Chapitre 2: Architecture des systèmes IOT Fatma Louati Ben Mustapha I.o.T 3ème année Ingénieur Info ENICarthage Plan Architecture générale d’un système IoT Eléments de base d’un système IoT 1. 2. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 3. 4. 5. 6. Capteurs Actionneurs et contrôleurs Processus de système de contrôle Connexions dans l’IoT Passerelle IoT Composant Cloud La connectivité dans les composants du système IoT L’energie harvesting ou gestion d’énergie Hardware et systèmes embarqués Systèmes d’exploitations F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 2 1 L’Internet des Objets La présence de l'IoT dans le monde d'aujourd'hui • L'IoT est omniprésent • L'IoT améliore la qualité de vie des personnes • L'IoT accroît également l'efficacité des entreprises F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 3 1. Architecture générale F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 4 2 2. Eléments de base d’un système IoT 1. 2. 3. 4. 5. 6. Capteurs Actionneurs / Controleurs Processus du système de contrôle Connectivité et connexions Passerelle Cloud F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 5 2.1. Capteurs • • Appareil qui mesure une propriété physique en détectant des informations particulières dans le monde physique Permet de traduire la grandeur physique en un signal électrique, qui sera par la suite numérisé pour être transmis au système informatique • Peut être connecté à un contrôleur de manière directe ou à distance Exemples : Température Pression Luminosité Position Vitesse Systèmes à deux états (0,1), (fermé, ouvert)… F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 6 3 2.2. Actionneurs / Contrôleurs Actionneurs • • • • • Moteur de base qui peut être utilisé pour contrôler un système Permet d’agir dans le monde physique et changer son état Peut être hydraulique, électrique ou pneumatique Peut être en charge de transformer un signal électrique en résultat physique Exemple: allumage d’un éclairage, déclenchement d’un avertisseur sonore, commande de robots, … Contrôleurs • • • En charge de la collecte des données via les capteurs et de la connectivité réseau Peut avoir la capacité de prendre des décisions immédiates Peut également envoyer des données à distance à des ordinateurs plus puissants pour analyse F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 7 2.2. Actionneurs / Contrôleurs Exemple de capteurs/actionneurs F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 8 4 2.3. Processus du système de contrôle Processus: une série d'étapes ou d'actions prises pour atteindre un résultat souhaité par le client du processus Rôle principal = transférer les données dans des connexions : M2M(objet à objet), M2P (objet à personne), et/ou P2P (personne à personne ou collaboration) Les boucles de rétroaction (ou commentaires) correspondent au moment où le résultat d’un processus affecte l’entrée F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 9 2.3. Processus du système de contrôle Système de contrôle: comprend un contrôleur utilisant les entrées et les sorties pour gérer et réguler le comportement du système et tenter d’atteindre l’état souhaité Rôle = appliquer les ajustements nécessaires à une centrale afin d’atteindre le résultat souhaité La partie contrôlée du système s'appelle souvent l'équipement. F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 10 5 2.3. Processus du système de contrôle Système de contrôle en boucle ouverte : L'entrée ne dépend pas de la sortie. N’utilisent pas les boucles de rétroaction L'équipement effectue une action prédéfinie sans vérification du résultat sont souvent utilisés pour les processus simples Exemples: Un interrupteur mural: Mettre l'interrupteur en position marche correspond à l'entrée, la fermeture du circuit correspond à l'équipement et la lumière allumée correspond à la sortie Arrosage de pelouse, grille-pain F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 11 2.3. Processus du système de contrôle Système de contrôle en boucle fermée : Ne contrôle pas la sortie pour déterminer les réglages à apporter à l'entrée, sortie mesurée pour déterminer si elle correspond au résultat escompté et si un réglage est nécessaire Tire parti des boucles de rétroactions pour savoir si le résultat obtenu correspond résultat souhaité Le résultat est retransmis à un contrôleur pour ajuster l'équipement pour la prochaine itération et le processus se répète Exemple: Un sèche-linge, régler le minuteur de l'appareil pour que le cycle de séchage dure une heure. Au bout d'une heure, le sèche-linge s'arrête. Le linge sera plus ou moins sec selon qu'il était plus ou moins mouillé au début du cycle. Si sèche-linge est équipé de