Les villes contemporaines font face à de nombreux enjeux : énergétiques,écologiques, démographiques ou encore économiques. Pour y répondre, des moyens technologiques sont mis en place dans les villes via l’utilisation de capteurs et d’actionneurs. Ces villes sont dites intelligentes.Actuellement, les villes intelligentes sont opérés des acteurs qui ne partagent ni leurs données de capteurs ni l’accès à leurs actionneurs.Cette situation est dite verticale : chaque opérateur déploie ses propres capteurs et actionneurs et possède sa propre infrastructure informatique hébergeant ses applications. Cela conduit à une redondance de l’infrastructure et à des applications ad-hoc pour superviser et contrôler un domaine de la ville.Une tendance est d’aller vers une situation dite horizontale via l’utilisation d’une plateforme de médiation ouverte et partagée. Les données de capteurs et les accès aux actionneurs sont mutualisés au sein de ce type de plateforme, permettant leur partage entre les différents acteurs. Les coûts d’infrastructure et de développement s’en trouvent alors réduits.Cette thèse s’inscrit dans ce contexte d’horizontalisation, au sein d’une plate- forme ouverte et partagée, dans laquelle nous proposons :1) une couche d’abstraction pour le contrôle et la supervision de la ville, 2) un mécanisme de contrôle de concurrence gérant les cas de conflits, 3) un mécanisme de coordination favorisant la réutilisation des actionneurs, 4) une implémentation de notre travail par une preuve de concept.L’abstraction que nous proposons se base sur des modèles issus des systèmes réactifs. Ils ont pour objectif d’être générique et représente l’invariant de la ville intelligente : les éléments physiques. Ils permettent aux applications de contrôler et superviser la ville.Pour faciliter le développement d’applications nous uniformisons l’interface de nos modèles. Ces applications pouvant avoir des contraintes temps réel, particulièrement celles qui ont des objectifs de contrôle, nous proposons de tirer parti de l’architecture distribuée de ce type de plateforme.Compte-tenu du partage des actionneurs, nous avons identifié que des conflits peuvent survenir entre les applications. Nous proposons un mécanisme de contrôle de concurrence pour traiter ces cas de conflits.Nous avons également identifié qu’un mécanisme de coordination doit être offert aux applications souhaitant effectuer atomiquement des opérations de contrôle. Un tel mécanisme favorise la réutilisation des actionneurs présents dans la ville.Enfin, nous avons implémenté nos propositions autour d’une preuve de concept, comprenant plusieurs cas d’usages, permettant de démontrer notre travail. / Nowadays cities face several challenges and are concerned by ecological, energetic, economical, and demographical aspects. Smart cities, equipped with sensors, actuators, and digital infrastructures, are meant to tackle these issues.Current smart cities are operated by several actors without sharing sensor data or accesses to the actuators. This is a vertical organization, in which each actor deploys its own sensors and actuators, and manages its own digital infrastructure. Each actor may be interested in a different aspect of city management, for instance traffic management, air control, etc. The current trend is a transition towards a more horizontal organization, based on an open and shared mediation platform. In such a platform, sensor data and accesses to actuators can be shared among several actors. The costs related to nfrastructure deployment and management are therefore reduced for each individual actor. This PhD is a contribution to this volution towards horizontal organizations, with open and shared platforms. We propose: (1) an abstraction layer for the ontrol and supervision of the city; (2) a concurrency management mechanism; (3) a coordination mechanism that helps haring actuators; (4) a proof-of-concept implementation of these contributions. The abstraction layer we propose helps users control and supervise a city. It is based upon formal models inspired by the ones used in the programming of reactive systems. They represent the physical elements present in each smart city, with genericity principles. In order to ease application development, the interface of those models is made uniform. Since applications, especially control ones, may ave real-time constraints, we also list the constraints this poses on distributed infrastructures. As soon as actuators are shared, conflicts may occur between users. Our proposals include a concurrency management mechanism, based on eservation principles. We also provide a coordination mechanism for the users to be able to perform several actions in an tomic way.All these principles have been implemented as a proof of concept. We review several use cases, to demonstrate he potential benefits of our proposals.

