Design methodology for sustainable IoT systems - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Design methodology for sustainable IoT systems

Méthodologie de conception pour les systèmes IoT durables

Résumé

The accelerated adoption of the Internet of Things by our modern societies has increased significantly the production of connected devices and data in recent years. In the face of the potential impacts of this tendency, researchers put more efforts on measuring the environmental impact of IoT systems, proposing tools to reduce this impact and offering innovative solutions. However, Life Cycle Assessment (LCA) literature focused on IoT systems shows that few authors cover the full architecture. On the other hand, the eco design tools found in literature suffer from shortcomings and some of the most innovating solutions are projected promising, but also can cause collateral damage. Besides of all this, the research on impact estimation struggles with the absence of LCA data, and practice of eco design is hampered by the impracticability of applying exhaustive LCA modeling, within the typical design workflow of devices. It is in this context that this thesis aims to build a practical design methodology oriented to estimate the environmental impact of full IoT systems, and minimize this impact from the early steps of the development of new prototypes. To achieve this goal, this work starts from the idea that substantial information for an IoT application can be obtained from the efficient collection and organization of sufficient, yet meaningful raw data. In this manner, this thesis is developed on the basis of two points of reflection. The first one establishes two inexorable and indissociable concepts “function-capacity” that facilitate the definition of reference flows. Based on that, a framework for impact estimation is built. The second one promotes the approach of “right-provisioned-devices” that guides the selection of suitable components under three interdependent criteria (physical, technical and circular), considering a preliminary design step of data and information flow. Based on that, another framework for eco design is built. Both frameworks complement each other and compose a unique methodology for the eco innovation of IoT systems, applicable from basic information available to designers. In this work, this methodology has been implemented and illustrated in two parts. Firstly, the framework for impact estimation was implemented by a bottom-up, transversal life cycle model, which aims to illustrate the theoretical and empirical estimation of the reference flow and long-term impact of an IoT system oriented to smart metering. Secondly, the framework for eco design was implemented and illustrated by a preliminary design step of data and information flow of a prototype of a self-powered EH sensor system developed at the System Division of CEA-Leti; and by a LCA-based evaluation step, that involves two of its versions. This work concludes with 22 guidelines that must be adopted with a critical and global approach. That is, they should be challenged, refined or complemented in the context of other case studies; and by using the proposed methodology in a continuous, coherent and automated manner, particularly with the adaptation of Information Systems.
L’adoption de l’IoT dans nos sociétés modernes a généré une production accrue des dispositifs connectés, et en même temps une augmentation significative des flux de données. C’est la raison pour laquelle, la communauté scientifique s’inquiète de plus en plus de l’impact environnemental de ce secteur. De même, il convient mentionner que, d’ici quelques années, il faudra environ 17 fois plus d’énergie secondaire pour produire des circuits intégrés qu’il n’en fallait en 2016. Et que, malgré les développements technologiques dans les semi-conducteurs ayant permis de concevoir des systèmes plus efficaces ; les résultats des études dans le domaine montrent qu’à moyen et long terme, ces avancées ralentiront voire s'arrêteront complètement, entraînant ainsi une augmentation de la consommation d'énergie secondaire sans précédent, en raison du traitement de données qui ne cesse pas d’augmenter. D’autre part, les recherches menées dans le domaine de l’écoconception de systèmes IoT et leur impact environnemental font face à des défis considérables au cours de la décennie à venir. En effet, ils présentent des inconvénients majeurs, tels que l’inexistence de données ACV, dans certaines phases du cycle de vie ou de l’architecture complète de systèmes IoT, notamment pour l’infrastructure mutualisée. De même, selon une recherche qualitative réalisée au sein des équipes de conception de la Direction des Systèmes du CEA-Leti, il a été constaté que l’application exhaustive des études ACV n'est pas toujours faisable. En effet, il requiert des efforts considérables qui sont liés à la disponibilité de temps des concepteurs, ingénieurs et manageurs. Il a été également observé qu’ils n’ont pas seulement besoin d’un outil simple et pratique d’évaluation des impacts environnementaux et d’écoconception facilitant la prise de décisions, mais, aussi d’un outil qui s’adapte subtilement au processus du développement de nouveaux prototypes. Ce travail s'articule autour de l'idée, qu’à partir de l’organisation et de la collecte efficiente de données brutes en une application IoT, il est possible d’obtenir de l’information substantielle. Ainsi, à partir d’une analyse fonctionnelle, il est possible de concevoir un flux de référence essentiel d’un système IoT. Dans ce sens, ce travail se développe sur la base de deux points de réflexion. Premièrement, il énonce deux concepts éminents et indissociables « fonction-capacité » présents dans les composants électroniques et exécutés dans différentes phases opératives de données. À partir de cette relation, ce travail a construit un outil-cadre d’évaluation d’impact environnemental qui met en évidence les éléments essentiels de l’architecture complète des systèmes IoT, et fait également référence à ses interactions, facilitant une estimation rapide et adéquate du flux de référence réel d’un système IoT. Deuxièmement, il fait référence à l’idée de « dispositifs bien approvisionnés ». À l’aide de ce critère, ce travail propose un outil-cadre d’écoconception inscrit dans le processus de développement de prototypes. Il guide la sélection de composants adéquats sous trois critères interdépendants : physique, technique et circulaire, à partir d’un pas préliminaire de conception de flux de données et d’information. Sur la base de ces deux nouveaux outils-cadres, qui en même temps se complémentent, ce travail présente une méthodologie d’éco-innovation facile à appliquer à partir des informations disponibles aux concepteurs. Après avoir réalisé une analyse exhaustive et implémenté les deux outils-cadres dans deux cas d’étude, ce travail propose des recommandations qui sont traduites en 22 guides de conception. Ces directives doivent être adoptées, raffinées et complémentées à d’autres études, sous une approche critique et globale, en utilisant la méthodologie présentée dans ce travail de manière continue, cohérente et automatisée, notamment avec l’adaptation des systèmes d’information.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03923927 , version 1 (05-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03923927 , version 1

Citer

Ernesto Quisbert-Trujillo. Design methodology for sustainable IoT systems. Micro and nanotechnologies/Microelectronics. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2022. English. ⟨NNT : 2022GRALT068⟩. ⟨tel-03923927⟩
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