capteurs d'humidité, il peut contrôler le niveau d'humidité et étendre le cycle de séchage jusqu'à ce 12 que le capteur indique que le linge est suffisamment sec 6 2.3. Processus du système de contrôle Système de contrôle en boucle fermée; Plusieurs types: Contrôleurs proportionnels (P): basés sur l’écart entre le résultat mesuré et le résultat souhaité. Contrôleurs intégraux (PI): utilisent les données de l'historique pour mesurer l'écart avec le résultat souhaité Contrôleurs proportionnels, intégraux et dérivés (PID): incluent des données sur la rapidité à laquelle le système s'approche de la sortie souhaitée La plupart des systèmes intègrent des composants interdépendants qui contribuent au résultat ou l'influencent F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 13 2.3. Connexions Types d’infrastructures pour l’IoT: F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 14 7 2.3. Connexions Le rôle du réseau dans l’IoT: Protocoles IoT Les appareils connectés à l'IoT sont souvent des appareils intégrés conçus pour fonctionner dans des conditions non optimales Ces appareils nécessitent des protocoles spécialisés pour fonctionner avec une faible puissance et une connectivité limitée F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 15 2.3. Connexions • Modèle de communication pour l’IoT: Les modèles de réseaux en couches permettent d'illustrer le fonctionnement d'un réseau bénéfices: • • • • Contribue à la conception des protocoles Stimule la concurrence Favorise l'indépendance des technologies ou des fonctionnalités Fournit un langage commun pour décrire des fonctions et des fonctionnalités réseau Standardisation • • Challenge = s'assurer que les appareils IoT émergeants peuvent se connecter à Internet et entre eux de manière sécurisée et fiable Besoin de technologies et standards cohérents, sécurisés et reconnus Des organisations telles que l'Industrial Internet Consortium, l'OpenFog Consortium et l'Open Connectivity Foundation contribuent au développement des architectures et des cadres standard F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 16 8 2.3. Connexions Modèle de communication pour l’IoT: Utilisé pour décrire les connexions réseau et sont souvent considérés interchangeables Développé en tant que cadre commun pour guider et accélérer les déploiements IoT But = fournir une terminologie commune et aider à clarifier la manière dont les informations circulent et sont traitées, afin d'unifier le secteur de l'IoT F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 17 2.3. Connexions Modèle de référence pour l’IoT: F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 18 9 2.3. Connexions Architecture IoT simplifiée • Proposée aussi par Cisco • Une approche plus simple se base sur les niveaux de connexion. • Les niveaux sont : • Appareil vers appareil • Appareil vers cloud • Appareil vers passerelle vers cloud • Appareil vers passerelle vers cloud vers application F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 19 2.3. Connexions Couches de connexion pour l’IoT 1. 2. 3. Connexions physique Connexions liaisons de données & réseaux Connexions d’applications F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 20 10 2.3. Connexions Couches de connexion pour l’IoT Connexion physique : • Désignent le support et le type de câble • Les types de supports courants incluent le cuivre, la fibre optique et le sans-fil F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 21 2.3. Connexions Couches de connexion pour l’IoT Connexions liaisons de données & réseaux : • Nécessitent des protocoles pour établir les règles de communication • • • • • • • • • Permettent aux couches supérieures d'accéder au support Préparent les données réseau pour le réseau physique Contrôlent la manière dont les données sont placées et reçues sur le support Échangent les cadres entre des nœuds sur un support réseau physique Reçoivent et dirigent les paquets vers un protocole de couche sup Détectent les erreurs Ethernet = connexion la plus populaire dans les réseaux filaires Autres protocoles de liaison des données incluent standards sans fil tels que IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15 (Bluetooth) et réseaux cellulaires 3G ou 4G LoRaWAN et NB-IoT = ex de technologies émergentes pour l'IoT F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 22 11 2.3. Connexions Couches de connexion pour l’IoT Connexions d’applications : L’application en IOT dépendra des appareils et du type de connexion impliqués • • L'IoT prend en charge de nombreux types de connexion Les appareils doivent utiliser les mêmes protocoles de couche d'application pour pouvoir se connecter MQTT et REST sont les protocoles d'application