Dans le contexte de l'Internet des Objets (IoT), on estime à plus de 10% la proportion de connections réalisées via les réseaux longue portée bas débit, représentant ainsi plusieurs milliards d’objet connectés. Afin de satisfaire les exigences en termes de sensibilité et de réduction du débit, deux approches sont généralement envisagées : l’approche bande étroite, et l’approche faible efficacité spectrale. En comparant les performances des systèmes existants à la limite théorique issue de la théorie de l'information et démontrée par Shannon, on constate qu’un gain en performance est atteignable, tout en travaillant toujours à de faibles niveaux de sensibilité. La théorie de l'information permet d'affirmer qu'un compromis entre l'efficacité spectrale et l'efficacité énergétique doit toujours être fait. Ainsi, une haute efficacité énergétique s'obtiendra au détriment d'une efficacité spectrale faible. A l'inverse, un système fonctionnant à une haute efficacité spectrale devra utiliser plus d'énergie pour transmettre le même nombre de bits et atteindre le même taux d'erreur.Ce travail s’intéresse à l’approche faible efficacité spectrale. En partant des modulations orthogonales, qui permettent d’atteindre la limite théorique de Shannon à des efficacités spectrales très faibles, et des processus turbo, qui atteignent d’excellentes performances à des efficacités spectrales élevées, l’utilisation conjointe d’une modulation orthogonale et d'un code correcteur associés à un récepteur itératif dans une technique dénommée Turbo-FSK est étudiée. Les différents paramètres de la technique sont optimisés en utilisant un outil classique des processus itératifs, l’Extrinsic Information Transfer (EXIT) chart. Les performances mesurées démontrent que la technique permet bien d’atteindre de très faibles niveaux de sensibilité et répond aux critères des réseaux longue portée bas débit. Cependant, la technique ne dispose de point de fonctionnement qu’à de très faibles valeurs d’efficacité spectrale : pour certaines applications ou si la portée nécessaire est réduite, il peut être bénéfique pour le système d’augmenter son efficacité spectrale. Ceci est rendu possible grâce à l’introduction d’une composante linéaire dans l’alphabet de modulation et d’un mécanisme de poinçonnage spécifique à la technique dans une version flexible appelée Coplanar Turbo-FSK. L’étude de l’influence des paramètres et des performances sur un canal à bruit blanc additif gaussien permet en effet de conclure sur la flexibilité de l’efficacité spectrale du système, tout en fonctionnant proche de la limite théorique. Finalement, l’étude jusqu’ici théorique est étendue à un contexte plus pratique, où des canaux sélectifs en fréquences sont considérés. Une encapsulation du système utilisant une architecture OFDM est considérée, et différentes mesures caractéristiques des systèmes de télécommunication sont évaluées. Les résultats sont confrontés à la solution Narrow-Band IoT proposée par l’organisme 3GPP et démontrent ici encore le potentiel de la solution Turbo-FSK pour les réseaux longue portée bas débit. / More than 10% of the Internet-of-Things (IoT) connections are expected to be realized through Low Power Wide Area (LPWA) networks, representing several billions of connected devices. Several industrial solutions have been developed and a standardization process is ongoing. The low levels of sensitivity and low data rate required for the long range communication are achieved by the means of two strategies: a narrow-band strategy and a low spectral efficiency strategy. Considering the limits of the information theory, additional gains in the communication's energy efficiency can be achieved. Nonetheless, a trade-off between spectral efficiency and energy efficiency should always be made. Reliable transmission with high energy efficiency will necessarily result in poor spectral efficiency, and in comparison, a system with a higher spectral efficiency has to consume more energy to transmit the same amount of bits with the same arbitrary level of error.This work considers the low spectral efficiency strategy. The combination of orthogonal modulations and a powerful channel code is studied. The scheme, so-called Turbo-FSK, associates the low spectral efficiency of Frequency Shift Keying (FSK) with the energy efficiency gain of a turbo receiver. Low levels of spectral efficiency can be achieved while optimizing the use of the available resource. The parameters of the scheme are optimized using a classic tool for iterative receivers, the Extrinsic Information Transfer (EXIT) chart. Performance of Turbo-FSK compared to existing LPWA solutions demonstrates the potential of the proposed solution to achieve low levels of sensitivity and to outperform existing schemes. However, the restrictions on low levels of spectral efficiency reduces the number of possible applications for the scheme. By introducing a linear component in the alphabet and a puncturing procedure, flexibility in spectral efficiency is achieved. A large range of spectral efficiencies can be obtained while maintaining performance close to the channel capacity theoretical limit. Eventually, more practical scenarios are considered for evaluating the performance of the scheme. Frequency selective channels are considered and an encapsulation in a Fast Fourier Transform (FFT) based system is implemented. Various indicators are studied and the Turbo-FSK scheme is compared to well-known technologies, such as schemes using Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) associated with a powerful Forward Error Correction (FEC) scheme, namely Turbo Code (TC).

