SeMoM, a semantic middleware for IoT healthcare applications

by Rita Zgheib

Doctoral thesis in Intelligence artificielle

Under the supervision of Rémi Bastide and Emmanuel Conchon.


  • Abstract

    Nowadays, the adoption of the Internet of Things (IoT) has received a considerable interest from both academia and industry. It provides enhancements in quality of life, business growth and efficiency in multiple domains. However, the heterogeneity of the "Things" that can be connected in such environments makes interoperability among them a challenging problem. Moreover, the observations produced by these "Things" are made available with heterogeneous vocabularies and data formats. This heterogeneity prevents generic solutions from being adopted on a global scale and makes difficult to share and reuse data for other purposes than those for which they were originally set up. In this thesis, we address these challenges in the context of healthcare applications considering how we transform raw data to cognitive knowledge and ontology-based information shared between IoT system components. With respect to heterogeneity and integration challenges, our main contribution is an ontology-based IoT architecture allowing the deployment of semantic IoT applications. This approach allows sharing of sensors observations, contextualization of data and reusability of knowledge and processed information. Specific contributions include: * Design of the Cognitive Semantic Sensor Network ontology (CoSSN) ontology: CoSSN aims at overcoming the semantic interoperability challenges introduced by the variety of sensors potentially used. It also aims at describing expert knowledge related to a specific domain. * Design and implementation of SeMoM: SeMoM is a flexible IoT architecture built on top of CoSSN ontology. It relies on a message oriented middleware (MoM) following the publish/subscribe paradigm for a loosely coupled communication between system components that can exchange semantic observation data in a flexible way. From the applicative perspective, we focus on healthcare applications. Indeed, specific approaches and individual prototypes are preeminent solutions in healthcare which straighten the need of an interoperable solution especially for patients with multiple affections. With respect to these challenges, we elaborated two case studies 1) bedsore risk detection and 2) Activities of Daily Living (ADL) detection as follows: * We developed extensions of CoSSN to describe each domain concepts and we developed specific applications through SeMoM implementing expert knowledge rules and assessments of bedsore and human activities. * We implemented and evaluated the SeMoM framework in order to provide a proof of concept of our approach. Two experimentations have been realized for that target. The first is based on a deployment of a system targeting the detection of ADL activities in a real smart platform. The other one is based on ADLSim, a simulator of activities for ambient assisted living that can generate a massive amount of data related to the activities of a monitored person.

  • Alternative Title

    SeMoM, middleware sémantique pour les applications de santé baséees sur l'internet des objets


  • Abstract

    De nos jours, l'internet des objets (IoT) connaît un intérêt considérable tant de la part du milieu universitaire que de l'industrie. Il a contribué à améliorer la qualité de vie, la croissance des entreprises et l'efficacité dans de multiples domaines. Cependant, l'hétérogénéité des objets qui peuvent être connectés dans de tels environnements, rend difficile leur interopérabilité. En outre, les observations produites par ces objets sont générées avec différents vocabulaires et formats de données. Cette hétérogénéité de technologies dans le monde IoT rend nécessaire l'adoption de solutions génériques à l'échelle mondiale. De plus, elle rend difficile le partage et la réutilisation des données dans d'autres buts que ceux pour lesquels elles ont été initialement mises en place. Dans cette thèse, nous abordons ces défis dans le contexte des applications de santé. Pour cela, nous proposons de transformer les données brutes issues de capteurs en connaissances et en informations en s'appuyant sur les ontologies. Ces connaissances vont être partagées entre les différents composants du système IoT. En ce qui concerne les défis d'hétérogénéité et d'interopérabilité, notre contribution principale est une architecture IoT utilisant des ontologies pour permettre le déploiement d'applications IoT sémantiques. Cette approche permet de partager les observations des capteurs, la contextualisation des données et la réutilisation des connaissances et des informations traitées. Les contributions spécifiques comprennent : * Conception d'une ontologie " Cognitive Semantic Sensor Network ontology (CoSSN) " : Cette ontologie vise à surmonter les défis d'interopérabilité sémantiques introduits par la variété des capteurs potentiellement utilisés. CoSSN permet aussi de modéliser la représentation des connaissances des experts. * Conception et mise en œuvre de SeMoM: SeMoM est une architecture flexible pour l'IoT intégrant l'ontologie CoSSN. Elle s'appuie sur un middleware orienté message (MoM) pour offrir une solution à couplage faible entre les composants du système. Ceux-ci peuvent échanger des données d'observation sémantiques de manière flexible à l'aide du paradigme producteur/consommateur. Du point de vue applicatif, nous sommes intéressés aux applications de santé. Dans ce domaine, les approches spécifiques et les prototypes individuels sont des solutions prédominantes ce qui rend difficile la collaboration entre différentes applications, en particulier dans un cas de patients multi-pathologies. En ce qui concerne ces défis, nous nous sommes intéressés à deux études de cas: 1) la détection du risque de développement des escarres chez les personnes âgées et 2) la détection des activités de la vie quotidienne (ADL) de personnes pour le suivi et l'assistance à domicile : * Nous avons développé des extensions de CoSSN pour décrire chaque concept en lien avec les deux cas d'utilisation. Nous avons également développé des applications spécifiques grâce à SeMoM qui mettent en œuvre des règles de connaissances expertes permettant d'évaluer et de détecter les escarres et les activités. * Nous avons mis en œuvre et évaluer le framework SeMoM en se basant sur deux expérimentations. La première basée sur le déploiement d'un système ciblant la détection des activités ADL dans un laboratoire d'expérimentation pour la santé (le Connected Health Lab). La seconde est basée sur le simulateur d'activités ADLSim développé par l'Université d'Oslo. Ce simulateur a été utilisé pour effectuer des tests de performances de notre solution en générant une quantité massive de données sur les activités d'une personne à domicile.


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This thesis has resulted in a publication by in 2017 by Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] in Toulouse

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  • Under the title: SeMoM, a semantic middleware for IoT healthcare applications
  • Details : 1 vol. (166 p.)
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