Abstract This thesis presents a mobile instrumentation middleware, AWARE, aimed at facilitating our understanding of human behavior. We demonstrate how to use AWARE to build context-aware applications, collect data, and study human behavior. Mobile phones are resource-constrained and several considerations need to be taken into account to create a research tool that ensures problem-free data collection. AWARE can mitigate researchers’ effort when building mobile data-logging tools and context-aware applications. By encapsulating implementation details of sensor data retrieval and exposing the sensed data as higher-level abstractions, researchers spend less time developing software and save more time for doing research and analyzing the collected data, both quantitative and qualitative. This thesis demonstrates AWARE’s use in a number of case studies. These vary in the research methods we have used: prototype-building; large-scale deployment; surveys; interviews; cognitive walkthroughs; heuristic evaluation; laboratory & field studies data logs; Day Reconstruction Method (DRM); and Experience Sampling Method (ESM). Together with these methods, we demonstrate how AWARE helps study human behavior in different research scenarios, such as: enabling human-smartphone awareness, understanding concerns on battery life, modeling the proximity of users to their smartphones, and capturing location sharing concerns. The thesis’ contributions are: the design, implementation and evaluation of a novel mobile instrumentation middleware to facilitate an understanding of human behavior. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja esittelee mobiililaitteiden välikerrosohjelmisto AWAREn, jonka tarkoituksena on helpottaa ihmisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Esitämme, kuinka AWAREa voidaan käyttää apuvälineenä kontekstitietoisten sovellusten kehittämisessä, aineiston keräyksessä ja ihmisen käyttäytymisen tutkimisessa. Mobiililaitteiden rajallisista resursseista johtuen ongelmattoman aineiston keräämisen mahdollistavan tutkimustyökalun kehityksessä tulee huomioida useita seikkoja. AWARE voi helpottaa mobiilien aineistonkeräystyökalujen ja kontekstitietoisten sovellusten kehittämistä tiivistämällä anturitiedon hankintaan liittyviä yksityiskohtia ja esittämällä anturitiedon korkeamman tason abstraktioina. Näin tutkijat voivat käyttää vähemmän aikaa ohjelmistojen kehitykseen ja enemmän aikaa itse tutkimukseen ja kerätyn aineiston sekä kvantitatiiviseen että kvalitatiiviseen analysointiin. Tässä työssä havainnollistamme AWAREn käyttöä useissa tutkimuksissa, joissa on sovellettu erilaisia tutkimusmenetelmiä: prototyyppien kehittäminen, suuren kokoluokan tutkimukset, kyselytutkimukset, haastattelut, kognitiiviset läpikäynnit, heuristiset arvioinnit, aineiston kerääminen laboratorio- ja kenttätutkimuksista, päivärekonstruktiomenetelmä (Day Reconstruction Method, DRM) ja kokemusotosmenetelmä (Experience Sampling Method, ESM). Näiden menetelmien avulla osoitamme, kuinka AWARE helpottaa ihmisen käyttäytymisen tutkimusta erilaisissa tutkimusskenaarioissa, kuten ihmisen älypuhelintietoisuuden mahdollistaminen, akun kestoon vaikuttavien tekijöiden ymmärtäminen, älypuhelimen ja käyttäjän etäisyyden mallinnus sekä paikkatiedon jakamiseen kohdistuvien asenteiden selvittäminen. Tämän väitöskirjan kontribuutiot ovat: uudenlaisen, ihmisen käyttäytymisen ymmärtämistä helpottavan mobiililaitteiden instrumentointiohjelmiston (AWARE) suunnittelu, toteutus ja arviointi.

