Introduction à l’Internet Des Objets (IdO ou IoT) PDF

Faculté des sciences de Monastir Année Universitaire 2024-25 Niveau LSI3 Introduction à l’Internet Des Objets (IdO ou IoT: Internet Of Things) Sommaire I. Evolutio...

Faculté des sciences de Monastir Année Universitaire 2024-25 Niveau LSI3 Introduction à l’Internet Des Objets (IdO ou IoT: Internet Of Things) Sommaire I. Evolution des technologiques II. Définition de l’IoT III.Comment connecter un objet IoT? IV.Les architectures IoT V. Data processing pour l’IoT VI. Big Data Proposé par Mr Samir Belaid I. Evolution des technologies (Topologie) Interconnexion Origine du Big data Internet des Internet des Web3.0 ou Web Pré-Internet Internet du Internet des des objets / contenu services personnes objets sémantique contenu "Personne à personne" "WWW" "Web 2.0" "Média social" "Machine à machine" Téléphonie E-mail E-production Skype Identification, suivi, fixe et mobile Information E-commerce Facebook pilotage, mesure, … SMS Divertissement Youtube Automatisation, Arpanet (utilisé par … activation,Paiement, les universitaires) Quantified self… + intelligence + intelligence + intelligence outils, + intelligence données + intelligence téléphones et et contexte ambiant plateformes IT et objets, données réseaux applications IT: Information Technology services 1  Histoire de l'IOT 1995 : Telegarden: Premier concept d’«objet connecté» (Univ. Of California). 1999 : Internet des objets: Terme inventé par Kevin Ashton, désigne le lien entre RFID (ou tag, puce de géolocalisation radio) et l’internet. 2003 : Lampe DIAL, premier objet connecté, équipée de 9 leds qui s’allument en fonction des événements (météo, Bourse, pollution, alertes Google) et «envoie des messages» par sms ou email. 2005, Nabaztag, objet connecté en forme d’un petit lapin, qui peut lire des mails à haute voix, émettre des signaux visuels et diffuser de la musique (prédécesseur des Smart Speakers comme Alexa ou Google Home, Google Nest, Amazon Echo et Apple HomePod mini). Smart Speaker Naissance des objets connectés 2007 : Apparition des smartphones 2008 : Création des adresses IPSO, adresses IP (IPV6) des objets connectées qui leur permettent d’interagir entre eux. Aujourd’hui, on parle de Wearable technology Quantified self 2  Histoire du futur Nombre d’appareils connectés (IoT) dans le monde de 2015 à 2025 (en milliards) Avancées technologiques Internet of Everything (IoE) Le nombre double tous les 5,32 ans (loi de Moore) Source Cisco IBSG Exemples de projets IoT Ville intelligente : circulation routière intelligente, transports intelligents, collecte des déchets, cartographies diverses (bruit, énergie,...). Environnements intelligents : prédiction des séismes, détection d’incendies, qualité de l’air,... Sécurité et gestion des urgences : explosions, attentats, radiations. Logistique : aller plus loin que les approches actuelles. Smart City Contrôle industriel : mesure, pronostic et prédiction des pannes, dépannage à distance. Santé : suivi des paramètres biologiques à distance. Agriculture intelligente, domotique, applications ludiques etc. 3  Association Domus (domicile en 1) Domotique: Smart Home latin) et tique (pour technique) Domotique Sécurité Energie Confort Caméras de Ampoules Garages intelligents surveillance intelligentes Capteurs de Détection Monitoring des température/ d’intrusion appareils à CO2/Humidité Systèmes distance Smart clim d’alarmes… Economie Luminaire ambiants Détecteurs d’eau et Réfrigérateurs de fumée… d’électricité intelligents 2) Smart transportation Smart transportation Sécurité Trafic Confort Surveillance Signalisation Péages Sécurité Optimisation Informations gares/ localisation Circuits aéroports Multi- Gestion modalité parkings 4  Help to live independently at homes instead of nursing homes 3) Smart Healthcare Internet Doctor's PC Smart Healthcare Sécurité Gain Confort Rapide/Réactive Téléconsultation Video Monitor Meilleur suivi In-Home Préventive des patients Téléexpertise Healthcar e Devices Diagnostic Pas de Télésurveillance Prise en charge contraintes de Téléassistance Suivi déplacement Monitor user's health Smart devices with sensors: connected Send data to and from "Quantified self" ou "mesure de soi": Poids, User/patient Get to gateway device cloud, Performs some processing on data tension, calories