Architecture IoT - Chapitre 4

Introduction à l'architecture IoT

• Le cours vise à comprendre l'Internet des objets (IoT)
• Comprendre l'architecture d'un réseau IoT pour la communication entre objets connectés
• Maîtriser les technologies liées aux objets connectés
• Mettre en place une chaîne IoT complète

Plan du cours

• Chapitre 1 : Introduction à l'Internet des objets
• Chapitre 2 : Architectures IoT
• Chapitre 3 : Composantes physiques d'une solution IoT
• Chapitre 4 : Passerelle/protocoles de communication/Cloud Computing
• Chapitre 5 : Réalisations

Chapitre 4 : Passerelle et protocoles de communication

• Passerelle: Élément du réseau permettant la communication entre réseaux à travers divers protocoles. Sert de nœud pour accéder à d'autres réseaux.
• Protocoles de communication: Défissent les règles pour communiquer entre plusieurs dispositifs numériques. Connectent un objet au réseau (filaire ou sans fil). Composés d'équipements : passerelles, proxys, serveurs...
• Cloud computing: Partie du réseau qui stocke et gère les données.
• Plateformes IoT: Systèmes qui gèrent l'acceptation et la transmission des données IoT, souvent situés dans des centres de données en nuage.

Chapitre 3 : Composantes d'une solution IoT (Passerelles)

• Composants pour la communication des dispositifs IoT :
  • Communications locales : méthode de communication entre dispositifs voisins (appareils).
  • Protocoles d'application : cadres définissant le format des données échangées.
  • Passerelles: traduisent et retransmettent les informations, connectant les réseaux locaux à internet.
  • Serveurs de réseau: gèrent l'acceptation et la transmission des données IoT, souvent dans les centres de données en nuage.
  • Applications en nuage: traitent les données loT pour fournir des informations utiles aux utilisateurs.
  • Interface utilisateur : outil où les utilisateurs voient, manipulent les informations IoT et renvoient les commandes aux dispositifs IoT.

Chapitre 3 : Composantes d'une solution IoT (Passerelles) - Pourqoi avoir besoin d'une passerelle IoT

• Les capteurs IoT font souvent dépendre leurs implémentations de batteries longue durée.
• Le transfert direct vers le cloud peut épuiser la batterie.
• Les protocoles à faible consommation (comme BLE) sont utilisés pour envoyer les données à une passerelle.
• Une fois à la passerelle, les données sont retransmises vers le cloud en adaptant le format pour que le cloud les comprenne.

Chapitre 3 : Composantes IoT (Passerelles) - Passerelle vs Routeur

• Une passerelle, au sens réseau, est un routeur.
• Elle fait office d’intermédiaire pour la transmission des informations entre des hôtes situés dans des réseaux différents.
• Elle détermine la meilleure route pour transmettre des données, en utilisant des algorithmes de routage.
• Elle peut déterminer les limites d'un réseau.

Chapitre 3 : Composantes IoT (Passerelles) - Exemple Routeur Domestique

• Un routeur domestique joue le rôle de passerelle pour relier les appareils locaux (par exemple, le wifi) au réseau internet.
• Il joue le rôle de routeur pour établir les meilleures routes et acheminer les données.
• Il utilise un rôle de commutateur (switch) pour connecter les appareils sur le même réseau (via les connexions filaires ou wifi).

Chapitre 3 : Composantes IoT (Passerelles) - Exemples de Passerelles IoT

• Les passerelles IoT utilisent des protocoles de communication pour établir des connexions. Elles peuvent utiliser des protocoles filaires ou sans fil.
• Les technologies de transmission incluent le WiFi, LoRa, Bluetooth, ZigBee, Z-wave, etc.

Chapitre 3 : Composantes IoT (Passerelles) - Comment créer une Passerelles IoT

• Vous pouvez utiliser un dispositif intermédiaire (ex: routeur ou ordinateur) pour communiquer avec internet.
• Un logiciel est nécessaire pour transformer les données et ajouter une logique à la configuration.
• Node-RED (logiciel open source) fournit une option pour combiner un serveur web et un serveur loT.

Chapitre 3 : Protocoles de communication

• Intérieurs:
  • utilisés pour échanger des informations entre les composants d'un système embarqué (microcontrôleurs, capteurs, actionneurs) (ex: I²C, SPI et UART)
• Externes: permettent la communication avec d'autres systèmes ou le monde extérieur (ex: Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee).

Chapitre 3 : Protocoles de communication Internes

• UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter): protocole de communication série asynchrone entre deux dispositifs.
• SPI (Serial Peripheral Interface): protocole à haute vitesse pour la communication entre un microcontrôleur et des périphériques comme les mémoires ou les écrans.
• I²C (Inter-Integrated Circuit): bus de communication série qui permet de connecter plusieurs périphériques sur un seul bus.

