L'Internet des objets (IoT, Internet of Things) a de nombreuses applications possibles et englobe de nombreux aspects de notre vie, allant de la domotique et des villes, voitures et routes connectées aux appareils qui suivent le comportement d'un utilisateur et utilisent les données collectées pour les services « push ». Certains prédisent d'ici 2025 la mise en service de 1 billion de périphériques connectés à Internet et considèrent les téléphones portables comme « les yeux et les oreilles » des applications, servant à connecter tous ces objets connectés. D'autres donnent des exemples moins centrés sur le téléphone, évoquent une classe de périphériques qui n'existent pas encore aujourd'hui ou voient dans les lunettes intelligentes de réalité augmentée de Google le symbole des objets du futur.
Concevoir des objets intelligents
Lorsque l'on effectue une recherche en ligne sur l'Internet des objets, les résultats qui s'affichent utilisent de manière excessive le terme « intelligent ». Mais alors, qu'entend-on vraiment par « intelligent » et qu'est-ce qui rend un objet intelligent ? Comment un grille-pain, par exemple, peut-il devenir un « appareil intelligent » ?
Le vieux grille-pain qui contrôlait mécaniquement la couleur des tranches de pain intègre désormais une unité de microcontrôleur (MCU, Microcontroller Unit). Il grille alors les tranches de pain de manière plus homogène et fiable, et ses nouvelles fonctions « intelligentes » lui permettent de communiquer de manière électronique à l'aide de son clavier tactile ou de ses boutons.
Une fois un appareil rendu intelligent grâce à l'intégration d'un traitement embarqué, la prochaine étape logique consiste à permettre la communication à distance avec l'appareil intelligent afin de simplifier la vie des utilisateurs.
Catégories d'application
Alors que les différents secteurs d'activité prennent en compte et identifient plusieurs centaines d'applications, elles peuvent être classées de manière simple et logique.
-
Catégorie 1 : cette catégorie regroupe l'idée de plusieurs millions d'appareils « conscients » hétérogènes et interconnectés dotés d'identifiants uniques et interagissant avec d'autres machines/objets, l'infrastructure et l'environnement physique. Dans cette catégorie, l'IoT joue essentiellement un rôle de suivi, commande, contrôle et routage (TCC&R) à distance. Ces applications étendent l'automatisation ainsi que les communications machine-machine (M2M), machine-infrastructure (M2I) et machine-nature (M2N) qui contribuent à simplifier la vie des gens.
-
Catégorie 2 : cette catégorie couvre l'exploitation des données collectées par les nœuds d'extrémité (appareils intelligents avec fonction de détection et de connectivité) et l'exploration des données afin d'identifier les tendances et les comportements pouvant générer des informations marketing utiles pour développer les ventes. La question est de savoir jusqu'où pousser cette exploration de données ? On pourrait par exemple imaginer un magasin qui suivrait les allées que vous avez visitées, l'endroit où vous avez passé le plus de temps dans ces allées et même les types d'articles auxquels vous vous êtes intéressés.
Ce document s'intéresse à la catégorie un, et plus particulièrement aux technologies et aux appareils nécessaires pour utiliser l'IoT à des fins de TCC&R.
Cas d'utilisation de l'Internet des objets
Intéressons-nous aux cas d'utilisation les plus courants de l'Internet des objets.
1. Suivi/surveillance à distance et (si nécessaire) commande, contrôle et routage (TCC&R) omniprésents : fait référence aux fonctions de suivi/surveillance à distance et, si nécessaire, de commande, contrôle et routage des tâches et des processus généralement effectués manuellement ou, si elles sont effectuées à distance, nécessitant une infrastructure supplémentaire. Par exemple, dans le futur, les portes, les fenêtres, les prises électriques, les appareils et de nombreux autres types d'équipements autonomes seront « intelligents » et disposeront d'un identifiant unique. Ces appareils intelligents peuvent ensuite être connectés au moyen de communications filaires ou sans fil, permettant ainsi aux utilisateurs de surveiller leur domicile à distance.
a. Suivi des ressources : une extension de ces services est le suivi des ressources, qui est effectué aujourd'hui au moyen de code-barres et de différentes étapes manuelles mais qui utilisera à l'avenir des étiquettes intelligentes, la communication en champ proche (NFC, Near Field Communication) et la RFID pour suivre tout type d'objets, de manière interactive.
