Internet des objets (IoT) - Cours - PDF

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02/04/2024 Cours Internet des Objets (IoT) Les Concepts de Base ISET Djerba ImenBenOmrane 1 Origine Kevin Ashton : Le premier qui a utilisé le terme « Internet of Things » en 1999 pour décrire les micropuces d‘identification par radiofréquence (RFID). Selon le groupe Cisco Internet Business Solutions (IBSG), l‘Internet des objets est né entre 2008 et 2009, au moment où plus de «choses ou d‘objets» étaient connectés à Internet que de personnes 2 1  02/04/2024 3 4 2  02/04/2024 5 6 3  02/04/2024 7 Exemple: La Ferme intelligente Les fermes utilisent la technologie IoT pour gérer à distance et automatiquement l'environnement de croissance des cultures et du bétail. Les agriculteurs peuvent contrôler les appareils, tels que les pompes à eau, les clôtures, les appareils de chauffage, en utilisant leurs smartphones de n'importe où. Plus intelligemment, l'environnement peut être surveillé et ces dispositifs peuvent être contrôlés automatiquement pour fournir une bonne condition à l'agriculture sans l'intervention de l'humain. 8 4  02/04/2024 Humain ECG sensor Connecté aux objets Internet Motion sensor Motion sensor Motion sensor 9 Objets Connectés aux objets Resources et réseaux Complexes et heterogenes 10 5  02/04/2024 Capteurs sans fils et réseaux (WSN) End-user Core network e.g. Internet Gateway Sink node Gateway Computer services 11 12 6  02/04/2024 13 Mais c’est quoi le problème ? 14 7  02/04/2024 Sans entrer dans les détails, on voit que certains logos se retrouvent à plusieurs emplacements, qu’il y a pour chaque secteur une profusion de solutions qui nuisent à l’interopérabilité et aux évolutions. L’internet des objets, consiste à simplifier cette architecture, comme l’internet l'a fait il y a quelques années dans le domaine des télécoms en simplifiant ce modèle et en permettant à ces différents acteurs de converger vers une architecture commune et un ensemble de solutions plus réduit 15 l’interopérabilité (vidéo) 16 8  02/04/2024 l’interopérabilité L’internet des objets suit la même voie d’évolution que les télévision. En plus des technologies spécifiques, les protocoles de l’internet sont intégrés, mais en les adaptant aux contextes du secteur. Nous sommes actuellement en train de vivre la convergence vers un ensemble réduit de protocoles, une standardisation de la représentation de la donnée, et son traitement sur des plateformes plus génériques. Le déclencheur n’est pas la montée en débit comme pour la télévision, mais la possibilité d'avoir des équipements peu chers, aux capacités réduites par rapport à l'informatique traditionnelle et autonomes énergétiquement, tout en ayant une meilleure intégration dans les systèmes d'information actuels. 17 Des objets contraints connecter un appareil à une source d’énergie ou recharger une batterie a un coût. Augmenter la vitesse du processeur ou la taille de la mémoire induit une plus grande consommation d’énergie de l'objet. Les objets sont généralement limités en termes de puissance de traitement, de mémoire et d’énergie. Selon le standard de l’IETF [RFC 7228], les dispositifs peuvent être répartis en trois classes qui se retrouvent aussi dans la segmentation des processeurs : Classe0 Classe1 Classe2 18 9  02/04/2024 Des objets contraints La classe 0, avec moins de 10 ko de mémoire volatile pour stocker les données temporaires et 100 ko de mémoire Flash pour stocker le code informatique de l'objet. => C'est l’équivalent d’un Arduino UNO (2 ko de RAM et 32 ko de Flash). Il est presque impossible d’installer à la fois les protocoles utilisés pour communiquer sur Internet (même de manière restreinte) et les applications qui tournent dessus. 19 Des objets contraints Un appareil de classe 0 ne peut pas utiliser directement l’internet pour échanger des informations, d’où la nécessité d’installer une passerelle pour capter le trafic et l’envoyer sur l’internet. Il ne possède pas directement d'adresse IP. Les passerelles LoRaWAN agissent dans ce sens. Les données produites sont encapsulées par ces passerelles dans des protocoles comme HTTP ou MQTT, que nous verrons également dans la suite du cours. 