IOT les plus récents: Prennent en charge les appareils IoT qui se connectent avec les nombreux types de configurations à distance MQTT = protocole de messagerie léger avec une charge minimale, avec intégrité des données et sécurité de haut niveau REST ou RESTful = services web, type d’API qui facilitent l'interaction des programmes sur Internet F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 23 2.3. Connexions Types de communication pour l’IoT: Communication radio courte portée Communication radio moyenne & longue portée Communication filaire RFID, NFC, Zigbee, Bluetooth,WiFi… Weightless, LTE, LoRa, SigFox… Ethernet, PLC… F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 24 12 2.3. Connexions Classification des réseaux sans fil IoT: F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 25 2.3. Connexions Classification des réseaux sans fil IoT: F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 26 13 2.3. Connexions Bref aperçu sur les technologies de l’IoT: Le WiFi; Choix évident Avantages : Omniprésence partout Facilité de déploiement et maintenance Faible coût d’installation Points faibles pour l’IOT : Consommation élevée d’énergie Portée limitée Congestion de spectre Deux nouvelles spécifications de Wi-Fi : WiFi HaLow (802.11ah): résoudre le problème de consommation d’énergie (optimisation par utilisation de période de réveil/ somnolence de points d’accès) et de portée ( rayon de diamètre ~ 1 km) HEW (802.11ax) : version plus sophistiquée de Wifi Halow avec plus d’économies en énergie pour les clients et évitement de collisions F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 27 2.3. Connexions Bref aperçu sur les technologies de l’IoT ZigBee Protocole sans fil à faible énergie (2,4 GHz), faible puissance et faible débit (~ 250 Kbit/s), dans un espace restreint et portée de 100 m Souvent utilisé pour la création de réseaux PAN Domaines d'utilisation : domotique, industrie, collecte de données d'équipement médical, et autres applications à faible puissance et faible débit ZigBee 1.2: failles de sécurité graves et exploitables. La plupart des défauts de conception du protocole sont apparus suite à des tentatives visant à permettre à l'utilisateur final d'ajouter facilement un appareil ZigBee au réseau ZigBee Reposant sur le protocole IEEE802.15.4 : ZigBee PRO ZigBee Remote Control F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 28 14 2.3. Connexions Bref aperçu sur les technologies de l’IoT Bluetooth Protocole sans fil utilisé pour communication de données courte distance (PAN) Pris en charge par presque tous les terminaux mobiles et accessoires, c'est la norme de facto pour les échanges audio entre terminaux mobiles Bluetooth Low Energy (BLE) =très populaire en raison du succès des smartphones, et des nouvelles applications dans les domaines de la santé, du fitness et de la géolocalisation Fonctionne dans la bande des 2,4 GHz Offre une grande rapidité de connexion (millisecondes) et un très haut débit de données (1 Mbit/s) L'appareil BLE passe ensuite en « mode veille » jusqu'à ce qu'une connexion soit à nouveau établie, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie de plusieurs années. Les balises utilisent la technologie BLE, disponible sur les bâtiments, dans les cafés et sur les lampadaires, pour fournir des services de géolocalisation 29 2.3. Connexions Bref aperçu sur les technologies de l’IoT LoRa (LoRaWan) Technologie de réseau étendus à faible consommation d’énergie Cible les principales exigences de l'IoT, tq communications bidirectionnelles sécurisées, mobilité et services de géolocalisation Architecture souvent de type topologie étendue en étoile, dans laquelle les passerelles relaient les messages entre les périphériques finaux et un serveur réseau central situé en back-end Sécurité intégrée (modèle de chiffrement à plusieurs couches) Conçu pour grands réseaux comprenant des millions de circuits Fréquence : variable Portée : 2 à 5 km dans un environnement urbain, 15 km environnement suburbain Débit : ~ 0,3 à 50 Kbits/s F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 30 15 2.3. Connexions Bref aperçu sur les technologies de l’IoT SigFox Autre technologie à longue portée, s’insère entre Wi-Fi et cellulaire Fait appel à la technologie UNB (Ultra Narrow Band) pour des débits très faibles qui ne dépassent pas 1 Kbits/s Consommation d’énergie très faible ( 50 milliWatts) + durée de veille des batteries type de 20 ans Réseau permettant de connecter des millions de dispositifs Applications type : compteurs intelligents, moniteurs de patients, dispositifs de sécurité, éclairage de rue et capteurs d'environnement Fréquence : 900 MHz Portée : de 30 à 50 km en