-
Contrôle des processus et optimisation : lorsque différentes classes de capteurs (avec ou sans capacités de déclenchement) sont utilisées à des fins de surveillance et pour fournir des données dans le but de contrôler un processus à distance. Il peut tout simplement s'agir d'utiliser des caméras (les nœuds de captage dans cet exemple) pour positionner des boîtes de différentes tailles sur un tapis-convoyeur de telle sorte que la machine d'étiquetage puisse correctement les étiqueter.
-
Allocation de ressources et optimisation : le marché de l'énergie intelligente est un parfait exemple de ce cas d'utilisation. Le terme « énergie intelligente » recouvre de nombreux concepts mais il fait surtout référence au fait de pouvoir accéder aux informations relatives à la consommation énergétique et de réagir à ces informations afin d'optimiser l'allocation des ressources (utilisation de l'énergie).
-
Automatisation en fonction de la situation et optimisation de la prise de décision : cette catégorie est la plus intéressante car elle recouvre la surveillance des facteurs inconnus (environnement, interaction entre les machines et les infrastructures, etc.) et la prise par les machines de décisions aussi humaines que possible.
Par exemple, imaginez un patient doté d'un nœud de captage implantable qui suit les données biométriques et envoie un signal en cas de mesures anormales. Si le patient ne réagit pas en prenant des médicaments, le nœud pourrait passer un appel d'urgence à un contact répertorié dans une liste et, si personne ne répond, appeler un second contact et enfin, toujours en l'absence de réponse, contacter une clinique de surveillance ou fournir rapidement une assistance d'urgence.
Les exigences communes à l'ensemble des cas d'utilisation ci-dessus incluent :
Capacité de captage et de collecte de données (nœuds de captage)
Couches de capacité de traitement embarqué local (nœuds de traitement embarqué local)
Capacité de communications filaires et/ou sans fil (nœuds de connectivité)
Logiciels permettant d'automatiser les tâches et d'activer de nouvelles classes de services
Capacité de traitement embarqué dans le Cloud/basé sur le réseau à distance (nœuds de traitement embarqué à distance)
Sécurité totale tout au long du chemin du signal
Dans notre exemple d'automatisation en usine (l'application d'étiquettes sur les boîtes), une caméra détecte les informations à l'aide d'un capteur CCD (dispositif à couplage de charge) (nœud de captage), les données collectées sont alors transmises à un processeur/contrôleur embarqué (nœud de traitement embarqué) via une technologie de communication sans fil ou filaire (nœud de connectivité), le serveur distant prend une décision (nœud de traitement embarqué à distance) et la communique (nœud de connectivité), ce qui entraîne le déclenchement d'une action mécanique pour corriger le problème.
Composantes de l'IoT
-
Nœuds de captage : les types de nœuds de captage requis pour l'Internet des objets varient considérablement, en fonction des applications auxquelles ils sont destinés. Les nœuds de captage peuvent inclure un système de caméra pour la vidéosurveillance ; des compteurs d'eau ou de gaz pour l'énergie intelligente ; la vision radar lorsqu'une sécurité active est requise ; des lecteurs RFID détectant la présence d'un objet ou d'une personne ; des portes et des verrous avec des circuits ouverts/fermés qui signalent une intrusion dans un bâtiment ; ou un simple thermomètre mesurant la température.
Ces nœuds disposent tous d'un identifiant unique et peuvent être contrôlés de manière indépendante grâce à une commande à distance et à une topologie de contrôle.
-
Couches de nœuds de traitement embarqué local : le traitement embarqué est au cœur de l'IoT. La capacité de traitement local est le plus souvent assurée par les MCU, les microcontrôleurs/microprocesseurs (MCU/MPU) hybrides ou les appareils MCU intégrés, qui sont en mesure de fournir le traitement embarqué en temps réel qu'exigent la plupart des applications IoT. Les cas d'utilisation sont multiples et la prise en compte de la fonction de traitement embarqué en temps réel nécessite une stratégie évolutive (grâce à une famille d'appareils évolutive), car il n'y a pas de solution universelle.
