Introduction à l'Internet des Objets (IoT)

Présentation du cours

• Les objectifs du cours sont d'explorer l'ensemble de la chaîne de valeur de l'IoT, de l'acquisition des mesures à l'exploitation des données.
• Les étudiants concevront une solution IoT pour résoudre un problème réel en utilisant des fondements théoriques.
• Le cours analysera différentes fonctionnalités des solutions IoT à travers des exercices pratiques simples.
• Un prototype de solution IoT complète sera développé en tant que projet.
• Le volume horaire du cours est de 26h en cours intégrés.
• L'évaluation comprendra des travaux pratiques, un projet, un contrôle de connaissances et un examen.

Origine et Définitions

• Le concept IoT est apparu en 1982 par des étudiants de l'Université Carnegie Mellon.
• Ils ont inventé un distributeur de Coca-Cola connecté à ARPANET, avec des capteurs pour suivre le nombre de bouteilles et leur température.
• Le terme IoT a été introduit en 1999 par Kevin Ashton de Procter & Gamble, pour décrire l'optimisation de la chaîne d'approvisionnement via la technologie RFID.
• RFID utilise des micro-puces d'identification par radiofréquence pour automatiser le suivi des marchandises de la production au consommateur.
• L'Internet des objets est né entre 2008 et 2009.
• À ce moment, il y avait plus d'objets connectés à Internet que de personnes.

Motivations

• La connectivité omniprésente, grâce à la diversité des solutions sans fil, permet de connecter n'importe quel objet.
• La disponibilité et l'adoption généralisée du protocole IP facilitent l'intégration des objets à Internet.
• La miniaturisation et le faible coût des composants électroniques rendent les solutions IoT plus accessibles.
• Le Cloud Computing offre des capacités de calcul aux objets physiques.
• Le Big Data fournit de nombreux algorithmes pour la collecte et l'analyse des données.
• Le marché de masse pour l'IoT est en pleine croissance, signe d'une maturité et d'un engagement irréversible.

Définition de l'IoT (ITU)

• L'ITU définit l'IoT comme une infrastructure mondiale pour la société de l'information, qui permet de disposer de services évolués en interconnectant des objets physiques ou virtuels.
• L'interconnexion est rendue possible grâce aux technologies de l'information et de la communication interopérables.

Définition de l'IoT (Cisco)

• Cisco définit l'IoT comme un réseau d'objets physiques accessibles via Internet, contenant une technologie intégrée pour interagir avec leur environnement interne ou externe.
• Permettre aux objets de détecter et de communiquer modifie la façon dont les décisions sont prises.

Définition de l'IoT (ISO/IEC)

• ISO/IEC définit l'IoT comme une infrastructure d'objets interconnectés, de personnes, de systèmes et de ressources d'information.
• Cette infrastructure utilise des services intelligents permettant de traiter l'information du monde physique et virtuel, et d'y réagir.

Définition de l'IoT (IEEE)

• L'IEEE définit l'IoT comme des appareils souvent limités en communication et en capacité de calcul, mais de plus en plus connectés à Internet.
• Ces appareils fonctionnent avec divers services et mènent à une communication machine-to-machine sans intervention humaine directe.

Fonctionnement de l'IoT (1/2)

• Un objet est un dispositif physique capable de collecter et de communiquer des mesures.
• L'objet est connecté à Internet, utilisant une plateforme cloud IoT.
• Les mesures sont stockées et analysées dans le cloud.
• Fournir des services utiles aux utilisateurs rend l'environnement plus utile.
• Les utilisateurs accèdent au cloud pour bénéficier des services.

Fonctionnement de l'IoT (2/2)

• Les objets envoient des mesures.
• Les données brutes sont traitées et analysées pour obtenir des informations utiles.
• Des actions automatisées ou manuelles sont déclenchées en réponse à ces informations.

Architecture de l'IoT

• L'architecture d'une solution IoT varie d'un système à un autre.
• L'architecture la plus élémentaire est une architecture à trois couches: perception, réseau et application.

Architecture de l'IoT - Les Couches

• La couche "perception" se compose d'objets qui recueillent des informations de l'environnement et agissent sur celui-ci.
• La couche "réseau" est responsable du transport des données des objets vers le cloud.
• La couche réseau assure aussi le sens inverse de la communication avec des commandes.
• La couche "application" stocke et analyse les données ainsi, elle fournit des services spécifiques comme la visualisation.