environnement rural, et de 3 à 10 km en environnement urbain Débit : ~ 10 à 1000 bits/s F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 31 2.3. Connexions Bref aperçu sur les technologie de l’IoT CPL Permet aux lignes électriques de transporter des données à travers la superposition au courant électrique 50Hz des signaux VLF et VHF modulés l’information à transmettre par 32 16 2.3. Connexions Bref aperçu sur les technologie de l’IoT 4G/5G Réseaux de données basés sur le cellulaire, conçus pour tirer parti des communications sur des zones géographiques étendues Bande passante mobile (trains et voitures) du système 4G = 100 Mbit/s En faible mobilité (piétons, utilisateurs stationnaires), système 4G = 1 Gbit/s 4G prend en charge voix, téléphonie IP, accès Internet mobile, appels vidéo, services de jeu, cloud computing, TV mobile haute définition et TV mobile 3D Long Term Evolution (LTE) et WiMAX (IEEE 802.16e): 4G populaires La 13e version de la technologie 4G LTE inclut la standardisation de l'IoT NarrowBand (NB-IoT, IoT en bande passante étroite), technologie LPWAN Réseaux mobiles Alliance nouvelle génération qui fixent les standards et conditions requises pour la 5G F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 33 2.3. Connexions F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 34 17 2.4. Les passerelles IoT Fait le lien entre l’objet et Internet Peut être un simple smartphone (BLE : Bluetooth Low Energy), un routeur, ou un cœur de réseau Généralement lié à un opérateur publique ou privé Joue un rôle crucial dans la liaison entre tout type de dispositifs IOT, le réseau, le cloud et/ou le centre de données Peut être un matériel séparé (hardware), ou un logiciel intégré (software), et très souvent une combinaison des deux, pour offrir un meilleur service et plus de fonctionnalités dans le réseau IOT F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 35 2.4. Les passerelles IoT Appelé nœud de bord (Edge node) dans les réseaux de capteurs, et effectue un traitement et stockage local, avec en général la présence d’une interface utilisateur Fonctionnalités de base : Connectivité avec le cœur du réseau, gestion de routage des données Cryptage, décryptage et agrégation des données Traduction des différents protocoles existants dans l’environnement IOT interopérabilité Traitement de bord (edge computing) pré-traitement de données…. Contrôle et gestion à distance F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 36 18 2.4. Les passerelles IoT Types de passerelles IoT Passerelles pour l’IOT en industrie Passerelles pour le traitement de bord « edge computing » ( réseaux de capteurs…) Passerelles pour « home automation » Routeurs dans les réseaux des opérateurs Améliorations du réseau IOT par présence de passerelles : Haute évolutivité: supporter tout type de données et traitement intelligent pour envoi/réception des centres de données au réseaux (dispositifs finaux) Faible coût des dispositifs: dispositifs ne demandent pas un traitement intelligent car c’est le rôle des passerelles Réduction du coût global du réseau: moins de communications M2M et taille réduit des réseaux WANs Réduction des risques: passerelles isolent les parties du réseau IOT global F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 37 2.5. Le composant Cloud Cloud Computing (CC) = technologie permettant de délocaliser les données et les applications sur des infrastructures dématérialisées accessibles depuis Internet Mode de structuration et externalisation des composants du système d’information de l’entreprise qui repose sur les technologies de virtualisation et automatisation F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 38 19 2.5. Le composant Cloud Modèle de cloud computing Accès à la demande à un pool partagé de ressources informatiques configurables Ressources disponibles très rapidement avec un effort de gestion minimal Les fournisseurs de services cloud utilisent les data centers pour leurs services cloud et leurs ressources basées dans le cloud Le modèle « facturation à l'utilisation » traite les dépenses de traitement informatique et de stockage comme un utilitaire Accès aux données et aux applications de l'entreprise partout et tout le temps Il réduit le coût du matériel, les dépenses énergétiques, l'espace nécessaire ainsi que les besoins de formation du personnel F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 39 2.5. Le composant Cloud Le cloud dans l’IoT Le composant Cloud de l’architecture de l’IOT permet utilisateur final d’utiliser des applications disponibles en continue et dont la mise à jour est automatique sans connaitre l’emplacement exact des serveurs (applications & données) A travers des