L’informatique en nuage (cloud computing) est souvent le modèle de calcul le plus référencé pour l’internet des objets (Internet of Things).Ce modèle adopte une architecture où toutes les données de capteur sont stockées et traitées de façon centralisée. Malgré de nombreux avantages, cette architecture souffre d’une faible évolutivité alors même que les données disponibles sur le réseau sont en constante augmentation. Il est à noter que, déjà actuellement, plus de50 % des connexions sur Internet sont inter objets. Cela peut engendrer un problème de fiabilité dans les applications temps réel. Le calcul en périphérie (Edge computing) qui est basé sur une architecture décentralisée, est connue comme une solution pour ce problème émergent en : (1) renforçant l’équipement au bord du réseau et (2) poussant le traitement des données vers le bord.Le calcul en périphérie nécessite des noeuds de capteurs dotés d’une plus grande capacité logicielle et d’une plus grande puissance de traitement, bien que contraints en consommation d’énergie. Les systèmes matériels hybrides constitués de FPGAs et de processeurs offrent un bon compromis pour cette exigence. Les FPGAs sont connus pour permettre des calculs exhibant un parallélisme spatial, aussi que pour leur rapidité, tout en respectant un budget énergétique limité. Coupler un processeur au FPGA pour former un noeud garantit de disposer d’un environnement logiciel flexible pour ce nœud.La conception d’applications pour ce type de systèmes hybrides (réseau/logiciel/matériel) reste toujours une tâche difficile. Elle couvre un vaste domaine d’expertise allant du logiciel de haut niveau au matériel de bas niveau (FPGA). Il en résulte un flux de conception de système complexe, qui implique l’utilisation d’outils issus de différents domaines d’ingénierie. Une solution commune est de proposer un environnement de conception hétérogène qui combine/intègre l’ensemble de ces outils. Cependant, l’hétérogénéité intrinsèque de cette approche peut compromettre la fiabilité du système lors des échanges de données entre les outils.L’objectif de ce travail est de proposer une méthodologie et un environnement de conception homogène pour un tel système. Cela repose sur l’application d’une méthodologie de conception moderne, en particulier la conception orientée objet (OOD), au domaine des systèmes embarqués. Notre choix de OOD est motivé par la productivité avérée de cette méthodologie pour le développement des systèmes logiciels. Dans le cadre de cette thèse, nous visons à utiliser OOD pour développer un environnement de conception homogène pour les systèmes de type Edge Computing. Notre approche aborde trois problèmes de conception: (1) la conception matérielle, où les principes orientés objet et les patrons de conception sont utilisés pour améliorer la réutilisation, l’adaptabilité et l’extensibilité du système matériel. (2) la co-conception matériel/logiciel, pour laquelle nous proposons une utilisation de OOD afin d’abstraire l’intégration et la communication entre matériel et logiciel, ce qui encourage la modularité et la flexibilité du système. (3) la conception d’un intergiciel pour l’Edge Computing. Ainsi il est possible de reposer sur un environnement de développement centralisé des applications distribuées† tandis ce que l’intergiciel facilite l’intégration des nœuds périphériques dans le réseau, et en permet la reconfiguration automatique à distance. Au final, notre solution offre une flexibilité logicielle pour la mise en oeuvre d’algorithmes distribués complexes, et permet la pleine exploitation des performances des FPGAs. Ceux-ci sont placés dans les nœuds, au plus près de l’acquisition des données par les capteurs, pour déployer un premier traitement intensif efficace. / Cloud computing is often the most referenced computational model for Internet of Things. This model adopts a centralized architecture where all sensor data is stored and processed in a sole location. Despite of many advantages, this architecture suffers from a low scalability while the available data on the network is continuously increasing. It is worth noting that, currently, more than 50% internet connections are between things. This can lead to the reliability problem in realtime and latency-sensitive applications. Edge-computing which is based on a decentralized architecture, is known as a solution for this emerging problem by: (1) reinforcing the equipment at the edge (things) of the network and (2) pushing the data processing to the edge.Edge-centric computing requires sensors nodes with more software capability and processing power while, like any embedded systems, being constrained by energy consumption. Hybrid hardware systems consisting of FPGA and processor offer a good trade-off for this requirement. FPGAs are known to enable parallel and fast computation within a low energy budget. The coupled processor provides a flexible software environment for edge-centric nodes.Applications design for such hybrid network/software/hardware (SW/HW) system always remains a challenged task. It covers a large domain of system level design from high level software to low-level hardware (FPGA). This result in a complex system design flow and involves the use of tools from different engineering domains. A common solution is to propose a heterogeneous design environment which combining/integrating these tools together. However the heterogeneous nature of this approach can pose the reliability problem when it comes to data exchanges between tools.Our motivation is to propose a homogeneous design methodology and environment for such system. We study the application of a modern design methodology, in particular object-oriented design (OOD), to the field of embedded systems. Our choice of OOD is motivated by the proven productivity of this methodology for the development of software systems. In the context of this thesis, we aim at using OOD to develop a homogeneous design environment for edge-centric systems. Our approach addresses three design concerns: (1) hardware design where object-oriented principles and design patterns are used to improve the reusability, adaptability, and extensibility of the hardware system. (2) hardware / software co-design, for which we propose to use OOD to abstract the SW/HW integration and the communication that encourages the system modularity and flexibility. (3) middleware design for Edge Computing. We rely on a centralized development environment for distributed applications, while the middleware facilitates the integration of the peripheral nodes in the network, and allows automatic remote reconfiguration. Ultimately, our solution offers software flexibility for the implementation of complex distributed algorithms, complemented by the full exploitation of FPGAs performance. These are placed in the nodes, as close as possible to the acquisition of the data by the sensors† in order to deploy a first effective intensive treatment.