20 10  02/04/2024 Des objets contraints La classe 1 a environ 10 Ko de RAM et 100 Ko de Flash. Avec une adaptation, il est possible d’y installer une pile IP. Il s'agit par exemple d'équipement comme le Pycom Lopy4. le Pycom utilise une version simplifiée du langage Python (micro-python) qui permet de l'adapter à la limitation du système. Le LoPy 4 est une carte de développement miniature dédiée aux objets connectés, basée sur le langage Python 3, de faible consommation et disposant de connectivité WiFi, Bluetooth (compatible BLE), LoRa et Sigfox. 21 Des objets contraints La classe 2 est moins restreinte avec au moins 50 ko de RAM et 250 ko de Flash (comme un Raspberry Pi). Le système d’exploitation Linux peut fonctionner sur ces appareils. Par conséquent, il y a peu de limitations sur la pile IP et les applications s’y exécutant. => Les dispositifs de classe 2 peuvent interagir directement avec d’autres nœuds sur l’internet, sans passer par une passerelle. 22 11  02/04/2024 Un peu de vocabulaire ! Un routeur est un équipement matériel informatique dont la fonction principale consiste à orienter les données à travers un réseau. Il permet, entre autres, de faire circuler des données entre deux interfaces réseau. La passerelle joue ainsi un rôle de pare-feu et participe à la sécurisation des échanges via des protocoles réseau différents. La plupart du temps, la passerelle applicative a pour mission de relier un réseau local à Internet. La gateway la plus connue est ainsi la box Internet 23 01 Qu’est ce qu’un objet connectés 24 12  02/04/2024 25 26 13  02/04/2024 Machine-to-Machine M2M M2M est une sous-classe de l‘IoT. M2M : Machine to Machine, échange de données entre deux machines sans intervention humaine. M2M fait référence à des technologies permettant aux systèmes sans fil et câblés de communiquer avec d'autres périphériques du même type. M2M utilise un dispositif (capteur) pour capturer un événement (température, niveau de pollution, etc.) transmis via un réseau (sans fil, câblé ou hybride) à une application (logiciel) qui convertit l'événement capturé en données significatives. 27 M2M versus IoT M2M : Un périphérique qui capture un événement et le transmet sur le réseau à une application. L'application traduit l'événement en informations significatives. IoT : IoT Un réseau d'éléments identifiables de manière unique qui communiquent sans interaction humaine à l'aide de la connectivité IP. 28 14  02/04/2024 02 Comment ça Fonctionne ? 29 30 15  02/04/2024 Exemple du potager connecté 31 Technologies clés génériques L‘IoT fonctionne avec le support de plusieurs technologies tels que les réseaux de capteurs sans fil, le Cloud Computing, les analyses Big Data, les protocoles de communication, les services web, etc. – Les réseaux de capteurs sans fil RCSF: (Wireless Sensor Network, WSN) Un RCSF se compose d‘un nombre de Noeuds-Capteurs qui ont des fonctionnalités de capturer et traiter/transmettre les données. – Cloud Computing : fournit un espace de stockage de données IoT et offre des services de visualisation, analyse et archivage des données. – Big Data : offre des outils d‘analyse avancées pour les données massives collectées par les objets IoT selon leurs caractéristiques : volume, vitesse, variabilité (forme de données : texte, audio, video, image). 32 16  02/04/2024 Technologies clés génériques – Les protocoles de communication : sont indispensables pour assurer la connectivité entre objets et applications. Les protocoles de communication définissent le format des données, taille paquets, adressage, routage, etc. – Les systèmes embarqués : Les objets connectés sont formés essentiellement des cartes à microcontrôleur intégrant un microprocesseur, une mémoire et des ports d‘ E/S pour la connexion des capteurs. 33 Challenges Disponibilité et fiabilité : La méthode de collecte et de transmission des informations influence fortement la qualité des données fournies. Interopérabilité : l‘hétérogénéité et la diversité des environnements logiciels et matériels des objets. Sécurité et confidentialité : nécessité de sécuriser et cloisonner les données échangées. 