Composants d'une solution IoT

• Perception : Appareils connectés (Things)/Capteurs et Actionneurs
• Application : Plateforme IoT et Applications

Appareils connectés

• Les objets dans l'Internet des objets, appelés "Things", sont souvent appelés "appareils connectés".
• Un appareil connecté est typiquement un système embarqué capable de prendre des mesures, d'agir, et de communiquer via une antenne.
• Les appareils connectés incluent des dispositifs plus complexes comme des ordinateurs et des smartphones.

Architecture d'un objet connecté

• Un objet connecté est généralement construit autour d'un microcontrôleur (MCU).
• Les composants comprennent une mémoire, un contrôleur, un dispositif de communication, des capteurs/actionneurs, et une alimentation.

Capteurs

• Accélération/Inclinaison : Mesure l'accélération et l'inclinaison.
• Vibration : Détecte les vibrations.
• Position/Proximité : Localise et détermine la proximité.
• Ultrasons/Radio : Utilise les ultrasons et les ondes radio.
• RFID/NFC : Identification par radiofréquence et communication en champ proche.
• Chimique/Gaz : Détecte les produits chimiques et les gaz.
• Acoustique/Son : Capte les sons.
• Flux : Mesure le débit.
• Lumière Ambiante/Machine visuelle/Optique : Évalue la lumière ambiante et les informations visuelles.
• Humidité/Humidité/Eau : Mesure l'humidité et la présence d'eau.
• Mouvement/Vitesse/Déplacement : Détecte le mouvement, la vitesse et le déplacement.
• Température : Mesure la température.
• Force/Charge/Pression : Évalue la force, la charge et la pression.
• Fuites/Niveaux : Détecte les fuites et mesure les niveaux.
• Électricité : Mesure les grandeurs électriques.
• Magnétique : Détecte les champs magnétiques.

Capteurs physiologiques

• Pression, Mouvement, Tactile et Vibration pour les signaux physiques.
• Température (Fièvre, Hypothermie) pour les signaux thermiques.
• EEG, ECG et EMG pour signaux électrophysiologiques.
• L'intégration de ces capteurs avec une communication sans fil permet la surveillance et le feedback via des dispositifs intelligents.

Actionneurs

• Les actionneurs transforment l'énergie reçue en un phénomène physique, comme un déplacement, un dégagement de chaleur ou une émission de lumière.
• Exemple : Les haut-parleurs convertissent les signaux électriques en ondes acoustiques.

Le MCU

• Un microcontrôleur (MCU) est un circuit intégré compact incluant un processeur, une mémoire et des périphériques d'entrée/sortie sur une seule puce.
• Les MCU sont conçus pour traiter les données brutes capturées par les capteurs et extraire des informations utiles.

Formes Basiques de MCU

• Atmel AVR AT32UC3
• Microchip ATmega328P
• ST STM32 Cortex
• Texas Instruments MSP430 et CC2650

Formes intégrées pour le prototypage (IoT Boards)

• ESP32
• Arduino Uno
• STM32 Nucleo
• Raspberry Pi 4
• CC2650 LaunchPad
• Tmote Sky

Tableau comparatif des cartes IoT

• Arduino Uno : ATmega328P 16 MHz, 32 KB Flash, simple, vaste communauté.
• ESP32 : Tensilica LX6 240 MHz dual-core, 4MB Flash, puissant, faible coût, connectivité intégrée (Wi-Fi et Bluetooth).
• STM32 Nucleo : ARM Cortex-M à 64 KB-2 MB Flash, polyvalent, adapté aux applications industrielles.
• Raspberry Pi 4 : Broadcom BCM2711 1.5 GHz quad-core, jusqu'à 8 GB RAM, puissance de calcul élevée, véritable ordinateur miniature.
• CC2650 LaunchPad : TI CC2650 48 MHz, 128 KB Flash, faible consommation d'énergie, support des protocoles IoT spécifiques.
• Tmote Sky : MSP430 8 MHz, Faible consommation, populaire pour la recherche sur les réseaux de capteurs.

Gateway (Passerelle)

• Une passerelle est une combinaison de composants matériels et logiciels connectant des réseaux avec traduction de données.
• Les fonctions incluent la collecte, la centralisation et la traduction des données, le filtrage et l'agrégation, et le traitement local.