On assiste ces dernières années à une explosion des usages dans l’Internet des objets. La démocratisation de ce monde de capteurs est le fruit, d’une part de la baisse drastique des coûts dans l’informatique embarquée, d’autre part d’un support logiciel toujours plus mature. Que ce soit au niveau des protocoles et des réseaux (CoAP, IPv6, etc) ou de la standardisation des supports de développement, notamment sur microprocesseurs ATMEL, les outils à disposition permettent chaque jour une plus grande homogénéisation dans la communication entre des capteurs toujours plus variés. Cette diversification rassemble chaque jour des utilisateurs aux attentes et aux domaines de compétence différents, avec chacun leur propre compréhension des objets connectés. La complexification des réseaux de capteurs, confrontée à cette nécessité d’adresser des usages fondamentalement différents, pose problème. Sur la base d’un même réseau de capteurs hétéroclite, il est crucial de pouvoir répondre aux besoins de chacun des utilisateurs, sans réclamer d’eux une maîtrise du réseau de capteurs dépassant exagérément leur domaine de compétence. L’outil décrit dans ce document se propose d’adresser cette problématique au travers d’un moteur de requête dédié au traitement des données issus des capteurs. Pour ce faire, il repose sur une modélisation des capteurs au sein de différents contextes, chacun à même de répondre à un besoin utilisateur précis. Sur la base de ce modèle est mis à disposition un langage dédié pour le traitement des événements complexes issus des données mesurées par les capteurs. L’implémentation de cet outil permet en outre d’interagir avec d’éventuelles fonctionnalités d’actuation du réseau de capteurs. / Usages of the internet of things experience an exponential growth these last few years. As a matter of fact, this is the result of, on one hand the significantly lowercosts in embedded computing systems, on the other hand the maturing of the software layers. From protocols and networks (CoAP, IPv6, etc) to standardization of ATMEL microcontrollers, tools at hand allow a better communication between more and more various sensors. This diversification gather every day users with different needs, expectations and fields of expertise, each one of them having his own approch, his own understanding of the connected things. The main issue concerns the complexity of the sensor networks, with regard to this necessity to address deeply different usages. Based on a single heterogeneous sensor network, it is critical to be able to meet the needs of each user, without having them to master the network beyond their own field of expertise. The tool described in this document aims at addressing this issue via a query engine dedicated to the processing of data collected from the sensors. Towards this end, it relies on a modelling of the sensors within several contexts, each of them reflecting a specific usage. On this basis a domain-specific language is provided, allowing complex event processing over the data monitored by the sensors. Furthermore, the implementation of this tool allows to interact with optional actuation functionalities of the sensor network.

L’Internet des Objets (IoT) vise à créer un eco-système global et ubiquitaire composé d’un grand nombre d’objets hétérogènes. Afin d’atteindre cette vision, le World Wide Web apparaît comme un candidat adapté pour interconnecter objets et services à la couche applicative en un Web des Objets (WoT).Cependant l’évolution actuelle du WoT produit des silos d’objets et empêche ainsi la mise en place de cette vision. De plus, même si le Web facilite la composition d’objets et services hétérogènes, les approches existantes produisent des compositions statiques incapables de s’adapter à des environnements dynamiques et des exigences évolutives. Un autre défi est à relever: permettre aux personnes d’interagir avec le vaste, évolutif et hétérogène IoT.Afin de répondre à ces limitations, nous proposons une architecture pour IoT ouvert et autogouverné, constitué de personnes et d’objets situés, en interaction avec un environnement global via des plateformes hétérogènes. Notre approche consiste de rendre les objets autonomes et d’appliquer la métaphore des réseaux sociaux afin de créer des réseaux flexibles de personnes et d’objets. Nous fondons notre approche sur les résultats issus des domaines des multi-agents et du WoT afin de produit un WoT Social.Notre proposition prend en compte les besoins d’hétérogénéité, de découverte et d’interaction flexible dans l’IoT. Elle offre également un coût minimal pour les développeurs et les utilisateurs via différentes couches d’abstraction permettant de limité la complexité de cet éco-système. Nous démontrons ces caractéristiques par la mise en oeuvre de plus scénarios applicatifs. / The Internet of Things (IoT) aims to create a global ubiquitous ecosystem composed of large numbers of heterogeneous devices. To achieve this vision, the World Wide Web is emerging as a suitable candidate to interconnect IoT devices and services at the application layer into a Web of Things (WoT).However, the WoT is evolving towards large silos of things, and thus the vision of a global ubiquitous ecosystem is not fully achieved. Furthermore, even if the WoT facilitates mashing up heterogeneous IoT devices and services, existing approaches result in static IoT mashups that cannot adapt to dynamic environments and evolving user requirements. The latter emphasizes another well-recognized challenge in the IoT, that is enabling people to interact with a vast, evolving, and heterogeneous IoT.To address the above limitations, we propose an architecture for an open and self-governed IoT ecosystem composed of people and things situated and interacting in a global environment sustained by heterogeneous platforms. Our approach is to endow things with autonomy and apply the social network metaphor to createflexible networks of people and autonomous things. We base our approach on results from multi-agent and WoT research, and we call the envisioned IoT ecosystem the Social Web of Things.Our proposal emphasizes heterogeneity, discoverability and flexible interaction in the IoT. In the same time, it provides a low entry-barrier for developers and users via multiple layers of abstraction that enable them to effectively cope with the complexity of the overall ecosystem. We implement several application scenarios to demonstrate these features.