consommées, nombre de health information from cloud (e.g., a smartphone) pas dans la journée, rythme cardiaque, etc. Datacenter Performs data analysis on measurements of sensors Analyze the Send feedback to measurements cloud/patient II. Définition de l’IoT L'Union internationale des télécommunications définit l'Internet des objets comme une « infrastructure, qui permet d'identifier directement et sans ambiguïté des objets physiques et ainsi de pouvoir récupérer, stocker, transférer et traiter, sans discontinuité entre les mondes physiques et virtuels ». La définition de Working group RFID insiste sur l’aspect technique de l’IoT : « des objets de technologie embarquée, ayant des identités et des personnalités virtuelles, opérant dans des espaces intelligents pour se connecter et communiquer au sein de contextes d'usages variés » 5  II. Définition de l’IoT
Objets connectés : Des objets du monde physique (objets physiques) ou du monde virtuel (monde de l'information) qui sont identifiés et intégrés dans des réseaux de communication. Ils ont des informations associées, qui peuvent être statiques (préprogrammés) ou dynamiques (par évènements).
Objets physiques : existent dans le monde physique et peuvent être connectées, détectées et actionnées. Par exemple, les robots industriels, les biens et les équipements électriques, etc…
Objets numériques : font partie du monde de l'information et peuvent être stockés, traités et consultés. Par exemple, des logiciels d'applications, contenus multimédias, des services, etc...
Mapping : Transposition du monde physique vers le monde d’informations Identifier un objet physique dans le monde du système d’informations (objet virtuel). Y.2060(12)_F02 6 
Mapping Site Internet Blogues Réseaux sociaux Cloud Web Objets virtuels Objets intelligents Visibilité des objets via l’Internet Véhicules Domotique WSN − Voitures de service − Gestion des foules − PC Suivi − Bus, trains − IPTV Objets réels − Téléphone intelligent − Objets − Moyens et − Lecteur audio/vidéo − Régions machines agricoles − Réfrigérateur − Zone & objets − Machine à café − Fours-maison/ville intelligente Objets − Université intelligente WSN: Wireless Sensor Networks
IoIT (Internet of Industrial Things) Un sous-ensemble de l’IoT qui se concentre sur les exigences spécialisées des applications industrielles, telles que le secteur manufacturier, l’énergie, le pétrole, le gaz, les installations et tous les dispositifs intelligents installés autour des zones d’activité économique.
IoMT (Internet of Medical Things) L’Internet des objets médicaux et l’écosystème IoT du secteur de la santé qui aide les organismes de soin à améliorer les résultats pour le bien des patients. 7 
IoE (Internet of Everything): Recommandation de l’UIT La communication est possible en tout LIEU et à tout MOMENT, mais aussi avec n'importe quel OBJET (IoE) Communication à tout MOMENT - en déplacement - en extérieur (outdoor) - la nuit - en intérieur (indoor) - le jour Communication en tout LIEU – entre ordinateurs Communication avec – entre personnes, sans ordinateur n'importe quel OBJET IoE – entre objets Un Objet de Any thing vers l’Internet de Everything CISCO
Ecosystème TIC de l’IOT Internet Of Things M2M M2P P2P M2M (ou Device to device: D2D) fait référence à la connexion entre des machines sans intervention humaine. M2P (Machine to People) désigne la connexion entre une machine et une personne. P2P (Peer-to-Peer) ou système pair à pair est un modèle d'échange en réseau où chaque entité est à la fois client et serveur.  L'IoT fait référence à l'ensemble M2M et M2P, qui comprend l'application, la connectivité backend, etc… 8 
Caractéristiques des objets 1. Inter-connectivité : Tout peut être interconnecté avec une infrastructure mondiale d'information et de communication. 2. Hétérogénéité : Les objets sont basés sur des plates-formes matérielles et des réseaux différents. Ils peuvent interagir avec d'autres objets ou plates-formes de services via différents réseaux. 3. Changement dynamique : l'état des objets change de manière dynamique, par exemple, état de sommeil ou éveil, connecté et/ou déconnecté, ainsi que le contexte des objets, y compris l'emplacement et la vitesse. De plus, le nombre d’objets peut changer dynamiquement. Source: Recommendation ITU-T Y.2060 III. Comment connecter un objet IoT?