API (interfaces de programmation) Peut être mis à disposition par un fournisseur (éditeur ou prestataire de services hébergés) ou implémenté de manière spécifique pour répondre aux besoins de l’application Clients cloud ont accès à pool partagé de ressources infos configurables qu'ils peuvent provisionner et publier rapidement en toute simplicité Étend fonctionnalités d'un système IoT : traitement des données et stockage dans le cloud, plutôt que sur les appareils connectés à l'IoT F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 40 20 2.5. Le composant Cloud Données et ressources toujours disponibles pour tous les appareils du système, à condition qu'ils disposent d'une connexion Internet Fournisseurs de services Cloud prennent la sécurité très au sérieux et assurent la sûreté et la confidentialité des données client Exemples de services Cloud : Amazon AWS, IFTTT, Zapier, Built.io, Cisco Spark, … F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 41 2.5. Le composant Cloud Trois caractéristiques clés du CC : Service avec mise à jour automatique et en continu Self-service & paiement à l’usage, en fonction de la consommation Allocation dynamique de capacité (adaptation élastique aux pics de charge) Topologies du Cloud : Cloud public: externe à l’entreprise et partagé via l’accès à Internet, géré par un prestataire externe propriétaire des infrastructures. Cloud privé: structure interne à l’entreprise, dont l’accès est complètement dédié et sécurisé. Cloud virtuellement privé (virtual private): externe de l’entreprise mais complètement dédié Cloud communautaire: cas particulier, ouvert aux partenaires de l’entreprise: clients, fournisseurs… Cloud hybride: conjonction des deux types (privé + public) F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 42 21 2.5. Le composant Cloud F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 43 2.5. Le composant Cloud F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 44 22 2.5. Le composant Cloud Cloud IaaS: On dispose des ressources matérielles (serveurs virtualisés, stockage, réseau) L’accès à la ressource est complet et sans restriction ~ disposer d’une infrastructure réelle Louer un serveur dont les ressources peuvent évoluer , à la demande L’hébergeur mutualise le réseau (infrastructure + liaisons) et le stockage (SAN, NAS, Backup…) Possibilité de virtualisation des serveurs & administration à distance Acteurs les plus importants: Amazon, OpSource, Windows Azur, Gandi, OVH… F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 45 2.5. Le composant Cloud Cloud PaaS: On dispose d’une plateforme capable d’accueillir les applications de l’entreprises, ainsi que tous les outils de test et gestion Plateforme spécifique à un langage et une base de donnée Infrastructure hébergée est totalement transparente Offres de PAAS incluent notion de temps CPU, espace de stockage et bande passante payement en fonction de ce qu’on consomme PAAS = IAAS + (logiciel au niveau serveur, base de donnée, composants SOA, runtimes ) Exemple de plateformes: LAMP (Linux, Apache, MySQL, PHP) Exemples d’acteurs: Heroku F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 46 23 2.5. Le composant Cloud Cloud SaaS: Application mise à disposition de l’utilisateur final, sans besoin d’aucune connaissance technique Tout est chez le fournisseur de service SAAS On vend à l’entreprise un service complet de traitement de données opérateur de service (alors que PAAS éditeur de logiciel) L’utilisateur ouvre un compte et paie un abonnement , sans soucis de l’espace de stockage, ou puissance de la machine, ou de la mise à jour du logiciel. Se basent massivement sur les technologies Web, Coté client, seul un navigateur est disponible Exemple d’applications SAAS : CRM, outils collaboratifs, messagerie (Google Apps), ERP… F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 47 2.5. Le composant Cloud Comparaison des services Cloud dans lIoT F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 48 24 2.5. Le composant Cloud Fog computing et service Cloud F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 49 2.5. Le composant Cloud Modèle de Fog computing Infrastructure informatique distribuée plus proche de la périphérie du réseau Les appareils de périphérie exécutent les applications en local et prennent des décisions immédiates Allège la charge de traitement du réseau, données brutes non transmises via les connexions réseau Améliore la sécurité, éviter de transporter données sensibles au-delà de la périphérie du réseau, où elles sont nécessaires Les applications de fog computing surveillent ou analysent des données en temps réel depuis des objets connectés au réseau, puis exécutent des actions