Les réseaux centrés contenus (ICN) sont considérés comme une solution aux nouveaux défis et modes de communication liés à l'émergence de l'Internet des Objets (IoT). Pour confirmer cette hypothèse, la problématique fondamentale du routage sur les réseaux ICN-IoT doit être abordée. Cette thèse traite de ce sujet à travers l'architecture IoT.Premièrement, une méthode sécurisée est introduite pour acheminer des paquets ICN à partir de coordonnées géographiques dans un réseau sans-fil de capteurs à faible puissance. Elle est comparée à une inondation optimisée du réseau inspirée des approches existant dans la littérature. En particulier, leur faisabilité et passage à l'échelle sont évalués via un modèle mathématique. Le modèle est paramétré grâce à des données réalistes issues de simulation, de la littérature, et d'expériences sur des capteurs. Il est montré que le routage géographique permet de diviser la mémoire nécessaire sur les capteurs par deux et de réduire considérablement le coût énergétique du routage, en particulier pour des topologies dynamiques.Ensuite, ICN est utilisé pour contrôler l'admission à une plate-forme de calcul de type Fog afin de garantir le temps de réponse. La stratégie de contrôle d'admission proposée, le LRU-AC, utilise l'algorithme Least-Recently-Used (LRU) pour apprendre en direct la distribution de popularité des requêtes. Son efficacité est démontrée grâce à un modèle fondé sur un réseau de files d'attente. Une implémentation du LRU-AC est proposé, utilisant des filtres de Bloom pour satisfaire aux contraintes des cartes FPGA. Son bien-fondé est prouvé par un modèle mathématique et son efficacité en termes de latence et débit démontrée.Enfin, on présente vICN, un outil pour la gestion et la virtualisation de réseaux ICN-IoT. Il s'agit d'une plate-forme qui unifie la configuration et la gestion des réseaux et des applications en exploitant les progrès des techniques d'isolation et de virtualisation. vICN est flexible, passe à l'échelle, et peut remplir différents buts : expériences à grande échelle reproductibles pour la recherche, démonstrations mélangeant machines émulées et physiques, et déploiements réels des technologies ICN dans les réseaux IP existants. / As the Internet of Things (IoT) has brought upon new communication patterns and challenges, Information-Centric Networking (ICN) has been touted as a potential solution. To confirm that hypothesis, the fundamental issue of routing and forwarding in the ICN-IoT must be addressed. This thesis investigates this topic across the IoT architecture.First, a scheme to securely forward ICN interests packets based on geographic coordinates is proposed for low-power wireless sensor networks (WSN). Its efficiency is compared to an optimized flooding-based scheme similar to current ICN-WSN approaches in terms of deployability and scalability using an analytical model. Realistic data for the model is derived from a mixture of simulation, literature study, and experiments on state-of-the-art sensor boards. Geographic forwarding is shown to halve the memory footprint of the ICN stack on reference deployments and to yield significant energy savings, especially for dynamic topologies. Second, ICN is used to enhance admission control (AC) to fixed-capacity Edge-computing platforms to guarantee request-completion time for latency-constrained applications. The LRU-AC, a request-aware AC strategy based on online learning of the request popularity distribution through a Least-Recently-Used (LRU) filter, is proposed. Using a queueing model, the LRU-AC is shown to decrease the number of requests that must be offloaded to the Cloud. An implementation of the LRU-AC on FPGA hardware is then proposed, using Ageing Bloom Filters (ABF) to provide a compact memory representation. The validity of using ABFs for the LRU-AC is proven through analytical modelling. The implementation provides high throughput and low latency.Finally, the management and virtualization of ICN-IoT networks are considered.vICN (virtualized ICN), a unified intent-based framework for network configuration and management that uses recent progress in resource isolation and virtualization techniques is introduced. It offers a single, flexible and scalable platform to serve different purposes, ranging from reproducible large-scale research experimentation to demonstrations with emulated and/or physical devices and network resources and to real deployments of ICN in existing IP networks.

Avec le développement de l’Internet des Objets, la réalisation d’environnements composés de diverses ressources connectées (objets, capteurs, services, données, etc.) devient une réalite tangible. De plus, la place prépondérante que les smartphones prennent dans notre vie (l’utilisateur étant toujours connecté) font que ces espaces dits ‘intelligents’ ouvrent la voie au développement de nouveaux types d’applications; embarquées dans les téléphones d’utilisateurs nomades – passant d’un environnement connecté (la maison) à un autre (la salle de réunion) – et se reconfigurant dynamiquement pour utiliser les ressources de l’environnement connecté dans lequel celles-ci se trouvent. La création de telles applications va cependant de pair avec le design d’outils supportant les utilisateurs en mobilité, en particulier afin de réaliser la sélection la plus efficace possible des ressources de l’environnement dans lequel l’utilisateur se trouve. Tandis qu’une telle sélection requiert la définition de modèles permettant de décrire de façon précise les caractéristiques de ces ressources, elle doit également prendre en compte les profils et préférences utilisateurs.Enfin, l’augmentation du nombre de ressources connectées, potentiellement mobiles, requiert également le développement de processus de sélection qui “passent à l’échelle”. Des avancées dans ce champ de recherche restent encore à faire, notamment à cause d’une connaissance assez floue concernant les acteurs (ainsi que leurs interactions) définissant (i.e., prenant part à) l’éco-système qu’est un “espace intelligent”. En outre, la multiplicité de diverses ressources connectées implique des problèmes d’interopérabilité et de scalabilité qu’il est nécessaire d’adresser. Si le Web Sémantique apporte une réponse à des problèmes d’interopérabilité, il en soulève d’autres liés au passage à l’échelle. Enfin, si des modèles représentant des “espaces intelligents” ont été développé, leur formalisme ne couvre que partiellement toutes les caractéristiques des ressoures connectées. En particulier, ces modèles tendent à omettre les caractéristiques temporelles, spatiales où encore d’appartenance liées à l’éco-système dans lequel se trouvent ces ressources. S’appuyant sur mes recherches conduites au sein des Bell Labs, cette dissertation identifie les interactions entre les différents acteurs de cet éco-système et propose des représentations formelles, basées sur une sémantique, permettant de décrire ces acteurs. Cette dissertation propose également des procédures de recherche, permettant à l’utilisateur (ou