Certaines exigences rendent le microcontrôleur parfaitement adapté à une utilisation dans l'Internet des objets.
-
Efficacité énergétique : avant tout, le microcontrôleur doit être économe en énergie. Bien souvent, les nœuds de captage sont des nœuds satellites fonctionnant sur batterie, c'est pourquoi une spécification de faible puissance est une exigence de base.
-
Architecture intégrée avec un écosystème logiciel riche : la grande variété d'applications IoT possibles peut bénéficier d'un environnement de développement logiciel connectant les applications, le traitement de commande, de contrôle et de routage et la sécurité du nœud et du système. Un vaste écosystème assorti d'une assistance facilement accessible est essentiel pour permettre le développement des applications IoT.
-
Portefeuille étendu favorisant l'évolutivité des logiciels : pouvoir réutiliser les logiciels et exploiter les investissements réalisés dans les logiciels est un facteur de réussite essentiel pour les sociétés qui développent des applications IoT.
-
Portefeuille étendu permettant différents niveaux de performances à moindres coûts et une solide combinaison d'interfaces E/S : la diversité des objets à contrôler dans l'IoT, ainsi que les différents cas d'utilisation, le nombre d'objets dans un microréseau, les différents niveaux de service requis et les différentes interfaces d'un environnement hétérogène conduisent à nécessiter différents niveaux d'appareils, avec différentes E/S requises pour les différentes applications. Une approche universelle n'est pas suffisamment optimisée en termes de coût et de performance pour répondre aux besoins de ce marché.
-
Rapport coût-efficacité : comme tous les autres systèmes, le coût global comprend la somme des pièces du système, plus le coût des services requis par le système. Le coût total de propriété doit être abordable pour permettre le changement de paradigme dans la vie quotidienne. C'est pourquoi le coût du produit, même s'il est important, ne représente qu'une partie du coût du système, mais est un facteur très important.
-
-
Qualité et fiabilité : contrairement à votre téléphone portable, à votre ordinateur portable ou aux autres appareils électroniques grand public que vous remplacez peut-être tous les 2 ans, les cycles de vie des produits du secteur de l'industrie et de l'informatique embarquée peuvent durer entre 10 et 15 ans. C'est pourquoi, les exigences en termes de qualité, de fiabilité et de longévité pour ces marchés sont essentielles pour assurer la réussite du changement de paradigme de l'IoT.
-
Sécurité : concernant le nœud de traitement embarqué local sur la couche physique, un ensemble de moteurs cryptographiques et d'accélérateurs de sécurité soutiennent le chiffrement (par exemple AES, etc.) et l'authentification des données (par exemple SHA, etc.). Des couches supplémentaires de logiciel de sécurité, ainsi que les meilleures pratiques en matière de routines de démarrage, comptent parmi les différentes approches de sécurité disponibles.
3. Capacité de communications filaires et sans fil sécurisée : le rôle du nœud de communication consiste à transférer les informations collectées par les nœuds de captage et traitées par les nœuds de traitement embarqué local jusqu'aux destinations identifiées par les nœuds de traitement embarqué local. Une fois les données traitées à distance et les nouvelles commandes générées, le nœud de communications ramène les nouvelles commandes aux nœuds de traitement embarqué local afin d'exécuter une tâche.
Les cas d'utilisation sont multiples mais ces liaisons de communication de commande et de contrôle ont pour point commun de n'avoir besoin de transporter que quelques kilo-octets de données quel que soit le nœud, sauf en cas de traitement d'image ou de données vidéo à haut débit.
L'IoT introduit également le concept de réseaux d'actionneurs et de capteurs sans fil (WSAN), qui sont les réseaux contenant les nœuds de captage, de traitement embarqué et de connectivité basée sur IP et non IP pouvant contrôler leur environnement.
D'après les cycles de vie types des produits et le rôle des logiciels, il y a fort à parier que si une technologie s'implante aujourd'hui dans un segment IoT, celle-ci (ou une version spécialement optimisée) sera mise en place pour au moins cinq à huit ans.
