các ứng dụng trong ngữ cảnh hẹp với sự kết hợp mô hình hóa và tập luật.

Đề xuất khung thức sinh mã cho các ứng dụng chạy trên thiết bị đeo tay trong giải pháp thông minh thuộc lĩnh vực Internet vạn vật. Luận án tập trung vào vấn đề sinh mã nguồn cho các ứng dụng với hai hướng tiếp cận: (i) sử dụng mô hình hóa; (ii) sử dụng các tập luật cho các ràng buộc trong ứng dụng. Dựa vào khung thức đề xuất, xây dựng công cụ sinh mã nguồn có tên gọi là Micraspis nhằm sinh mã nguồn cho các ứng dụng chạy trên thiết bị đeo tay trong các giải pháp thông minh. Đồng thời, luận án đề xuất phương án đánh giá công cụ về tính đúng đắn, hiệu quả một cách khách quan và tin cậy.

Keywords: Sinh mã nguồn, mô hình hóa, ứng dụng trong IoT, thiết bị đeo tay, Internet vạn vật, ngôn ngữ chuyên biệt trong ngữ cảnh hẹp, giải pháp thông minh, Alloy, đặc tả ứng dụng, mô hình máy trạng thái. iii ABSTRACT A wearable is a lightweight body-worn device that relies on data-driven communications to keep people connected purposefully, for instance, for fire-fighting, prompting fast-food clients, and medical treatment. With rise of wearable computing in the era of IoT-driven smart appli- cations, programmers now expect the time to market for these devices to be shortened. While support for IoT programming in general has gathered traction, tool proposals that automate the development of smart solutions based on the Internet of Wearable Things, though of paramount importance, still stay on the sidelines.

We propose a code generation tool called Micraspis that allows a wearable to be described both functionally and architecturally - as if they are two sides of the same coin. The tool has an underlying model-to-code transformation mechanism to gen- erates source code that is executable on a specific IoT programming platform such as Arduino. Our experiments demonstrate that programming code generated by Micraspis amounts to at least 65% of the source code needed to fulfill the business logic of ordinary wearable devices. We conduct an interview to meticulously collect programmers’ assessment on how Micraspis assists them in programming and architecting smart IoT wearables.

A total of 161 program- mers responded to a Likert scale questionnaire, with which at least 65% of them either agree or strongly agree. Overall, the results show that Micraspis has promising applicability in supporting IoWT-enabled smart solutions. The main contributions of the thesis are summarized as follows. Propose a source code generation approach for applications by a combination of model- driven and rule-based development.

Generating source code for applications in software engi- neering has always been a concern of software developers in the field. The challenge of properly defining application domains as well as specifying applications is always a difficult question for source code generation. Propose a code generation framework for smart IoT wearable applications in software- intensive systems. The thesis focuses on the problem of generating source code for applications with two approaches: (i) using modeling; (ii) using rule sets for constraints in the application.

Based on the proposed framework, build a tool called Micraspis to generate source code for applications running on smart IoT wearables. At the same time, the thesis proposes a method to evaluate the tool for correctness and effectiveness in an objective and reliable manner. Keywords: code generation, modeling, IoT application, wearable, Internet of Things, domain specific lan- guage, smart solution, Alloy, application specification, state machine. iv LỜI CÁM ƠN Tôi xin trân trọng cám ơn sự hướng dẫn tận tình của TS.

Lê Lam Sơn và TS. Phạm Hoàng Anh trong suốt quá trình học tập nghiên cứu sinh của tôi. Đặc biệt cám ơn TS. Lê Lam Sơn đã hướng dẫn tôi xuyên suốt trong qua trình học tập và nghiên cứu.

Tôi rất biết ơn về sự hướng dẫn, truyền đạt và động viên của Thầy. Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bộ môn Công nghệ phần mềm, khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính, phòng Đào Tạo Sau Đại Học trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi cũng xin chân thành cám ơn đến quý Thầy Cô và các Nhà khoa học phản biện, đã nhiệt tình hỗ trợ và đóng góp ý kiến cho việc hoàn thiện luận án tiến sĩ này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên gia đình của tôi đã đồng hành với tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này.

Tôi cũng xin chân thành cám ơn các đồng nghiệp của tôi, các thành viên trong ESP-Lab đã hỗ trợ, động viên và chia sẻ giúp tôi an tâm để học tập và nghiên cứu trong thời gian qua. Một lần nữa xin chân thành cám ơn. v Mục lục DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi TỪ ĐIỂN THUẬT NGỮ xii 1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN 1 1.1 Bối cảnh nghiên cứu .1 Vấn đề sinh mã nguồn trên các thiết bị đeo tay .2 Bài toán sinh mã nguồn cho các ứng dụng chạy trên các thiết bị đeo tay trong lĩnh vực Internet vạn vật .2 Phát biểu vấn đề .3 Mục tiêu nghiên cứu .4 Câu hỏi nghiên cứu .5 Những đóng góp chính của nghiên cứu .6 Tầm quan trọng của nghiên cứu .7 Giới hạn của nghiên cứu .8 Bố cục của luận án. 12 2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KIẾN THỨC NỀN TẢNG 15 2.1 Tình hình nghiên cứu .1 Ngôn ngữ chuyên biệt hóa trong ngữ cảnh hẹp .2 Ngôn ngữ chuyên biệt hóa trong lĩnh vực Internet vạn vật .3 Những ứng dụng trên thiết bị đeo tay (IoWT) trong các giải pháp thông minh .4 Những thách thức trong bài toán sinh mã nguồn cho thiết bị đeo tay .2 Kiến thức nền tảng .1 Phát triển phần mềm theo kỹ thuật dựa trên mô hình (MDE) .2 Sinh mã nguồn dựa theo hướng phát triển mô hình MDD .3 Sinh mã nguồn dựa theo kiến trúc hướng mô hình MDA .4 Sinh mã nguồn dựa vào đặc tả theo ngữ nghĩa .3 Tổng kết chương.

26 3 KHUNG THỨC TỔNG QUÁT XÂY DỰNG NGÔN NGỮ CHUYÊN BIỆT HÓA TRONG NGỮ CẢNH HẸP CHO LĨNH VỰC INTERNET VẠN VẬT 27 3.1 Cơ sở cho cách tiếp cận xây dựng khung thức cho bài toán sinh mã nguồn theo hướng mô hình .2 Các khung thức sinh mã nguồn theo hướng mô hình .3 Khung thức đề xuất .4 Cơ chế sinh mã của khung thức tổng quát .5 Tổng kết chương. 43 4 CÔNG CỤ SINH MÃ NGUỒN CHO CÁC ỨNG DỤNG CHẠY TRÊN THIẾT BỊ ĐEO TAY MICRASPIS 45 4.1 Thư viện EMF và GEF .2 Ví dụ minh họa .2 Kiến trúc tổng quát .