ses applications) de trouver des ressources connectées en se basant sur l’analyse de leur description sémantique. En particulier, ces procédures s’appuient sur une architecture distribuée, également décrite dans cette dissertation, afin de permettre un passage à l’échelle. Ces aides à l’utilisateur sont implémentées au travers de briques intergicielles déployées dans différentes pièces d’un bâtiment, permettant de conduire des expérimentations afin de s’assurer de la validité de l’approche employée. / With the growth in Internet of Things, the realization of environments composed of diverse connected resources (devices, sensors, services, data, etc.) becomes a tangible reality. Together with the preponderant place that smartphones take in the daily life of users, these nascent smart spaces pave the way to the development of novel types of applications; carried by the phones of nomadic users and dynamically reconfiguring themselves to make use of such appropriate connected resources. Creating these applications however goes hand-in-hand with the design of tools supporting the nomadic users roaming in these spaces, in particular by enabling the efficient selection of resources. While such a selection calls for the design of theoretically grounded descriptions, it should also consider the profile and preferences of the users. Finally, the rise of (possibly mobile) connected resources calls for designing a scalable process underlying this selection. Progress in the field is however sluggish especially because of the ignorance of the stakeholders (and the interactions between them) composing this eco-system of “IoT-enabled smart environments”. Thus, the multiplicity of diverse connected resources entails interoperability and scalability problems. While the Semantic Web helped in solving the interoperability issue, it however emphasizes the scalability one. Thus, misreading of the ecosystem led to producing models partially covering connected resource characteristics.Revolving from our research works performed over the last 6 years, this dissertation identifies the interactions between the stakeholders of the nascent ecosystem to further propose formal representations. The dissertation further designs a framework providing search capabilities to support the selection of connected resources through a semantic analysis. In particular, the framework relies on a distributed architecture that we design in order to manage scalability issues. The framework is embodied in a VR Gateway further deployed in a set of interconnected smart places and that has been assessed by several experimentations.

L’intérêt croissant pour les environnements connectés (bâtiments, villes, usines intelligents) etl’évolution des réseaux de capteurs, technologies de gestion/communication de données ont ouvertla voie à des applications intéressantes et utiles qui aident les utilisateurs dans leurs tâchesquotidiennes (augmenter la productivité dans une usine, réduire la consommation d’énergie).Cependant, diverses améliorations sont encore nécessaires. Par exemple, comment améliorer lareprésentation de ces environnements complexes, dynamiques et hétérogènes. En outre, commentfaciliter l’interaction entre les utilisateurs et leurs environnements connectés et comment fournir desoutils de surveillance et de gestion de tels environnements.Dans cette thèse, nous nous concentrons sur quatre défis principaux: (i) représenter un ensemblediversifié de composants et d’éléments liés à l’environnement et à son réseau de capteurs; (ii) fournirun langage de requête qui gère les interactions utilisateur/environnement connecté (pour la définitionde l’environnement, la gestion de données, la définition d’événements); (iii) faire face à la dynamiquede l’environnement et à son évolution dans le temps; et (iv) proposer un mécanisme générique dedétection d’événements pour mieux surveiller l’environnement.Pour ce faire, nous présentons d’abord un modèle de données basé sur une ontologie qui représentedes environnements et réseaux de capteurs hybrides. Couvrant ainsi divers capteurs (statique, mobile),environnements (infrastructures, équipements) et données (scalaires, multimédia). Ensuite, nousintroduisons un langage de requête que l’on pourrait utiliser pour diverses tâches (définirl’environnement connecté, la recherche d’informations, la définition d’événements, la gestion dedonnées). De plus, afin de suivre les changements d’environnement, nous fournissons un optimiseurde requêtes qui permet aux requêtes soumises de gérer la dynamique de l’environnement avant leurexécution. Enfin, nous proposons un noyau de détection d’événement qui prend en entrée lesdéfinitions d’événement et détecte les événements ciblés.Nous regroupons les modules susmentionnés dans un framework global pour la détectiond’événements dans des environnements connectés. Notre proposition est générique, extensible, etpourrait être utilisée avec différents environnements connectés tels que des bâtiments, des villes. . . / The rising interest in smart connected environments (e.g., smart buildings, cities, factories) and theevolution of sensors, data management/communication technologies have paved the way forinteresting and useful applications that help users in their every day tasks (e.g. increasing comfort,reducing energy consumption). However, various improvements are still required. For instance, howto enhance the representation of such complex, dynamic, and heterogeneous environments.Moreover, how to facilitate the interaction between users and their connected environments, and howto provide tools for environment monitoring and management.In this thesis, we focus on four main challenges: (i) representing a diverse set of components andelements related to the environment and its sensor network; (ii) providing a query language thathandles user/connected environment interactions (e.g., environment definition, data management,event definition); (iii) coping with the dynamicity of the environment and its evolution over time; and(iv) proposing a generic event detection mechanism for improved environment monitoring.To do so, we first present an ontology-based data model that represents hybrid environments/sensornetworks. Thus covering diverse sensors (e.g., static, mobile), environments (e.g., infrastructures,devices), and data (e.g., scalar, multimedia). Then, we introduce a query language that one might usefor various tasks (e.g., defining the connected environment, information retrieval, event definition,data management). Furthermore, to keep up with the environment changes we provide a queryoptimizer that allows the submitted queries to cope with the dynamicity of the environment prior totheir execution. Finally, we propose an event detection core that takes event definitions as input anddetects the targeted events.We group the aforementioned modules in one global framework for event detection in connectedenvironments. Our proposal is generic, extensible, and could be used with different connectedenvironments such as buildings, cities. . .