Les analystes élaborent de nombreuses projections quant à l'essor du marché de l'IoT. Les technologies de communications seront peut-être complètement différentes de celles qui ont cours aujourd'hui ou bien de nouvelles versions des normes existantes auront peut-être fait leur apparition. Les techniciens spécialisés en Wi-Fi travaillent déjà sur la norme 802.11ah (Wi-Fi sur bandes ISM sous la barre des 1 GHz) dans le but de l'adapter au réseau Ad-hoc indépendant de l'infrastructure, au réseau maillé et au contrôle à plus longue portée des réseaux de capteurs. On pourra peut-être également compter sur l'avènement de nouvelles technologies mieux adaptées à certains aspects des communications de l'IoT et venant remplacer les normes existantes ou bien une technologie réseau sans fil révolutionnaire, comme celle que Weightless développe actuellement, fera peut-être son apparition.
Les exigences relatives aux fonctions de communication sont très semblables à celles des nœuds de traitement embarqué :
-
Rapport coût-efficacité
-
Faible consommation d'énergie
-
Qualité et fiabilité
-
Sécurité
-
Logiciels d'automatisation des tâches : parvenir à ce que tous les segments de l'IoT communiquent et travaillent ensemble est essentiel pour assurer la réussite du déploiement de technologie, ce qui implique de déployer un grand nombre de logiciels (et de middleware) permettant à différents appareils hétérogènes de communiquer entre eux et avec l'infrastructure.
-
Nœuds de traitement embarqué à distance (accès au Cloud Computing) : certaines sociétés annoncent que tous les appareils périphériques seront des « appareils passifs » et que tous les traitements et toutes les prises de décision seront effectués dans « leur Cloud ». D'un autre côté, certains estiment que les services Internet de base ne nécessiteront qu'un accès minimum au Cloud, la majeure partie de la « réflexion » étant effectuée localement. L'architecture choisie doit permettre différentes approches, qui seront sans doute nécessaires en raison du vaste éventail de cas d'utilisation et de configurations attendu. Cette flexibilité sera indispensable pour optimiser les performances au niveau du système.
Dans les nœuds d'appareils périphériques non IP, des passerelles permettront de relier le nœud final au réseau basé sur IP. Les passerelles doivent utiliser différents niveaux de hiérarchie, d'intelligence et de nombreuses fonctionnalités de centre de données en matière de provisionnement de service afin de favoriser l'établissement de la connexion. .
Mais alors pourquoi accorde-t-on autant d'importance aux logiciels ? Les logiciels activent les différents services fournis par l'IoT. Les services désignent les moyens par lesquels l'IoT va répondre à certains besoins. Ces besoins existent peut-être déjà aujourd'hui ou bien nous n'en avons pas encore conscience mais, un jour, nous nous demanderons comment nous avons pu nous en passer tout ce temps. C'est pourquoi il est essentiel de disposer d'une infrastructure de diffusion de services sécurisée pour développer l'IoT.
-
Sécurité totale de la périphérie à l'entreprise : lorsque nous parlons de sécurité, nous nous intéressons à la sécurité des informations ; les informations qui sont diffusées par différentes parties du système et dépendent du contexte et du service. Il peut, par exemple, être utile de connaître l'emplacement d'une personne si celle-ci s'est perdue. Toutefois, si cette personne y voit une atteinte à sa vie privée, la divulgation des informations de localisation peut être considérée comme une mauvaise chose.
Voici ce que nous entendons par « informations sécurisées » :
-
Les informations doivent être disponibles dès que nécessaire : c'est le niveau de sécurité le plus basique. Si des informations concernant une intrusion à votre domicile sont transmises à la police le lendemain, elles n'auront plus alors aucune valeur. Avoir l'assurance que les services et leur infrastructure sous-jacente sont en mesure de traiter, stocker et diffuser les données lorsque cela est nécessaire est la première condition d'un système sécurisé. Dans certains cas, il est pour cela nécessaire de disposer d'une infrastructure redondante.