Abstract The Internet of Things vision proposes a global platform in an unforeseen scale for distributed applications that rely on data provided by interconnected resource-constrained things. In such large-scale systems, centralized control of system operation by a single component through vertical interactions becomes unfeasible. Ideally, decentralized control in the proximity of things enables to take into account the local dynamic resource availability and environmental characteristics that are used to optimize the application execution. To realize decentralization, capabilities for horizontal interactions, that complement the vertical interactions, and for opportunistic participation of things are needed. This thesis explores mobile agent technology to implement distributed Internet of Things applications that benefit from both vertical and horizontal interactions of the application components. First, a resource-oriented reactive mobile agent architecture and a software framework are presented. The framework facilitates RESTful interactions between agents and other system components and provides a REST-based interface to build opportunistic agent-based applications. Two agent platforms are presented that integrate resource-constrained things into the framework as mobile agent hosts. Second, mobile agent based mobile crowdsensing and edge computing applications are evaluated with large-scale simulations and real-world experiments. The results show that energy consumption is decreased in the participating things, in comparison with the existing approaches, by agent-based in-network data processing and control of the thing operation. This thesis makes a valuable contribution by enabling mobile agent operations in a heterogeneous set of resource-constrained things. The presented empirical evidence shows how mobile agent technology increases energy efficiency in distributed application execution. The presented mobile agent architecture and software framework potentially accelerate the utilization of mobile agent technology in the Internet of Things. / Tiivistelmä Esineiden Internet liittää resurssirajoitteiset sulautetut laitteet laajamittaisesti Internet-verkkoon, jossa niiden tuottamaa tietoa hyödynnetään hajautettujen järjestelmien sovelluksissa. Esineiden Internetin järjestelmien odotetaan skaalautuvan niin laajoiksi, ettei keskitetty, vertikaaliseen vuorovaikutukseen perustuva järjestelmähallinta ole enää käyttökelpoinen ratkaisu. Hajautettu hallinta lähellä tietoa tuottavia laitteita tuo etuja, kun paikallisesti sovelluksen suorituksessa otetaan huomioon toimintaympäristön tila ja voidaan reagoida dynaamisesti resurssien saatavuuteen. Hajautus Esineiden Internetin sovellusalustoilla edellyttää menetelmiä sekä laitteiden vertikaaliseen ja horisontaaliseen vuorovaikutukseen, että niiden dynaamisen osallistumisen mahdollistamiseksi sovelluksen suorittamisessa. Tässä työssä tutkittiin mobiiliagentti-teknologiaa hajautettujen sovellusten toteuttamiseen Esineiden Internet-ympäristössä. Työssä esitettiin resurssisuuntautunut arkkitehtuuri reaktiivisille mobiiliagenteille sekä ohjelmistokehys, joita käyttäen voidaan toteuttaa agenttipohjaisia hajautettuja sovelluksia. Ohjelmistokehys perustuu REST-arkkitehtuurimalliin, jonka pohjalta esitettiin yhdenmukainen rajapinta agenttien ja järjestelmäkomponenttien väliseen vuorovaikutukseen. Ohjelmistokehyksen osana toteutettiin kaksi mobiiliagentti-ohjelmistoalustaa resurssirajoitteisille sulautetuille laitteille. Työssä tarkasteltiin mobiiliagentti-pohjaisten Esineiden Internet-sovellusten energiatehokkuutta simuloinneilla sekä tosielämän kokeilla. Tarkastelun kohteeksi valittiin joukkoistettu mobiilihavainnointi sekä reunalaskennan ulottaminen resurssirajoitteisiin laitteisiin. Saadut tulokset osoittavat, että laitteiden energiankulutusta voidaan pienentää verrattuna aiemmin esitettyihin ratkaisuihin hyödyntämällä mobiiliagentteja tiedonkäsittelyyn laitteessa sekä laitteen toiminnan ohjaamiseen. Työssä esitetty resurssisuuntautunut mobiiliagenttiarkkitehtuuri sekä ohjelmistokehys edesauttavat mobiiliagentti-teknologian hyödyntämistä resurssirajoitteisissa sulautetuissa laitteissa. Tosielämän kokeista saadut tulokset osoittavat mobiiliagenttiteknologian hyötyjä hajautettujen sovellusten toteuttamisessa Esineiden Internetiin.