comme le verrouillage d'une porte, la modification des paramètres d'un équipement le freinage dans un train ou le zoom avant avec une caméra vidéo L'action peut impliquer des communications de machine à machine (M2M) et interaction de machine à personne (M2P) Selon Cisco, plus de 40 % des données générées par l'IoT sont traitées dans le fog F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 50 25 3. Connectivité dans les composants de l’IoT F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 51 3. Connectivité dans les composants de l’IoT Technologie de communication courte portée F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 52 26 3. Connectivité dans les composants de l’IoT Technologie de communication longue portée F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 53 3. Connectivité dans les composants de l’IoT Connectivité directe du dispositif au Cloud Le dispositif directement connecté à un service cloud sur Internet, via un fournisseur de service, pour échanger les données et contrôler le trafic Les données collectés par le capteur sont directement envoyés aux plateformes de service cloud Approche simple qui tire profit des technologies de communications existantes sur le réseau IP Approche utilisée par appareils IOT : Thermostat Nest , TVs Smart de Samsung 54 27 4. La gestion d’énergie dans l’IoT Exigence dans le marché de l’IOT en dispositifs autonomes et sans fil dispositifs disposants de leur propre source d’alimentation équipements à batteries rechargeables ou sans batterie équipements communiquant par des protocoles radio à faible consommation d’énergie (LPWAN : SigFox, LoRaWAN…) Pratiques d’optimisation de la consommation d’énergie : Maximiser la réserve énergétique embarquée (batterie), dans la limite des contraintes physiques Limiter les opérations les plus consommatrices (telles que la transmission de données; effectuer le traitement en local) Réduire la consommation lors des communications sur le réseau local ou distant Avoir recours aux technologies de récupération d’énergie « energy harvesting » ou « low tech » F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 55 4.Technologies de « energy harvesting » Technologie reposant sur la conversion des différents types d’énergie issues de l’environnement ambiant ou des activités humaines en énergie électrique, à stocker par la suite pour être utilisée par les dispositifs autonomes Conception piles qui ne se déchargent jamais avec durée de vie > 20 ans Équivalent des énergies renouvelables classiques (solaire, chaleur, vent…) mais à échelle plus petite ou on exploite les plus infimes sources d’énergie dispositifs de micro-production d’énergie Le « energy harvesting » fournit des quantités de courant très limitées pour des circuits électroniques à très basse consommation Les sources d’énergie issues de l’environnement proche : Vibratoires Mécaniques (force, pression) Thermiques ou lumineuses (solaire) F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 56 28 4.Technologies de « energy harvesting » Les sources d’énergie issues de l’environnement proche : Vibratoires Mécaniques (force, pression) Thermiques ou lumineuses (solaire) F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 57 4. Technologies de « energy harvesting » dans l’IoT F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 58 29 4. Technologies de « energy harvesting » dans l’IoT Solutions technologiques de récupération d’énergie (energy harvesting) pour les capteurs autonomes : 59 4. Technologies de « energy harvesting » dans l’IoT Solutions technologiques de récupération d’énergie (energy harvesting) pour les capteurs autonomes : 60 30 5. Hardware et systèmes embarqués Un objet connecté est typiquement composé de plusieurs cartes électroniques sur lesquelles sont montées des composants permettant la connectivité, le calcul, la numérisation des données… usage des technologies de l’informatique embarquée permettant l’optimisation de l’espace et du coût des composants Système embarqué logiciel et matériel sont conçus en même temps Les objets IOT doivent être des systèmes embarqués connectés sur le réseau !! F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 61 5. Hardware et systèmes embarqués F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 62 31 5. Hardware et systèmes embarqués Microcontrôleur = processeur + mémoire ROM + mémoire RAM + interfaces E/S… à faible consommation électrique et opérations ciblées IP (Intellectual Property Core) = circuit intégré (≈ processeur) dédié à une fonctionnalité Exemple : contrôleur réseau : ethernet, bus CAN dans les automobiles, codec audio… FPGA (Field Programmable Gate Array) = circuit intégré logique qui peut être