Architecture IoT - Cours PDF

Architecture IoT Dr. Besma Khaireddine Maître Assistante en informatique - ISMAI Kairouan 3 ISI [email protected]  But Sensibilisation à l’importance de l’IoT. Présentation des concepts fondamentaux de l’Internet des Obje...

Architecture IoT Dr. Besma Khaireddine Maître Assistante en informatique - ISMAI Kairouan 3 ISI [email protected]  But Sensibilisation à l’importance de l’IoT. Présentation des concepts fondamentaux de l’Internet des Objets. Compréhension de l’architecture IOT et de la chaîne de conception des objets connectés.  Chapitre 1: Introduction a l’IOT Partie 1: Origine, définitions et motivations Partie 2: Concepts fondamentaux Partie 3: Marché et opportunités Partie 4: Challenges  Partie 1 : Origine, définitions et motivations  Evolution de l’internet Source: Nokia Insight Evolution naturelle des technologies lien inévitable entre le monde numérique et le monde physique  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. Internet of Every Things Source : The Internet of Everything | Plutomen Technologies  M2M versus IoT versus IoE 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. IoE : Rassemble non seulement l’Internet des Objets mais également les processus, les données et les personnes (via smartphones et réseaux sociaux)  Pourquoi l’IoT ? ▪ Assistance à nos activités professionnelles et personnelles. ▪ Permet une réduction considérable des dépenses dans l’économie d’aujourd’hui (industrie, santé, sécurité, etc.). ▪ L’IoT est ici et il évolue rapidement ! Il n’y a pas de temps à perdre. ▪ 50 milliards d’objets en 2020 !  Origine Kevin Ashton : Le premier qui a utilisé le terme « Internet of Things » en 1999 pour décrire les micropuces d‘identification par radiofréquence (RFID) L’informaticien décrivait ainsi le système RFID qui permettait le suivi du stock des produits en magasin 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 Origine Source : Cisco 22 billion in 2025!  Origine La première application IoT est née à l’université de Cambridge en 1991. Il s’agissait d'une caméra pointée sur une cafetière et connectée au réseau local de l’université. Chaque informaticien pouvait connaitre la disponibilité du café depuis son écran. Elle permettait à l'ensemble des étudiants de savoir en temps réel le niveau de café disponible dans la cafetière.  Quelques définitions Objet connecté : objet possédant la capacité d’échanger (envoyer et/ou recevoir) des données avec d’autres entités physiques ou numériques vers/depuis internet. Exemples: Montre connectée Téléphone Capteur de rythme cardiaque connecté Pilulier connecté Etc Internet des objets (IdO) : expansion du réseau internet à des objets et/ou des lieux du monde physique. En anglais, on parle d’IoT : Internet of Things.  Quelques définitions Définition : « Infrastructure mondiale évolués en interconnectant des objets (physiques ou virtuels) grâce aux technologies de l’information et de la communication interopérables existants ou en évolution ». Source: Le groupe de travail « Internet of Things Global Standards Initiative » (IoT-GSI), piloté par l’Union Internationale des Télécommunications (UIT), considère l‘IoT comme  Quelques définitions Objet connecté - caractéristiques : Capacité de récupérer des données et de les envoyer sur internet (capteurs) Capacité se connecter à un réseau de communication (Wi-Fi, Bluetooth, réseau internet mobile notamment 5G...) (Chaine de communication : connexion au réseau) Intelligence: donner des instructions pour fonctionner (Processeur/Programme) Capacité de recevoir des ordres depuis internet (actionneurs) ❑ Ces objets peuvent être autonomes ou fonctionner avec un smartphone ou une tablette permettant de les contrôler ou de servir de relais pour échanger des données. Ces données peuvent être consultables sur l’appareil mobile ou sur un service Internet.  Quelques définitions Objet connecté - défi : Cout: Il doit être le moins cher possible sinon pas utile Autonomie: Il doit tenir sur des batteries ou piles Communication: Comment assurer la liaison avec internet?  