Les villes ont eu recours à destechnologies dans plusieurs domaines pouraméliorer la prestation de services publics,répondre aux demandes des citoyens etmesurer la consommation de ressourcesnaturelles. Connues sous le nom de VillesIntelligentes, ces initiatives visent àaméliorer la qualité́ de vie des citoyens etont déjà̀ eu un impact positif sur la manièredont les citoyens interagissent avec lesespaces urbains, les services et les uns avecles autres. D'autre part, les espaces urbainspeuvent être considérés comme une menacepour l'indépendance et l'autonomie despersonnes en situation d'handicap. Nousavons utilisé une approche multiinstrumentspour collecter des donnéesauprès de différentes parties prenantes –personnes en situation de handicap,professionnels travaillant avec despersonnes en situation de handicap, expertsliés à l'accessibilité́ et décideurs politiques,– afin de comprendre les obstaclesrencontrés par les personnes en situation dehandicap. Nous avons d’abord élaboré unedéfinition du terme Ville IntelligenteInclusive, ainsi que nous avons proposé desoutils pour soutenir les praticiens etchercheurs engagés dans le développementde technologies d'assistance numériques :une méthodologie d'implémentation etfonctionnement, un modèle conceptuel etune architecture de système sont proposésdans cette thèse. / Cities have used technologies in anumber of areas to improve the delivery ofpublic services, meet the demands ofcitizens, and measure the consumption ofnatural resources. Known as Smart Cities,these initiatives aim to improve the qualityof life of citizens and have already had apositive impact on how citizens interactwith urban spaces, services and with eachother. On the other hand, urban spaces canbe considered as a threat to theindependence and autonomy of people withdisabilities. We used a multi-instrumentapproach to collect data from differentstakeholders - people with disabilities,professionals working with people withdisabilities, accessibility experts and policymakers - to understand the barriers faced bypeople with disabilities. We first developeda definition of the Smart Inclusive City, aswell as proposed tools to supportpractitioners and researchers engaged in thedevelopment of digital assistivetechnologies: an implementation andoperation methodology, a conceptual model,a business model, and a system architectureare proposed in this thesis.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'expansion rapide de l'Internet des Objets Médicaux (IoMT) englobe une variété de technologies connectées dans le domaine de la santé. Toutefois, les dispositifs de mesure actuels, notamment les bracelets connectés, présentent des limitations qui entravent l'adoption généralisée de l'IoMT et leur utilisation pour la mesure précise et fiable de l'état de santé. Ces limitations se manifestent dans la nécessité d'une transmission continue des données vers des services distants, souvent dépendante de l'utilisation d'un smartphone ou d'une connexion Internet. De plus, l'utilisation prédominante de montres commerciales dans l'IoMT soulève des défis majeurs, tels que la dépendance énergétique liée à une connectivité Internet intensive, la nécessité fréquente de recharges, et le risque de surcharge d'informations due à un affichage continu des données. Une autre contrainte significative dans le contexte de l'IoMT est la dépendance à des serveurs locaux (edge servers) pour la réalisation d'opérations cruciales. De nombreuses applications nécessitent ces serveurs périphériques pour effectuer des traitements locaux, améliorant ainsi la réactivité du système et réduisant la dépendance aux ressources cloud. Cependant, cette dépendance introduit de nouveaux défis en termes de gestion des données, de sécurité et de latence. Cette recherche s'inscrit dans un contexte complexe où l'IoMT, malgré ses avantages potentiels, doit surmonter des obstacles liés à la transmission de données, à la dépendance énergétique des dispositifs, et à la nécessité d'une infrastructure robuste, telle que les serveurs locaux, pour réaliser des opérations cruciales. Ces défis sont particulièrement prégnants dans le cadre de l'extraction des signes vitaux et l'étude de l'activité physique humaine. Pour répondre à ces défis, ce projet de recherche vise à concevoir un bracelet intelligent intégrant des circuits analogiques-numériques pour l'acquisition brute de signaux physiologiques. L'objectif est d'extraire plusieurs signes vitaux, d'optimiser l'utilisation des capteurs en fonction de l'activité et des signes vitaux, d'effectuer des opérations complexes à grande vitesse avec une faible latence et une consommation d'énergie limitée. Le bracelet sera configurable et adaptable, utilisant une transmission sans fil efficace tout en conservant la trace de l'évolution des signes vitaux. Il en résulte trois grands axes de recherches. Un premier axe de recherche a permis de démontrer un système novateur d'analyse en temps réel de douze mouvements de l'activité physique humaine grâce à l'intégration d'apprentissage machine dans le capteur. Ce système, en utilisant les données brutes des capteurs inertiel, a permis de réduire considérablement les coûts computationnels tout en améliorant la précision de la machine à vecteur de support à noyau gaussien par l'utilisation d'une Normalisation Sphérique Multi-Mapping (NSMM) visant à améliorer la dispersion des données. Les résultats montrent une rétroaction de prédiction rapide avec une latence inférieure à 20 ms et une consommation d'énergie modérée tout en offrant une précision de 98.28%. De manière similaire, le deuxième axe de recherche s'est concentré sur le développement