Sous-parties d'un objet connecté 1. Appareil 2. Internet: qui 3. Cloud : là où on 4. Application : là électronique: permet la transaction reçoit les données où on a le tableau (device) des données de bord (dashboard) Capteurs et actionneurs, Réseau réception, Réception données, Affichage des données, Traitement, Sauvegarde Passerelle Gateway, serveur Traitement, Stockage prise de contrôle
Empilement technologique de l’IOT Cloud+Application (+ de profondeur) 1. Objets physiques  Capacités: incluent Capteurs, Actionneurs, Traitement, Contrôle, alimentation  Compromis de conception: Coût, Taille, Performances, Contraintes 9 
Empilement technologique de l’IOT (suite) Cloud+Application 2. Canaux de communication (Protocoles et solutions de connectivité): Pour un transfert de données d'objet à objet, objet à serveur ou serveur à serveur 3. Logiciel (Traite, stocke et analyse des données): Permet d'interagir avec le système IoT et de visualiser des données 4. Opérations (Combiné à des ressources de développement et de sécurité): Essentielle au déploiement et à la maintenance d'un système IoT; l'accessibilité de l'infrastructure Cloud fournit une fonction DevOps 5. Données: Les données sont un sous-produit du système IoT
DATA (Pour ce faire de l’argent) L’IoT est le futur eldorado des acteurs de l’IT. Smart grid, domotique, santé connectée, industrie 4.0, logistique, urbanisme, agriculture, défense Les grands acteurs IT (IBM, Microsoft, HPE, SAP et AWS) profitent de l’explosion des objets connectés pour apporter leur savoir-faire et leurs solutions. La DATA peut être utilisée et vendue par les entreprises qui conçoivent ces objets connectés. ! Données sensible / Collecte interdite (par principe) Convictions Condamnations Etat de Données religieuses ou Opinions santé biométriques pénales et syndicales philosophiques infractions Opinions Données Origine raciale politiques Orientations génétiques ou éthique sexuelles 10 
Composition d’un objet physique AFE: Analogue Front End Un objet IoT embarqué se compose de plusieurs composants, notamment: (i) un processeur intégré, (ii) des capteurs ou l'acquisition de données, (iii) une radio sans fil comme Bluetooth.