Edge Gateway

• Une passerelle "Edge" peut offrir des capacités de prétraitement, d'agrégation/filtrage, et d'enrichissement des données.
• Les avantages sont : allègement de la charge du cloud, amélioration du temps de réponse, de la bande passante, et de la sécurité des données sensibles.

Architecture Edge vs Mist vs Fog

• Cloud : Traitement centralisé dans des centres de données.
• Fog : Traitement distribué plus près du réseau, en utilisant des nœuds de brouillard.
• Edge : Traitement au niveau des appareils ou passerelles en périphérie du réseau.
• Mist : Utilise une structure maillée et une approche plus décentralisée.

Plateforme IoT

• Une plateforme IoT est un ensemble de services permettant de collecter, stocker, corréler et analyser des données pour en extraire des informations.

Fonctions Principales d'une Plateforme IoT

• Interfaces externes : APIs, SDKs, et passerelles pour l'intégration avec des systèmes tiers.
• Analytique : Algorithmes pour calculs avancés et apprentissage automatique.
• Outils supplémentaires : prototypage d'applications et gestion des accès.
• Visualisation des données : Détection de motifs et tendances via des tableaux de bord visuels.
• Traitement et gestion des actions : Déclencheurs événement-action basés sur des règles.
• Gestion des dispositifs : Outil pour gérer l'état des dispositifs, les déploiements et les mises à jour logicielles.
• Connectivité et normalisation : Agents et bibliothèques assurant une connectivité et une harmonisation des données.

Fonctions simplifiées d'une plateforme IoT

• Gestion des données
• Gestion de la connectivité
• Support au développement d'applications
• Gestion des appareils

Types de plateformes IoT

• Orientée consommateur : Fournit la gestion des appareils, la visualisation et l'analyse.
• Exemples : Microsoft Azure IoT, Google Cloud IoT, Salesforce IoT Cloud,
• IBM Watson IoT (obsolète)
• Orientée entreprise : Verticales spécialisées pour des secteurs spécifiques.
• Exemples :
• Santé (Philips HealthSuite)
• Agriculture (CropX)
• Transport (Verizon Connect)

Types de plateformes IoT Open-Source

• Les plateformes sont open-source offrent les fonctionnalités de base à celles des plateformes propriétaires.
• Le code source est accessible, permettant la modification et la personnalisation
• Certaines fonctionnalités ou modules avancés peuvent être payants.
• Exemples: ThingsBoard, ThingSpeak, Kaa.

Exemple de IBM

• Les composantes de la solution incluent les appareils ou passerelles, l'IBM Watson IoT Platform, les APIs REST et Real-time, et les applications et analyses.

Applications IoT les plus populaires

• Smart Homes, Fitness Wearables, Smart City, Smart Autonomous Vehicles, IoT-Powered Tourism and Hospitality, Smart Grids, Remote Patient Monitoring, Retail IoT Applications, Smart Manufacturing, et IoT Farming sont les applications les plus courantes.

Top 10 des cas d'utilisation de l'IoT

• Automatisation des processus (58%), contrôle qualité et gestion (55%), surveillance énergétique (55%), gestion des stocks en temps réel (54%), suivi de la chaîne logistique (54%).
• Planification et ordonnancement des opérations (53%), suivi et traçabilité sur site (50%), optimisation des performances des actifs (48%), surveillance à distance des actifs (48%),suivi de localisation (45%).

Segmentation du marché IoT

• Le marché IoT peut être segmenté en IoT orienté consommateur et IoT orienté industrie.
• Les objets connectés sont dédiés au grand public.
• Gartner prévoit que les objets industriels rapporteront plus d'argent.

Organisation du module

• L'architecture de l'IoT comprend les appareils, la passerelle, et la plateforme cloud.
• Le cours est divisé en deux parties :
• Acquisition de données et communication avec les objets IoT
• Logiques applicatives pour la collecte, le stockage, l'analyse, et la visualisation des données

Ce cours aborde l'histoire, les objectifs et l'architecture de l'IoT. Il couvre les couches de l'architecture IoT, les passerelles et les plateformes IoT. Il met en lumière l'importance de l'utilisation améliorée des objets connectés.