Quelques définitions Iot : principe Connecter toutes les choses qui nous entourent: A des logiciels d’analyse de données Mieux nous informer et nous guider Prendre des décision automatiques  Quelques définitions Architecture  Concepts fondamentaux Quelques objets connectés: Objets « traditionnels » : ordinateurs, tablettes, smartphones, etc. Nouveaux objets connectés : appareils électroménagers, instruments de mesure, robots, serrures, machines-outils, bennes à ordures, drones, jouets, montres, véhicules, etc  Concepts fondamentaux ▪ Jonction entre le monde physique et le monde numérique  Concepts fondamentaux ▪ Jonction entre le monde physique et le monde numérique Acquisition de signaux issus du monde physique (capteurs, transcription de grandeurs physiques en grandeurs électriques, puis numérisation puis transmission vers des systèmes informatiques ou d’autres systèmes physiques) Action sur le monde physique (déclanchement du fonctionnement de dispositifs, chauffage, extinction de feux, ouverture d’une porte, mise en service d’une machine, régulation d’une grandeur physique, exécution d’une tâche robotique, etc.) L’ordre peut provenir d’un système informatique ou d’autres objets physiques connectés.  Concepts fondamentaux: Comment les appareils et objets IoT communiquent-ils entre eux ? : Pour communiquer entre eux, les appareils IoT utilisent des réseaux câblés ou des réseaux sans fil (Bluetooth, 4G et récemment 5G). On note la présence constante des composants suivants : les dispositifs IdO (capteurs de températures, traceurs, etc.) ; un réseau de communication cellulaire, maillé, étendu à faible puissance (LPWAN) ou local ou personnel (LAN/WAN) un protocole d’application pour le transport des informations (Advanced Message Queuing Protocol ou AMPQ, Transmission Control Protocol ou TCP ou encore Long Term Évolution LTE) des serveurs et des technologies réseau des applications IoT en nuage, autrement dit, des applications stockées et exécutées dans le cloud des interfaces utilisateurs permettant la consultation et la manipulation des données IoT  Technologies clés génériques L‘IoT fonctionne avec le support de plusieurs technologies tels que : – 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).  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.  Architecture de l’IoT 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. L’architecture la plus élémentaire est une architecture à trois couches se basant sur les protocols (IEEE Three-Tirer Architecture)): – La couche perception possède des capteurs et actionneurs qui détectent et recueillent des informations sur l’environnement. – La couche réseau est responsable de la connexion, du transport et du traitement des données issues des capteurs et actionneurs. – La couche application est chargée de fournir à l’utilisateur des services spécifiques et applications intelligentes.  Motivations Miniaturisation et coût faible des composants électroniques Miniaturisation des composants électroniques: La baisse des coût des microcontrôleur ainsi que des puces de communication sans fil (WiFi, Bluetooth, Zigbee, etc.) RPi zero: 5 dollars Ceci de mettre une intelligence et des moyens de communication dans beaucoup d’objets de la vie courante ou professionnels.  Motivations Connectivité omniprésente : diversité des solutions de connectivité sans fil, possibilité de connecter tout. Disponibilité et adoption généralisée de IP (Internet Protocol): Creation des adresse IPSO Progrès dans le domaine Cloud Computing : disponibilité des services qui permettent de bénéficier de capacités de calcul avec les objets physiques. Progrès dans le domaine Big Data : une multitude d‘algorithms sont disponibles pour collecter et analyser les données. Croissance du marché de masse : la vision du monde connecté a atteint une maturité et l’engagement est irréversible Partie 2: Marché IoT et Opportunités Marché IoT  Segmentation du marché par industrie/application Objets connectés Grand Public: wearables Objets connectés dans le B2B à usage industriel Exemple 1 : parking connecté Exemple 1 : parking connecté Exemple 1 : parking connecté Exemple 1 : parking connecté Exemple 1 : parking connecté Exemple 1 : parking connecté Exemple 1 : parking connecté Exemple 2: Maison intelligente Exemple 3: Santé et bien être Exemple 3 : Gestion des déchets dans les villes intelligentes Exemple 5: Agriculture intelligente Exemple 6: Bâtiment intelligentes Partie 3: Challenges  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. Evolutivité et passage à l’échelle (Scalabilité) : trouver des solutions flexibles pour le passage à l‘échelle dans un scénario d‘objets dispersés et nombreux.  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.