Exemple d’objet connecté: Lampe intelligente Un objet connecté fonctionne à l'aide d'un réseau (Wif, bluetooth,...). Il est muni: de nombreux capteurs pouvant recueillir des informations (sensor, actuator); d'une carte électronique servant à prétraiter les données Micro-controleur d'un dispositif de transmission et communication. Lampe DIAL 11 
Exemple de capteurs Capteurs Capteurs d'environnement d'environ nement Capteurs de mouvement Nécessitant une interaction humaines autres Capteurs de mouvement Nécessitant une interaction humaines IV. Architectures IoT Les architectures vont de 3 à 5 modèles de couches
Modèle à 3 couches Selon IEEE, le modèle de référence de l'IoT comprend trois couches auxquelles sont associées des capacités de gestion et de sécurité. Ces trois couches sont les suivantes:  Couche application: Analyse et prise de décisions des informations entre objets et appareils. Les moyens de renseignement utilisent le cloud computing et traitent les informations pour un contrôle intelligent.  Couche réseau : Responsable de la transmission des informations avec la caractéristique de livraison fiable (fonctionnalité de la couche de transport).  Couche de perception/Collecte d'informations (fonctionnement principal de l'IOT): Carte à puce, étiquette RFID, réseaux de lecteurs et capteurs, etc. 12 
Modèle à 5 couches Le plus utilisé et donne une bonne idée des choix et des décisions nécessaires pour créer un réseau IoT approprié.  Couche Business: Gère l'ensemble du système IoT, y compris les applications, les modèles commerciaux / profit, et confidentialité des utilisateurs.  Couche middleware/couche traitement: Stocke, traite des données et fournit des services aux couches inférieures via des nombreuses technologies telles que les bases de données, le cloud computing et les modules de traitement Big data.  Couche réseau transfère les données du capteur à la couche middleware et vice versa via des réseaux tels que Wi-Fi, 4G, LAN, Bluetooth, RFID et NFC. IV. Architectures IoT Trois couches Cinq couches Basé sur SOA Basé sur le middleware Business Layer Application Application Layer Application Service Middleware Layer Application Layer Layer composition Middleware Service Coordination Layer Layer Management Backbone Network Objet Layer Network Layer Network Layer Abstraction Existed Access alone Layer Perception Layer Objets Objets Application Edge System Technology SOA: Architecture Orientée Services Source: Al-Fuqaha et al. 2015, p.2349 13 
Architecture Orientée Services (SOA) Illustre le déploiement IoT Fonctionnalités des couches dans différents scénarios. Services de la couche middleware
Ecosystème data via l’IOT On utilise l’approche de quatre étapes. Devices : Les données sont généralement envoyées à l'état brut à l'étape suivante. Passerelle Internet : Attachée physiquement ou à travers des réseaux à faible puissance, prétraite les données brutes avant de les envoyer dans le cloud. Edge ou fog computing : Pour limiter les données à transférer vers le cloud, le périphérie du cloud (Edge Computing ou informatique de périphérie) les analyse rapidement pour identifier si quelque chose nécessite une attention immédiate. Cloud ou Datacenter: L’étape où les dashboards et le management software sont alimentés par les données stockées dans le cloud (analyse profonde ou un apprentissage machine). Les couches Applications et Business y sont aussi à cette étape. 14 Business IOT architectures Cisco architecture IBM INTEL Google AWS Plate-formes IOT IBM Watson IoT Microsoft IoT Azur IoT Google Cloud IoT Amazon AWS IoT Architecture IoT dans MongoDB Atlas MongoDB Atlas, offre le service Database-as-a-Service et fournit une collection d'outils qui peuvent être utilisés aux différentes couches d’une solution IoT. 15 V. Data processing pour l’IoT: Process ETL Avant la mise en ligne des données sur le cloud, elles passent par des étapes résumées par le terme ETL. Extract : les données brutes sont réceptionnées des capteurs et converties pour être envoyées sur une plateforme IoT (Microsoft Azure IoT, par exemple) Transform : effectuer des opérations sur des grandes masses de données et les filtrer, ou combiner les données de plusieurs sources Load : envoyer les données transformées dans un outil de visualisation de données (Power BI, par exemple) Remarque: Outre le Edge Computing, les solutions IoT utilisent de plus en plus l’intelligence artificielle pour identifier les événements et les corrélations. V. Data processing pour l’IoT: Process ETL Les coûts liés au traitement et au stockage des données augmentent rapidement. La majorité des données générées par l’IoT n’est pas utilisée. Exemple: seules 1% des données générées par les plateformes pétrolières sont utilisées pour une prise de décision concrète. 16  VI. Protocoles applicatifs L’infrastructure du web classique n’est pas adapté à la majorité des applications IoT: Certains objets connectés sont limités en espace mémoire Contraintes sur les réseaux IoT (Débit faible, Taux d’erreurs de paquets élevés) Il faut donc des protocoles avec un nombre limité de messages et de petites tailles. Écosystème de l’Internet des Objets Les protocoles applicatifs les plus utilisés: Protocole de messagerie: MQTT, XMPP et AMQ. Protocole de transfert web: CoAP, API REST Protocole réseau: Websocket Taxonomie de la recherche dans les technologies IoT 17