34 17  02/04/2024 Challenges Politique réglementaire : la réglementation n’est pas adaptée pour des applications IoT spécifiques. Par exemple, les entreprises investissent énormément dans ce domaine, mais l’autorisation de circulation des voitures autonomes n'est toujours pas clair du point de vue réglementaire. Propriété intellectuelle : Une compréhension commune des droits de propriété entre les parties prenantes devrait être clairement défini pour libérer tout le potentiel de l'IoT. La question demeure ouverte, par exemple dans les dispositifs médicaux implantés dans le corps d'un patient, la question du droit sur le données générées, le patient ou le fabricant de l'appareil. 35 Une petite question ! 36 18  02/04/2024 ISET Djerba_ImenBenOmrane 37 ISET Djerba_ImenBenOmrane 38 19  02/04/2024 03 Architecture IoT 39 Capteur : C’est un dispositif utilisé pour détecter un événement ou une grandeur physique, tels que luminosité, température, humidité du sol, pression, etc. et qui fournit un signal électrique Niveau 1 : correspondant. Capteur/actionneu Les capteurs IoT sont généralement de petite taille, ont un faible coût et consomment moins r d’énergie. Les signaux produits par un capteur sont traités par un microcontrôleur pour l‘interprétation, l‘analyse et la prise de décision. 40 20  02/04/2024 Actionneur : une technologique complémentaire aux capteurs, convertit l'énergie électrique en mouvement ou énergie mécanique. Niveau 1 : Les actionneurs permettent de transformer Capteur/Actionneur l‘énergie reçue en un phénomène physique (déplacement, dégagement de chaleur, émission de lumière …). 41  Tous les services IoT ont une architecture similaire. À l'extrême gauche, c’est des points d'extrémité IoT qui sont : Les capteurs sont des dispositifs qui détectent les données. Les actionneurs exécutent certaines actions telles que le réglage des températures, l'arrêt des interrupteurs, l'allumage des lumières, etc. Agrégateurs, agréger les données des capteurs et envoyer les données collectées aux passerelles.  Ensuite, nous avons une infrastructure IoT composée de routeurs IoT ou de passerelles. Ils se connectent à l'infrastructure Internet pour échanger des données entre les périphériques IoT et les serveurs des centres de données.  Dans le Cloud ou les datacenters, nous avons des serveurs effectuant diverses actions liées à l'analyse des données.  Les applications utilisateur final via des appareils mobiles intelligents ou des PC, utilisent ces données d'analyse. Les utilisateurs humains peuvent effectuer des actions de contrôle à travers ces appareils clients pour effectuer certaines actions via des actionneurs, comme les réglages de température sur les 42 thermomètres. 21  02/04/2024 43 44 22  02/04/2024 45 46 23  02/04/2024 47 48 24  02/04/2024 49 50 25  02/04/2024 L‘architecture d‘une solution IoT varie d‘un système à l‘autre en se basant sur le type de la solution à mettre en place. Architecture de l’IoT L’architecture la plus élémentaire est une architecture à trois couches mais la plus utilisée en IoT est celle de 4 couches 51 52 26  02/04/2024 Architecture IoT Couche de détection : La couche de détection est la première couche de l'architecture IoT et est responsable de la collecte de données provenant de différentes sources. Cette couche comprend des capteurs et des actionneurs placés dans l'environnement pour recueillir des informations sur la température, l'humidité, la lumière, le son et d'autres paramètres physiques. Ces appareils sont connectés à la couche réseau via des protocoles de communication filaires ou sans fil. ISET Djerba_ImenBenOmrane 53 Architecture IoT Couche réseau : La couche réseau d'une architecture IoT est chargée d'assurer la communication et la connectivité entre les appareils du système IoT. Il comprend des protocoles et des technologies qui permettent aux appareils de se connecter et de communiquer entre eux et avec l’Internet au sens large. Des exemples de technologies de réseau couramment utilisées dans l'IoT incluent le WiFi, le Bluetooth, Zigbee et les réseaux cellulaires tels que la 4G et la 5G. De plus, la couche réseau peut inclure des passerelles et des routeurs qui agissent comme intermédiaires entre les appareils et l'Internet au sens large, et peut