L’Ecole doctorale : Ecole Doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris
et le Laboratoire de recherche SAMOVAR – Services répartis, Architectures, MOdélisation, Validation, Administration des Réseaux

présentent l’AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Pedro Victor BORGES CALDAS DA SILVA

Autorisé à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, préparé à Télécom SudParis en :

Mathématiques et Informatique

« Support des middleware pour la prise en compte de la consommation énergétique dans l’Internet des objets »

le lundi 12 décembre 2022 à 14h00

Salle C06
Télécom SudParis 9 Rue Charles Fourier 91000 Evry-Courcouronnes

Membres du jury :

Mme Chantal TACONET, Maîtresse de conférences, Télécom SudParis, FRANCE – Directrice de thèse
M. Romain ROUVOY, Professeur, Lille University, FRANCE – Rapporteur
M. Philippe ROOSE, Maître de conférences, Université de Pau et des Pays de l’Adour, FRANCE – Rapporteur
M. Gordon BLAIR, Professeur, Lancaster University, ROYAUME-UNI – Examinateur
Mme Anne-Cécile D’ORGERIE, Chargée de recherche, Université de Rennes, FRANCE – Examinatrice
Mme Sophie CHABRIDON, Professeure, Télécom SudParis, FRANCE – Examinatrice
Mme Thais BATISTA, Professeure, Federal University of Rio Grande do Norte, BRESIL – Examinatrice

Résumé :

L’Internet des objets (IoT) se caractérise par une myriade de dispositifs et de composants logiciels géographiquement dispersés ainsi que par une grande hétérogénéité en termes de matériel, de format de données et de protocoles. Au cours des dernières années, les plateformes IoT ont été proposées pour fournir une variété de services aux applications, tels que la découverte de dispositifs, la gestion du contexte et l’analyse des données. Cependant, le manque de standardisation fait que chaque plateforme IoT propose ses propres abstractions, API et patrons d’interactions. Par conséquent, la programmation des interactions entre une application IoT consommatrice de données et une plateforme IoT est complexe, sujette à des erreurs et demande un niveau de connaissance de la plateforme IoT approfondi de la part des développeurs. Les intergiciels IoT peuvent atténuer cette hétérogénéité, ils doivent fournir des services pertinents et ainsi faciliter le développement des applications. L’efficacité énergétique de la technologie numérique devenant une priorité, l’augmentation du nombre de systèmes IoT pose des problèmes énergétiques. Dans ce contexte, il est essentiel de concevoir soigneusement les interactions entre les applications IoT grand public et les plateformes IoT en tenant compte de l’efficacité énergétique. Les intergiciels IoT ne doivent pas uniquement considérer l’efficacité énergétique comme une exigence non fonctionnelle laissée à l’application, Au contraire, parce qu’ils sont utilisés par de nombreuses applications, l’efficacité énergétique doit être au cœur de leur conception. Cette thèse présente trois contributions concernant l’efficacité énergétique et la sensibilisation à l’énergie dans les intergiciels IoT pour les applications IoT consommatrices de données. La première contribution est la proposition d’un intergiciel IoT appelé IoTvar qui abstrait les capteurs virtuels IoT dans des variables IoT qui sont automatiquement mises à jour par l’intergiciel. La deuxième contribution est l’évaluation de la consommation d’énergie des interactions entre les applications IoT grand public et les plateformes IoT via les protocoles HTTP et MQTT. Cette évaluation a conduit à la proposition de lignes directrices pour améliorer l’efficacité énergétique des interactions. La troisième contribution est la proposition de stratégies d’efficacité énergétique pour des middleware IoT. Ces stratégies ont été intégrées dans l’intergiciel IoTvar pour assurer l’efficacité énergétique, mais aussi la sensibilisation à l’énergie par le biais d’un modèle énergétique et la gestion d’un budget énergétique fonction des exigences des utilisateurs. Les implémentations de l’architecture middleware IoT, avec et sans stratégie d’efficacité énergétique, ont été évaluées, et les résultats montrent que nous avons une diminution allant jusqu’à 60% de l’énergie consommée par les applications IoT en appliquant des stratégies pour réduire la consommation d’énergie au niveau du middleware.

Abstract : « Middleware support for energy awareness in the Internet of Things (IoT) »

The Internet of Things (IoT) is characterized by a myriad of geographically dispersed devices and software components as well as high heterogeneity in terms of hardware, data, and protocols. Over the last few years, IoT platforms have been used to provide a variety of services to applications such as device discovery, context management, and data analysis. However, the lack of standardization makes each IoT platform come with its abstractions, APIs, and interactions. As a consequence, programming the interactions between a consuming IoT application and an IoT platform is often time-consuming, error-prone, and depends on the developers’ level of knowledge about the IoT platform. IoT middleware are proposed to alleviate such heterogeneity, provide relevant services, and ease application development. As the energy efficiency of digital technology becomes a priority, the increase in IoT systems brings energy concerns. In this context, carefully designing interactions between IoT consumer applications and IoT systems with an energy-efficiency concern becomes essential. IoT middleware should not solely consider energy efficiency as a non-functional requirement. Instead, it needs to be at the solution’s core as the middleware is expected to be shared by many applications and offer facilities to ease application development. This work presents three contributions regarding energy-efficiency/awareness in IoT middleware for IoT consumer applications. The first contribution is the proposal of an IoT middleware for IoT consumer applications called IoTVar that abstracts IoT virtual sensors in IoT variables that are automatically updated by the middleware. The second contribution is the evaluation of the energy consumption of the interactions between IoT consumer applications and IoT platforms through the HTTP and MQTT protocols. This evaluation has led to the proposal of guidelines to improve energy efficiency when developing applications. The third contribution is the proposal of strategies for energy efficiency to be integrated into IoT middleware. Those strategies have been integrated into the IoTVar middleware to provide energy efficiency, but also energy awareness through an energy model and the management of an energy budget driven by user requirements. The implementations of the IoT middleware architecture, with and without energy-efficiency strategies, have been evaluated, and the results show that we have a difference of up to 60% the energy used by IoT applications by applying strategies to reduce energy consumption at the middleware level.