Chapitre 3 : Protocoles de communication Externes

• Filaires: Ethernet (connexions physiques).
• Sans fil : longues portées : LPWAN (réseaux privés comme Sigfox, LoRaWan et publiques comme NB-IoT, LTE-M). Réseaux cellulaires (2G à 5G). Courtes portées: WiFi, Z-wave, Bluetooth Low Energy, Zigbee, RFID, Enocean, NFC.
• Les réseaux LPWAN sont conçus pour des appareils IoT.
• Ils sont utilisés pour les applications IoT nécessitant de grandes distances avec une faible consommation d'énergie.

Chapitre 3 : Protocoles de communication - Classification des réseaux

• Les réseaux filaires: LAN, MAN, WAN.
• Les réseaux sans fil (Wireless): WPAN, WLAN, WMAN, WWAN.
• LAN : Ethernet (IEEE 802.3): débit allant de 100 Mbps à 1 Gbps.

Chapitre 3 : Protocoles de communication - Wi-Fi (Wireless Fidelity)

• Technologie de réseau sans fil qui utilise des ondes radio (2.4 GHz ou 5 GHz).
• Suit la norme IEEE 802.11.
• Permet l'utilisation d'un routeur wifi pour la connexion internet.

Chapitre 3: Protocole de communication - Z-Wave

• Technologie sans fil à faible consommation, adaptée aux applications domotiques IoT.
• Communication fiable et à faible latence de petits paquets de données (100 kbit/s). Fonctionne à 868 MHz en Europe, 915 MHz en Amérique du Nord et en Australie
• Réseau maillé, chaque appareil peut relayer les données.
• Grande sécurité; chaque appareil a un identifiant unique et utilise un chiffrement de bout en bout.
• Idéal pour les maisons intelligentes.

Chapitre 3: Protocole de communication - Zigbee

• Protocole sans fil à faible consommation pour des communications courtes.
• Permet de connecter plus de périphériques (jusqu'à 65 000) sur un seul réseau.
• Fonctionne en réseau maillé, les périphériques peuvent servir de routeurs.
• Idéal pour la domotique (avec une portée inférieure au Z-Wave)

Chapitre 3: Protocole de communication - Bluetooth

• Protocole sans fil largement utilisé pour les communications.
• Portée de 60 mètres (en environnement dégagé) et faible consommation d'énergie.
• Version Bluetooth 5 plus adaptée aux loT et meilleure portée.

Chapitre 3: Protocole de communication - RFID (Radio Frequency Identification)

• Identification par radiofréquence.
• Pas de batterie, l'identification se fait par transmission radio.
• Utilisé pour l'identification des biens et la traçabilité.
• La distance d'identification est limitée à quelques centimètres ou 15 mètres en haute fréquence (UHF).

Chapitre 3: Protocole de communication - NFC (Near Field Communication)

• Protocole radio à ultra-courte portée
• Fonctionne avec la norme ISO/IEC 18000-3, bande de fréquence ISM 13,56 MHz.
• Débit entre 100 et 420 Kbps.
• Portée de 20 cm, souvent utilisé avec les smartphones.

Chapitre 3: Protocoles de communication - LPWAN

• Protocoles Low Power Wide Area Network (LPWAN) : réseau sans fil longue portée dédié aux déploiements loT.
• Exemples : Sigfox, LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M
• Idéal pour appareils IoT distants qui nécessitent une faible consommation d'énergie (ex: capteurs dans l'environnement).

Chapitre 3 : Protocoles de communication - Cloud Computing

• Infrastructure globale de serveurs connectés
• Permet de stocker et de gérer les données en ligne.
• Les données des applications peuvent être accessibles à partir de n'importe quel appareil disposant d'une connexion internet.
• Types de Cloud: Public, Privé, Hybride.
• Différents services clouds: laaS, PaaS, SaaS.

Chapitre 3: Protocoles de communication - Plateformes IoT

• Ensemble de services pour collecter, stocker, corréler, analyser et exploiter les données.
• Un web service pour générer des tableaux de bord et analyse.
• Avantage: mieux surveiller le parc d'objets connectés, proposer des nouveaux services à vos clients.
• Gestion de différents protocoles, sécurité et authentification.

Critères de choix d'un protocole de communication

• Couverture du réseau, environnement, distance de communication
• Le débit, le volume données à échanger, périodicité échanges
• Consommation énergie, coût du service
• Disponibilité et sécurité.

Chapitre 3: Protocoles d'application

• Protocoles à niveau application(couche 7 OSI)
• Comment les données sont organisées et transmises entre les applications ou entre clients et serveurs.
  • MQTT
  • HTTP
  • SMTP
  • CoAP
  • AMQP

Exemples de protocoles d'application

• MQTT: léger; publication/abonnement; utilisé par des équipements connectés à faible puissance, souvent utilisé dans des environnements où la connectivité réseau est intermittente.
• HTTP/REST: basé sur le modèle client/serveur, communications sans fil sur IP.

Chapitre 3: Outils pour les protocoles de communication

• umqttsimple.py: bibliothèque MicroPython pour MQTT.
• BME280.py: bibliothèque MicroPython pour capteur BME280.