également inclure des fonctionnalités de sécurité telles que le cryptage et l'authentification pour se protéger contre les accès non autorisés. ISET Djerba_ImenBenOmrane 54 27  02/04/2024 Architecture IoT Couche de traitement des données : cette couche fait référence aux composants logiciels et matériels responsables de la collecte, de l'analyse et de l'interprétation des données des appareils IoT. Cette couche est chargée de recevoir les données brutes des appareils, de les traiter et de les rendre disponibles pour une analyse ou une action plus approfondie. elle comprend une variété de technologies et d'outils, tels que des systèmes de gestion de données, des plateformes d'analyse et des algorithmes d'apprentissage automatique. Ces outils sont utilisés pour extraire des informations significatives des données et prendre des décisions basées sur ces données. ISET Djerba_ImenBenOmrane 55 Architecture IoT Couche d'application : c’est la couche la plus élevée qui interagit directement avec l'utilisateur final. Il est chargé de fournir des interfaces et des fonctionnalités conviviales qui permettent aux utilisateurs d'accéder et de contrôler les appareils IoT. Cette couche comprend divers logiciels et applications tels que des applications mobiles, des portails Web et d'autres interfaces utilisateur conçues pour interagir avec l'infrastructure IoT sous-jacente. Il comprend également des services middleware qui permettent à différents appareils et systèmes IoT de communiquer et de partager des données de manière transparente. Elle comprend également des capacités d'analyse et de traitement qui permettent d'analyser et de transformer les données en informations significatives. Cela peut inclure des algorithmes d'apprentissage automatique, des outils de visualisation de données et d'autres fonctionnalités d'analyse avancées. ISET Djerba_ImenBenOmrane 56 28  02/04/2024 Protocol Stack Thing Thing Application Application TCP/UDP TCP/UDP Network (IP) Network (IP) IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 Wireless PHY/MAC PHY/MAC Medium Server Application Gateway TCP/UDP Network (IP) Network (IP) IEEE 802.3 IEEE 802.3 IEEE 802.15.4 (Ethernet) The (Ethernet) PHY/MAC Internet 57 04 Réseau de transport et Protocole réseau 58 29  02/04/2024 Les grandes catégories de réseaux La transmission de messages entre objets connectés requiert le choix de trois composantes essentielles : la connectivité : courte distance (Bluetooth Low Energy, WiFi, Z-Wave, ZigBee, RFID...), longue distance et basse consommation (LPWAN : LoRaWAN® ou SigFox) ou longue distance cellulaire (2G, 3G, 4G, LTE-M, NB-IoT, 5G) un protocole : SMS (le plus simple et toujours très utilisé), MQTT (le standard le plus populaire pour échanger des messages par un mécanisme souple de publication et souscription) ou CoAP / LightweightM2M (LwM2M) réduisant au minimum les volumes échangés et ainsi la consommation énergétique globale un mécanisme de sécurité afin de gérer l’authentification des objets et l’encryptage des communications Le choix du protocole utilisé dépend de l’architecture fonctionnelle du projet, de la nature des échanges (fréquence, volume, direction, centralisation…). Il est important de s’appuyer sur des standards industriels garantissant une bonne interopérabilité des objets et systèmes, mais aussi la pérennité de la solution déployée et des technologies utilisées. 59 Choix d'un protocole de communication pour son projet IoT Un protocole de communication définit les règles standards pour communiquer entre plusieurs dispositifs numériques. Il permet de connecter un objet à un réseau, filaire ou sans-fil. Le réseau est constitué d’un ensemble d’équipements (passerelles, proxies, serveurs…) connectés entre eux et à Internet, le cas échéant. Les réseaux qui permettent aux appareils intelligents de faire transiter leurs données ont des caractéristiques différentes en termes de portée, de consommation d'énergie, disponibilité et de coût. La solution idéale est celle qui s'adapte le mieux à votre projet IoT. 60 30  02/04/2024 Quelles questions se poser avant de choisir le bon protocole IoT ? Quand on détermine le périmètre fonctionnel d’un projet IoT, chaque objet connecté concerné devra répondre à un cahier des charges précis pour bien jouer son rôle, au bon moment et dans les meilleures conditions. Ces questions sont très diverses : l’objet communiquera-t-il en permanence ou bien ponctuellement ? Devra-t-on pouvoir le piloter à distance ? Dans quel environnement sera-t-il installé ? Quelle sera la distance de la machine avec laquelle il doit communiquer ? Quelle sera l’amplitude des informations à échanger ? 