ESE Fachwissen
Modellgetriebene Entwicklung von Sensorschnittstellen
Autoren: Dr. Christoph Rathfelder und Nathalie Hipp, Hahn-Schickard, Emre Taspolatoglu und Jörg Henß, FZI Forschungszentrum Informatik
Beitrag - Embedded Software Engineering Kongress 2016
SensIDL (http://www.sensidl.de) ist ein Open-Source-Werkzeug für die vereinfachte Implementierung von Kommunikationsschnittstellen intelligenter und ressourcen-eingeschränkter Sensorsysteme, welche als zentraler Baustein des "Internets der Dinge" angesehen werden können. SensIDL (Sensor Interface Definition Language) unterstützt den Sensorentwickler mit einer dedizierten Schnittstellenbeschreibungssprache sowie zugehörigen Editoren und ermöglicht so die effiziente Definition und Dokumentation der Sensorschnittstellen. Ausgehend von dieser Beschreibung erzeugen Code-Generatoren automatisiert den auf Sensor- und Empfängerseite notwenigen Code. Diese semantisch angereicherte API ermöglicht, die Daten zu instanziieren und danach zu übertragen. Hierdurch werden die Entwickler entlastet und die Effizienz der Entwicklung und Implementierung sowie deren Qualität können gesteigert werden.
Die Integration von intelligenten Sensorsystemen in die IT-Landschaft und das "Internet der Dinge" sowie die Kommunikation mit mobilen Endgeräten stellen für Entwickler immer eine aufwändige und fehlerträchtige Herausforderung dar. Es fehlen hier sowohl einheitliche Standards als auch effiziente Entwicklungswerkzeuge, die den Entwickler bei der Programmierung unterstützen und entlasten. Durch die sehr heterogene Mischung von Sensorsystemen in Bezug auf deren Rechenkapazität, Kommunikationsanbindung, Prozessorarchitekturen, Betriebssysteme und Programmiersprachen sind verschiedenste Kommunikationstechniken und Schnittstellen im Bereich der eingebetteten Systeme entstanden. Auf Grund des Mangels eines einheitlichen Standards sowie unterstützender Entwicklungswerkzeuge sind Entwickler in vielen Fällen gezwungen, die Kommunikation manuell als individuelle Lösungen selbst zu implementieren.
Anwendungsszenario
Für die reibungslose Kommunikation zwischen Sensorinformationen vom Sensorsystem zu einem mobilen Endgerät sind diverse Verarbeitungsschritte notwendig. Mit dem SensIDL-Werkzeug sollen sowohl die Sensorentwickler als auch die Entwickler der empfangenden Systeme in wiederkehrenden Aufgaben unterstützt werden, indem der notwendige Implementierungscode automatisch erzeugt wird (siehe Abb. 1, PDF).
Der Sensorentwickler wird durch die entwickelte SensIDL-Sprache und die dazugehörigen Editoren dabei unterstützt, die Sensordaten bzw. -schnittstellen eindeutig auf einer inhaltlichen/semantischen Ebene zu beschreiben. Die notwendige Implementierung der Schnittstelle kann danach durch das Werkzeug aus dieser Beschreibung automatisiert generiert werden.
Der Software-Entwickler für das empfangende IT-System bekommt mit der vom Sensorentwickler erstellten Beschreibung eine formale und eindeutige Definition der Schnittstelle. Der notwendige Code auf Empfängerseite kann ebenfalls mit Hilfe von SensIDL automatisch erzeugt werden. Hierdurch werden die Implementierung des Zugriffs auf Sensordaten und somit die Integration signifikant vereinfacht.
Modellgetriebener Ansatz
Der Ansatz der modellgetriebenen Software-Entwicklung, wie er auch in SensIDL angewendet wird, kombiniert die beiden technischen Konzepte der domänenspezifischen Sprachen (domain-specific languages DSLs) und der Code-Generierung mittels Modelltransformationen. Domänenspezifische Sprachen bieten ein formales Konzept, um Strukturen, Abhängigkeiten, Verhaltensmodelle oder Anforderungen von Software-Anwendungen innerhalb definierter Domänengrenzen zu beschreiben. Dies schränkt die Anwendbarkeit im Vergleich zu allgemeinen Programmiersprachen wie Java oder C ein. Im Gegensatz dazu ermöglichen DSLs den Entwicklern, sich auf die wichtigen Aspekte der Modellierung zu konzentrieren. Aus diesem Grund werden DSLs häufig dann eingesetzt, wenn die Komplexität reduziert bzw. gekapselt oder Technologien und Implementierungsdetails ausgeblendet werden sollen. DSLs besitzen immer ein formales Modell im Hintergrund. Dieses wird als Meta-Modell oder abstrakte Syntax bezeichnet, da es die Struktur und den Aufbau von Informationen vorgibt.
Code-Generatoren und Transformationsmechanismen sind das zentrale Element für die praktische Umsetzung der modellgetriebenen Software-Entwicklung. Sie erzeugen aus dem per DSL erstellten Modell automatisiert neue Elemente, wie z.B. Quellcode. Diese Ergänzung mit Code-Generatoren führt zu einer signifikanten Steigerung der Entwicklungs- und Implementierungseffizienz.
Das SensIDL-Werkzeug
Dem modellgetriebenen Ansatz folgend wird in SensIDL eine eigene Beschreibungssprache mit speziellen Elementen für die Beschreibung von Sensorschnittstellen verwendet. Eine effiziente Implementierung der Kommunikationsschnittstellen smarter Sensoren unabhängig von der gewählten Kommunikationstechnologie wird daraus erzeugt.