-
Les informations doivent rester confidentielles : le détenteur des informations décide des personnes, groupes ou organisations disposant d'un droit d'accès. Sauvegarder les informations obtenues par les services IoT est essentiel, faute de quoi les utilisateurs risquent de ne plus avoir confiance. Des mécanismes doivent être mis en place afin de garantir la confidentialité des informations échangées. Il n'est pas facile de trouver le juste équilibre car il existe une foule de services relatifs à l'IoT qui sont conçus pour exploiter l'exploration de données et générer des services « push ». Le mécanisme de désengagement de ces services serait soumis à la gouvernance de l'IoT.
-
L'intégrité des données doit être garantie : avoir l'assurance de disposer d'informations précises, authentiques, complètes et en temps opportun est essentiel. Si les données ne sont pas fiables, elles ne pourront pas être utilisées aux fins prévues et tout le paradigme du service concernant ces données tombera à l'eau.
La sécurité du système s'évalue à la lumière de la dernière menace qu'elle a permis de contrer et, à la première faille de sécurité, il faut alors réfléchir à de nouvelles façons d'assurer à nouveau sa sécurité. Si le récent piratage des données personnelles et de carte de crédit auprès du site Internet d'entreprises de renom donne une idée des défis auxquels sont confrontés les services d'IoT, l'infrastructure de sécurité en ligne actuellement disponible n'est pas suffisante.
Au cours de l'été 2010, des programmes malveillants ont pour la première fois ciblé des systèmes de contrôle des processus électroniques au lieu des habituelles données personnelles et de carte de crédit. Le ver informatique Stuxnet qui a attaqué les systèmes de contrôle des processus Siemens dans des centrales nucléaires s'est montré particulièrement sophistiqué et a donné un aperçu des dommages qu'il pourrait causer en mettant en péril la sécurité de l'IoT.
Sécurité au niveau de l'appareil : il existe différents types (MCU, MCU/MPU hybride, MCU intégrés, etc.) et couches de traitement embarqué sur différents nœuds de l'IoT et tout appareil considéré comme intelligent afin de pouvoir se connecter à Internet doit intégrer un processeur embarqué. Les processeurs embarqués vont devenir omniprésents dans l'IoT et doivent pour cela être très sécurisés.
L'IoT a pour but de placer les appareils intelligents sur une sorte de réseau neuronal universel, qui les contrôle à distance. Ainsi, chacun de ces objets identifiables (qui se comptent en milliards) peut constituer une menace pour l'ensemble du système. Au vu des risques encourus, existent-ils des meilleures pratiques dont peuvent s'inspirer les ingénieurs pour renforcer la sécurité des MCU dans un système d'IoT ?
Il apparaît maintenant clairement que les réseaux du futur connecteront davantage d'objets, de machines et d'infrastructure à un réseau neuronal mondial de services dans le Cloud que de personnes. Un véritable tsunami de données et de services aura des conséquences sur notre mode de vie, bien au-delà des changements constatés avec l'avènement d'Internet qui ont profondément modifié la façon dont les gens développent leur réseau et communiquent entre eux. L'IoT repose sur des couches de traitement embarqué, allant du nœud de captagesatellite le plus distant au cœur du réseau. Les innovations basées sur l'IoT vont nécessiter un vaste et riche écosystème de sociétés partenaires travaillant ensemble pour commercialiser les services basés sur l'IoT.
Arrow figure parmi ces sociétés qui ont constitué un écosystème de fournisseurs et de services en mesure de fournir des solutions et des services complets et globaux aux sociétés à la recherche de technologie et de services pour développer et déployer leurs solutions d'IoT.
Quand l'IoT deviendra-t-il enfin réalité ?
L'omniprésence du traitement embarqué fait déjà partie intégrante de notre quotidien. À la maison, des appareils aussi banals qu'un grille-pain sont désormais équipés d'un MCU embarqué qui permet de définir le degré de coloration de vos tartines de pain grillé tout en améliorant la sécurité. Ces appareils intelligents (nœuds) sont également de plus en plus souvent connectés à Internet et la technologie se met doucement en place pour favoriser l'Internet des objets. Tout comme le phénomène d'Internet qui a commencé il n'y a pas si longtemps et s'est propagé comme une traînée de poudre, l'Internet des objets concernera tous les aspects de nos vies. Êtes-vous prêt pour cette révolution ?