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Soutenance de thèse de Monsieur Nahit PAWAR, "Conception d’une architecture complète pour l’interopérabilité des objets connectés hétérogènes et des services de l’Internet des Objets"

L’Ecole doctorale : Ecole Doctorale de l’Institut Polytechnique de Paris
et le Laboratoire de recherche SAMOVAR présentent
l’AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Nahit PAWAR

Autorisé à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de l’Institut Polytechnique de Paris, préparé à Télécom SudParis en :
Informatique
« Conception d’une architecture complète pour l’interopérabilité des objets connectés hétérogènes et des services de l’Internet des Objets »
le VENDREDI 2 JUILLET 2021 à 13h00

Soutenance en Visio
Saclay, IPP, 19 place marguerite, 91011, Palaiseau, France


Membres du jury
 :

Mme Hakima CHAOUCHI, Professeure,
Télécom SudParis, FRANCE
Directrice de thèse
Mme Andreia CATHELIN, Docteure,
STMicroelectronics, France, FRANCE
Rapporteure
Mme Anelise MUNARETTO, Associate Professor,
Federal University of Paraná (UFPR), Brésil , BRESIL
Examinatrice
M. Adlen KSENTINI, Professor,
Eurecom, France, FRANCE
Examinateur
M. Thomas BOURGEAU, Docteur,
KBDigital AG, SUISSE
Co-encadrant de thèse
M. Laurent GEORGE, Professeur,
ESIEE, FRANCE
Rapporteur

Résumé :

L’Internet des objets (IoT) combine de nombreuses technologies et s’est étendu à des domaines d’application divers et multidisciplinaires. Chaque domaine a son propre ensemble d’exigences d’application en termes de matériel, de communication, de logiciel, de source d’énergie, etc. Cela empêche l’utilisation de modèles de programmation conventionnels de l’informatique distribuée qui suppose que les systèmes sont toujours connectés, disposant de ressources de calcul abondantes et d’accès à l’énergie électrique infinie. De plus, l’IoT englobe une large gamme d’appareils IoT embarqués hétérogènes (unités de traitement, capteurs, actionneurs, émetteurs-récepteurs, etc.) fournis par divers fabricants, chacun avec une architecture d’appareil différente, par conséquent, les logiciels d’application développés pour ces appareils ne sont pas compatibles avec chacun. autre. Cette hétérogénéité des appareils pose de sérieux problèmes pour l’interopérabilité des appareils et également pour les outils de développement IoT harmonisés sur une large gamme d’appareils IoT hétérogènes. Un défi important non seulement pour les experts du domaine, mais aussi pour les professionnels est de réaliser une preuve de concept (PoC) lors de l’industrialisation des services IoT, ce qui implique - le développement, le déploiement et la maintenance de services d’application IoT de bout en bout nécessitant différents types et La principale contribution de cette thèse est d’introduire un nouveau framework nommé PrIoT (Prototyping Internet of Things) qui permet une programmation simple et rapide des appareils IoT, de la conception au déploiement, qui gère mieux l’hétérogénéité de l’architecture des appareils IoT. Plus précisément, le framework PrIoT est basé sur le concept selon lequel les applications IoT possèdent diverses caractéristiques invariantes que nous avons étudiées et rassemblées à partir de diverses architectures et applications IoT présentées dans la littérature. Nous avons ensuite développé un langage de programmation minimaliste de haut niveau et des API pour montrer la composabilité facile de nos fonctionnalités en variante dans le développement d’applications IoT. D’un point de vue matériel, afin de mieux contrôler l’hétérogénéité des appareils, nous proposons deux nouveaux systèmes modulaires nommés R-Bus et P-Bus pour concevoir des systèmes embarqués sous la forme d’un ensemble de modules matériels pouvant être montés et démontés en fonction des besoins des applications IoT. . Cela résout l’hétérogénéité de l’interface des périphériques et prend en charge diverses classes de périphériques de contrainte, ainsi qu’une configuration système avancée et des fonctionnalités plug-and-play pour faciliter le prototypage matériel IoT. Cette approche complète notre proposition de cadre PrIoT car elle offre une nouvelle façon de créer des prototypes d’applications IoT de bout en bout avec une flexibilité à la fois matérielle et logicielle des appareils IoT. En fait, notre objectif est de permettre un prototypage rapide de l’IoT de bout en bout en mettant en œuvre une couche d’abstraction de haut niveau qui cache les détails de diverses technologies sous-jacentes à l’IoT et en mettant en œuvre des systèmes modulaires pour une intégration flexible des appareils ciblés pour la conception de systèmes IoT. notre cadre PrIoT à travers l’implémentation de référence et aussi le développement de l’implémentation prototype de divers scénarios IoT en utilisant notre framework et en le comparant à diverses solutions existantes.Pour nos systèmes modulaires, nous avons défini deux métriques - adéquation et ratio de couverture qui mesurent la compatibilité des systèmes modulaires embarqués en ce qui concerne les unités de traitement. Nous avons utilisé ces métriques pour comparer notre solution avec les systèmes modulaires existants.

Abstract :

Internet of Things (IoT) combines many technologies and it has spanned across diverse and multidisciplinary application domains. Each domain has its own set of application requirements in terms of hardware, communication, software, source of energy, etc. This inhibits the use of conventional programming models of distributed computing which assumes that the systems are always connected, having abundant computational resources and access to infinite electric energy. Additionally, IoT encompasses a wide range of heterogeneous embedded IoT devices (processing units, sensors, actuators, transceivers, etc.) provided by various manufacturers each with different device architecture, as a result the application software developed for these devices are not compatible with each other. This device heterogeneity poses serious problems for device interoperability and also for harmonized IoT development tools over a wide range of heterogeneous IoT devices. An important challenge not only for domain experts but also for professionals is to realize proof-of-concept (PoC) during industrialization of IoT services,that involves - development, deployment and maintenance of end-to-end IoT application services requiring different types and levels of expertise.The main contribution of this thesis is to introduce a new framework named PrIoT (Prototyping Internet of Things) that allows easy and rapid IoT device programming from design to deployment that better handles the heterogeneity of IoT device architecture. More specifically, the PrIoT framework is based on the concept that IoT applications possess various invariant characteristics that we studied and gathered from various IoT architectures and applications presented in the literature. We then developed a minimalist high level programming language and APIs to show the easy composability of our in-variant functionalities in the development of IoT applications. From a hardware perspective, in order to control better the device heterogeneity, we propose two novel modular systems named R-Bus and P-Bus for designing embedded systems as a set of hardware modules that can be mounted and dismounted based on the IoT applications needs. This re-solves device interface heterogeneity and accommodates various classes of constraint devices along with advance system configuration and plug-&-play functionalities to ease IoT hardware prototyping. This approach complements our proposed PrIoT framework as it offers a new way to build end-to-end IoT application prototypes with flexibility in both hardware and soft-ware of the IoT devices. In fact, our objective is to enable rapid end-to-end IoT prototyping by implementing a high level abstraction layer that hides the details of various technologies underlying IoT and implementing modu-lar systems for flexible device integration targeted for IoT system design.We validate our PrIoT framework through reference implementation and also the development of prototype implementation of various IoT scenarios using our framework and comparing it against various existing solutions.For our modular systems we defined two metrics -suitability and coverage ratio that measure the compatibility of embedded modular systems with respect to processing units. We used these metrics to compare our solution with existing modular systems.