61 Les réseaux sont en grande partie divisés en câbler et sans fil.  Dans un réseau filaire, les périphériques sont connectés à des fils et sont fixes. Autrement dit, les appareils ne bougent généralement pas. Une caméra IP connectée au réseau Ethernet serait un bon exemple.  Dans un réseau sans fil, les périphériques ne sont connectés à aucun fil, mais ils communiquent à l'aide de technologies de réseau sans fil. Il s'agit généralement d'appareils mobiles tels que nos smartphones et montres intelligentes. Wi-Fi, Bluetooth et Zigbee sont des exemples de réseaux sans fil. Les technologies de réseau sans fil légères conviennent mieux aux communications IoT. 62 31  02/04/2024 Les technologies de réseau sans fil les réseaux sans fil sont classés en fonction de leur couverture. La couverture peut être identifiée par la mesure dans laquelle la station de base peut envoyer des signaux et communiquer. En ce qui concerne la plus petite couverture, il peut communiquer environ jusqu'à 10 mètres, et il est appelé réseau de zone personnelle. Quand il est sans fil, il est appelé Wireless Personal Area Network ou WPAN. WPAN dispose de diverses technologies de communication sans fil telles que Bluetooth, Zigbee, RFID et NFC. Pour une couverture légèrement plus large, on utilise un réseau local sans fil ou LAN. Wi-Fi est la technologie LAN sans fil la plus utilisée avec une couverture d'environ 100 mètres. L'IEEE 802.11 a défini un certain nombre de normes Wi-Fi au fil des ans. IEEE 802.16 ou WiMAX est une technologie de réseau pour Wireless Metropolitan Area Network, WMAN. Il couvre généralement jusqu'à quelques kilomètres. Sa couverture est plus large que le réseau local sans fil, mais une couverture plus étroite que les réseaux cellulaires. Le dernier est appelé Wireless Wide Area Network ou WWAN, et les réseaux cellulaires tels que les réseaux 2G, 3G, 4G, et 5G sont des exemples de WWAN sans fil. 63 Protocoles de communication utilisés en IoT Bluetooth qui est utilisé pour communiquer des appareils tels que des haut-parleurs sans fil, des microphones avec nos smartphones. NFC ou Near-Field Communication est une technologie également utilisée pour ouvrir des portes et effectuer des paiements à l'aide de nos téléphones intelligents. WiFi et PLC, Power Line Communications sont des exemples de réseaux locaux. PLC utilise une partie de la bande passante de notre réseau électrique pour transférer des données. Nous sommes très familiers avec le WiFi car nous utilisons assez fréquemment pour nous connecter à Internet à partir de nos smartphones ou ordinateurs portables. Les réseaux sans fil mobiles tels que 2G, 3G, LTE, Mobile WiMAX peuvent être utilisés pour échanger des données entre les appareils et les passerelles. Lora, NB-IoT, Sigfox sont des réseaux sans fil mobiles qui ont été récemment développés spécifiquement pour l'IoT. 64 32  02/04/2024 Communication avec des capteurs et Communication avec des PC, Communication synchrone et actionneurs locaux tablette, tv, dispositif multi média… asynchrone avec le Cloud 65 66 33  02/04/2024 67 68 34  02/04/2024 69 70 35  02/04/2024 71 72 36  02/04/2024 73 74 37  02/04/2024 75 76 38  02/04/2024 05 Cloud & Big Data 77 Quel est le lien entre l IoT et le cloud ? Le Cloud Computing accélère le développement de l'IoT. En utilisant une plate-forme Cloud, les développeurs IoT peuvent stocker les données à distance et y accéder facilement. L'IoT dans le Cloud offre des services de Cloud public qui peuvent facilement permettre d'accéder à l'infrastructure. ISET Djerba_ImenBenOmrane 78 39  02/04/2024 79 80 40  02/04/2024 81 82 41  02/04/2024 83 84 42  02/04/2024 85 86 43  02/04/2024 87 88 44  02/04/2024 89 90 45  02/04/2024 91 92 46  02/04/2024 https://mqtt.org/ 47