Abb. 1 (siehe PDF) veranschaulicht den Aufbau des SensIDL-Werkzeuges. Die SensIDL-Beschreibungssprache und der SensIDL-Editor ermöglichen dem Nutzer, die von smarten Sensoren angebotene Schnittstellen und Daten einfach und intuitiv zu definieren. Die SensIDL-Grammatik ist das Bindeglied zwischen dem Editor und dem zugrundeliegenden Meta-Modell. Ausgehend vom SensIDL-Meta-Modell und der durch den Benutzer erstellten Beschreibung können verschiedene Code-Generatoren ausgeführt werden. Diese Code-Generatoren können sowohl den notwenigen Implementierungscode für unterschiedliche Programmiersprachen als auch eine zugehörige Dokumentation erzeugen. Hierdurch wird unter anderem sichergestellt, dass die Dokumentation immer der Implementierung entspricht.
Das SensIDL-Plug-In
Das SensIDL-Werkzeug basiert auf der Eclipse-Plattform und lässt sich deshalb auch als Eclipse-Plug-In und darauf aufbauender Embedded-Entwicklungsumgebungen, wie z.B. CodeComposer, installieren und dort sowohl für die Programmierung mit C und C++ als auch Java ohne Wechsel der Entwicklungsumgebung einsetzen. Es kommen hierbei verschiedene Technologien der Eclipse-Plattform zum Einsatz. Für die Definition der SensIDL-Sprache und der Editoren wird das Eclipse Modelling Framework (EMF) und das Xtext Projekt eingesetzt. Die Generatoren für Code und Dokumentation basieren auf der Generatorinfrastruktur von Xtend.
Wie in jeder Programmiersprache werden auch in der SensIDL-Sprache einige Schlüsselwörter definiert (Beispiel in Abb. 2, siehe PDF), welche dem Entwickler helfen, die Sensorbeschreibung vorzunehmen. Dabei wird zunächst ein sensorInterface definiert, welches die Sensorschnittstelle repräsentiert. Innerhalb dieser Interfaces beinhaltet das sog. sensorData mehrere dataSets, welche die einzelnen Sensorinformationen widerspiegeln. Jede Sensorinformation kann sich dabei aus verschiedenen Variablen zusammensetzen, bei denen jeder Variablen neben einem Namen und einem Datentyp auch eine physikalische Einheit und/oder ein Gültigkeitsbereich bzw. Wert zugewiesen werden kann. Der SensIDL-Editor unterstützt den Benutzer dabei sowohl durch Syntax-Highlighting als auch durch automatische Vervollständigung und stellt so sicher, dass der Entwickler schnell und effizient in der SensIDL-Sprache Definitionen schreiben kann. Ausgehend von dieser Beschreibung können dann über das Kontextmenü die verschiedenen Generatoren gestartet werden. Aktuell sind Generatoren für die Programmiersprachen C, C++, C#, Java und JScript sowie ein Generator zur Erzeugung von Dokumentation der Schnittstellen verfügbar.
Anwendungsbeispiel
Abb. 2 (siehe PDF) zeigt einen Screenshot des SensIDL-Editors, um die Beschreibung beispielhaft an einem Strommesssensor genannt eMeter zu demonstrieren. Der eMeter liefert sowohl den Strom auf den einzelnen Leitern als auch die übertragene Energie als Sensorinformationen. Im dataSet Conductor werden einige weitere Möglichkeiten von SensIDL aufgezeigt. In der Deklaration des dataSets wird die Möglichkeit der sog. Vererbung aufgezeigt. Dabei bildet das Schlüsselwort uses die Möglichkeit, gleiche Teile in den Sensorinformationen nur einmal definieren zu müssen. Zusätzlich wird deutlich, dass Variablen auch direkt ein Wert zugewiesen werden kann, wie bei recordType. Mit der Variablen powerFactor wird demonstriert, dass auch ein lineares Mapping bei SensIDL vorgenommen werden kann, was bedeutet, dass ein Byte übertragen wird, aber der mögliche Wertebereich von 0 bis 255 dann auf den Wertebereich 0 bis 1 abgebildet wird. Auch Möglichkeiten, wie z.B. ein Offset zu setzen oder eine Skalierung vorzunehmen, sind implementiert. Im Weiteren können auch Methodendeklarationen mit entsprechender Sichtbarkeit definiert werden, um so auch für bestimmte Variablen nur die get- oder set-Methode erstellen zu lassen.
Ausblick
Das Projekt SensIDL befindet sich in der Endphase der initialen Projektförderung und wird danach als Community-getriebenes Open-Source-Projekt weiterentwickelt. Neben der Anwendung in eigenen Entwicklungsprojekten ist auch eine projektübergreifende Kooperation mit dem Eclipse Vorto (https://eclipse.org/vorto) angestrebt, welches sich auf die Beschreibung von Geräten für das "Internet der Dinge" und die Generierung von Integrationscode in Middleware-Systemen fokussiert. Eine Modelltransformation aus dem Vorto Projekt in SensIDL soll die Integrationsebene (Vorto-Generatoren) mit der Sensorimplementierung (SensIDL-Generatoren) nahtlos zusammenbringen. Zusätzlich sind noch weitere Schnittstellenanbindungen wie z.B. OPC-UA in Planung.
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