d'un bracelet intelligent intégrant plusieurs algorithmes d'IA permettant d'extraire en temps réel des signes vitaux, même lors d'artefacts de mouvement. Ces algorithmes, spécifiquement optimisés pour minimiser l'utilisation de la RAM et des ressources matérielles, permettent une mesure précise du rythme cardiaque, de la fréquence respiratoire et de la saturation en oxygène. L'introduction d'un algorithme intelligent de fusion de domaines maintien des performances élevées pour l'extraction des signes vitaux tout en réduisant l'utilisation de la RAM, même en présence d'artefacts de mouvement. Par ailleurs, le troisième axe de recherche a innové en déployant un modèle d'apprentissage automatique, une machine à vecteur support à noyau linéaire, embarqué dans un dispositif portable pour détecter en temps réel les chutes. L'optimisation du modèle a considérablement réduit l'utilisation de la RAM de 97.9%, tout en maintenant une précision élevée de 96.4% dans la détection des chutes. Bien que cette optimisation entraîne une légère augmentation de la latence, celle-ci reste inférieure à 132 ms, garantissant une détection efficace des chutes. En conclusion, ces recherches contribuent au développement de dispositifs portables intelligents intégrant l'apprentissage automatique pour la surveillance médicale en temps réel. Les méthodes innovantes, les algorithmes optimisés et les déploiements embarqués ouvrent des perspectives pratiques, notamment dans la prévention des blessures, les soins aux personnes âgées et la surveillance continue de la santé. Ces résultats enrichissent l'évolution de l'IoMT, en fournissant des solutions adaptées et efficaces aux contraintes des dispositifs portables. / The rapid expansion of the Internet of Medical Things (IoMT) encompasses a variety of connected technologies in the healthcare sector. However, current measurement devices, notably wearable devices like smartwatches, have limitations that hinder the widespread adoption of IoMT and their use for precise and reliable health monitoring. These limitations include the need for continuous data transmission to remote services, often reliant on a smartphone or Internet connection. Additionally, the prevalent use of commercial watches in IoMT poses major challenges, such as energy dependence due to intensive Internet connectivity, frequent recharging needs, and the risk of information overload from continuous data display. Another significant constraint in the IoMT context is the reliance on edge servers for crucial operations. Many applications require these peripheral servers for local processing, improving system responsiveness and reducing dependence on cloud resources. However, this dependence introduces new challenges in terms of data management, security, and latency. This research addresses a complex context where IoMT, despite its potential benefits, must overcome obstacles related to data transmission, device energy dependence, and the need for a robust infrastructure, such as edge servers, to perform critical operations. These challenges are particularly prevalent in vital signs extraction and human physical activity studies. To address these challenges, this research project aims to design a smart bracelet integrating analog-todigital circuits for raw physiological signal acquisition. The goal is to extract multiple vital signs, optimize sensor use based on activity and vital signs, perform complex operations at high speed with low latency and limited energy consumption. The bracelet will be configurable and adaptable, using efficient wireless transmission while keeping track of vital signs evolution. As a result, three main research axes emerge. The first axis demonstrates an innovative realtime analysis system for twelve human physical activity movements through machine learning integration into the sensor. Using raw inertial sensor data, this system significantly reduces computational costs while improving the accuracy of the Gaussian kernel support vector machine through the use of Multi-Mapping Spherical Normalization (MMSN) to improve data dispersion. The results show rapid prediction feedback with latency below 20 ms and moderate energy consumption while offering 98.28% accuracy. Similarly, the second research axis focused on developing a smart bracelet integrating multiple AI algorithms for real-time ex traction of vital signs, even during motion artifacts. These algorithms, specifically optimized to minimize RAM and hardware resource usage, allow for precise measurement of heart rate, respiratory rate, and oxygen saturation. The introduction of an intelligent domain fusion algorithm maintains high performance for vital signs extraction while reducing RAM usage, even in the presence of motion artifacts. Furthermore, the third research axis innovated by deploying a machine learning model, a linear kernel support vector machine, embedded in a wearable device for real-time fall detection. Model optimization significantly reduced RAM usage by 97.9%, while maintaining high detection accuracy of 96.4% for falls. Although this optimization leads to a slight increase in latency, it remains below 132 ms, ensuring effective fall detection. In conclusion, this research contributes to the development of smart wearable devices integrating machine learning for real-time medical monitoring. The innovative methods, optimized algorithms, and embedded deployments offer practical prospects, particularly in injury prevention, elderly care, and continuous health monitoring. These results enrich the evolution of IoMT by providing tailored and effective solutions to the constraints of wearable devices.