reprogrammé après sa fabrication ≈ PROM pouvant charger de nombreuses applications En fait reconfigurable plutôt que programmable F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 63 5. Hardware et systèmes embarqués Deux approches majeures des technologies des systèmes embarqués : Systèmes construits autour d’un OS Embarqué : Avantages : ouverts, puissants, supporte des langages de programmation multiples Inconvénients : parfois complexes à mettre en œuvre, prise en main longue, coût relativement élevé, interfaçage plus complexe Exemples : Raspberry PI, Beaglebone… Systèmes dédiés compacts à logiciel propriétaire : Avantages : très réactifs, faible coût, fonctionnement plus robuste (pas de couches logicielles), interfaçage aisé, prise en main rapide Inconvénients : moins puissants, langages de programmation plus limités, moins flexible sur le plan logiciel Exemples : Arduino, Genuino, Intel Galileo, ESP8266… F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 64 32 5.1. RasperBerry Pi Nano-ordinateur ou ordinateur compact à taille réduite et consommation faible (économique) Composé uniquement d’une petite carte mère, alimentée par câble USB De nombreux ports USB peuvent être utilisés pour connecter divers appareils, notamment des claviers, des souris, des disques externes et des caméras. Plusieurs modèles : A, A+, B, B+, B2, B3… OS officiel recommandé à utiliser = Raspbian. Distribution GNU/Linux (Linux-Dubian) optimisée pour le matériel du Raspberry Pi, embarquant l'environnement de bureau LXDE et le navigateur web Midori Logiciel spécial lecteur multimédia léger pour le RaspBerry Pi RaspyPlayer F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 65 5.1. RasperBerry Pi F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 66 33 5.1. RasperBerry Pi Programmer sur Rasberry L’accès à RapBerry Pi est : En local (utiliser un clavier et un écran branchés + OS dans la carte SD) À distance : à l’aide de PL-App (plate-forme logicielle exécutée sur un circuit Raspberry Pi qui dispose d’une interface web basée sur un concept de Notebooks.) RapBerry Pi prend en charge de nombreux langages de programmation : Langages visuels : Blockly, Scratch Blocky : Permet de créer un programme sen utilisant des blocs de couleur, blocs par la suite reliés les uns aux autres par glisser-déposer Python = Le langage officiel du RaspBerry Pi, installé par défaut dans Raspbian Java, javascript, html5, C, C++ … F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 67 5.2. Microcontrôleur Arduino Carte Arduino = carte équipée du micro-contrôleur, qui permet, à partir d’évènements détectés par des capteurs, de programmer et commander des actionneurs Interface programmable Extension du projet Arduino = plateforme de développement et de prototypage (développement matériel & logiciel) Open source, composé de : Carte Arduino stocker un programme et le faire fonctionner Shields (cartes d’extension) fonctions diverses : relais, commande de moteurs, connectivité ethernet ou wifi…, afficheur LCD… IDE environnement de développement intégré multi OS pour l’édition et la compilation des programmes et leurs transferts dans la carte via le port USB Le microcontrôleur Arduino doté d’un processeur 1 core à 16 MHz généralement, et une faible RAM faible consommation d’énergie et faible prix Carte Arduino la plus utilisée: Arduino Uno F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 68 34 5.2. Microcontrôleur Arduino F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 69 5.2. Microcontrôleur Arduino F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 70 35 5.2. Microcontrôleur Arduino F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 71 5.2. Microcontrôleur Arduino F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 72 36 5.3. Comparaison Rasberry/Arduino RaspBerry Pi est un outil puissant, adapté aux traitement complexe, mais : N’inclut pas de broches GPIO analogiques (Arduino si !!!) Ne fonctionne pas en temps réel Pour certaines applications, il est possible que ses besoins en alimentation et sa taille soient importantes !!! Possibilité d’utiliser Arduino contrôlé par un RaspBerry Pi F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 73 5.3. Comparaison Rasberry/Arduino F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 74 37 6. Systèmes d’exploitation Choix étroitement lié au type d’objet (capteur intelligent, passerelle, serveur…), à son traitement (simple ou complexe, sensible au temps ou non…) et au coût (solution libre ou propriétaire) F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 75 7. Systèmes d’exploitation Choix du système d’exploitation de l’objet connecté F. Louati Ben Mustapha I.o.T - 3è Genie Info 76 38
