L'internet des objets

Le développement d'internet a connu plusieurs étapes.

Des années 1960 au début des années 1990, internet connait un usage limité (universités, science, armée, etc.).

C'est durant cette période que la plupart des technologies de base sont créées, comme les protocoles IP et TCP.

Dans les années 1990, l'usage d'internet se démocratise, notamment grâce au web et au mail. Des réseaux filaires sont déployés dans de nombreux pays.

Dans les années 2000, internet voit l'émergence des réseaux sociaux et devient un vrai support d'échange de contenu multimédia (vidéo, musique, fichiers, etc.).

Enfin, il y a dans les années 2010 une orientation de beaucoup de services vers les mobiles.

• Des réseaux cellulaires hauts-débits, 3G puis 4G, sont déployés.
• Les standards de communication sans-fil, comme le wifi et le Bluetooth, sont généralisés et améliorés.
• En parallèle, le développement du big data et de l'IA (intelligence artificielle) permettent de traiter les énormes quantités de données générées par un mode de vie de plus en plus connecté.

C'est dans ce contexte que l'internet des objets est apparu et continue son développement aujourd'hui.

L'internet des objets devrait poursuivre son développement dans les années 2020. Il devrait s'appuyer sur le déploiement des nouveaux réseaux cellulaires 5G et sur les dernières avancées de l'IA pour atteindre de plus en plus d'objets du quotidien.

Un objet connecté est généralement un objet traditionnel (voiture, électroménager, thermomètre, etc.) auquel on va ajouter la capacité de se connecter à internet. La plupart du temps, la connexion se fait par réseau cellulaire ou par l'intermédiaire d'une box internet.

Une fois connecté à internet, l'objet peut :

• transmettre des données à un utilisateur ;
• recevoir des ordres d'un utilisateur ;
• entrer, de manière autonome, en contact avec d'autres objets pour stocker ses données ou s'échanger des informations.

En plus des innovations technologiques nécessaires au développement des objets connectés, l'internet des objets apporte de nombreuses innovations d'usage. De nouvelles manières d'utiliser les objets et de nouveaux services apparaissent, impossible à produire avec des objets classiques.

Voici quelques exemples de nouveaux usages.

• Les objets connectés peuvent être consultés et commandés à distance.
  Exemple
  Un vivarium connecté permet de nourrir des animaux lorsqu'on est en vacances.
• Les objets connectés peuvent stocker leurs données en ligne pour éviter qu'elle ne soient perdues en cas de destruction.
  Exemple
  Un système de vidéoprotection qui stocke ses vidéos et données en ligne. Si il est détruit par un voleur, les preuves sont intactes.
• Les objets gèrent leur maintenance, leur mise-à-jour et proposent un diagnostique à distance.
  Exemple
  Un lave-vaisselle connecté avec auto-diagnostic permet d’éviter le déplacement d’un technicien pour déterminer les raisons de certaines défaillances. Les pièces de rechange pour la réparation peuvent être automatiquement commandées et une demande de rendez-vous peut être envoyée.
• Les objets peuvent initier une communication avec un autre humain, si son utilisateur n’est pas en mesure de le faire.
  Exemple
  Une voiture connectée peut détecter si elle a un accident et alerter les secours.
• Les objets peuvent devenir autonomes et communiquer ensemble sans intervention humaine.
  Exemple
  Un système d'arrosage du jardin connecté peut communiquer avec une station météo connectée pour savoir s'il est judicieux d'arroser aujourd'hui.

Quand deux systèmes informatiques (ordinateurs, smartphones, serveur, etc.) communiquent selon le modèle de communication client-serveur, on trouve un système nommé client et un système nommé serveur.

Client et serveur n'ont pas le même rôle.

Le client envoie ce qu'on appelle des requêtes au serveur. Une requête sert à demander des données, des fichiers, l'accès à un service, etc.

Le serveur attend de recevoir des requêtes. Quand il reçoit une requête, il essaie de la satisfaire. Il produit pour cela une réponse qu'il envoie au client. Cette réponse contient les données, les fichiers, les services, etc., que le client a demandés.

Un échange entre plusieurs systèmes informatiques ou personnes se représente graphiquement sous la forme d'un diagramme SysML de séquence.

Ce diagramme comporte les éléments suivants.

• Des étiquettes, qui nomment les éléments communiquant.
• Des lignes en pointillés, qu'on nomme lignes de vie : elles représentent l'axe du temps, qui va du haut vers le bas. Elles indiquent aussi quand l'élément est actif durant la communication :
  • la ligne de vie d'un élément est vide si l'élément est inactif ;
  • la ligne de vie d'un élément est occupée par un rectangle blanc si l'élément est actif.
• Des flèches, qui représentent les échanges de données entre deux éléments.

Exemple
Dans le cadre d’une communication web, un client (ordinateur avec navigateur web) dialogue avec un serveur (serveur web).
Voici ci-dessous une modélisation de leur échange.

Échange entre le client (ordinateur avec navigateur web)
et le serveur web

Deux architectures de communication sont principalement utilisées : l’architecture objet-à-IHM et l’architecture objet-à-objet.

L’architecture de communication objet-à-IHM est utilisée par la plupart des objets connectés grand public. L'objet connecté est alors associé à une IHM, interface homme-machine.

L’IHM est généralement accessible depuis un smartphone et/ou un ordinateur, connecté à internet.

L'architecture objet-à-IHM fonctionne grâce à un échange d’informations entre les trois éléments suivants.

• L'objet connecté.
• Le terminal informatique (smartphone, ordinateur, tablette, etc.).
• Un serveur informatique qui fait office d'intermédiaire entre l’objet et le terminal.

Les données sont toujours :

1. dans un premier temps déposées sur le serveur, par l'objet ou par l’utilisateur grâce à l'IHM ;
2. puis récupérées, depuis le serveur, par l'autre élément (objet ou utilisateur et IHM).

Habituellement, on rencontre deux types d'interactions entre l'objet et l'utilisateur.

L'utilisateur veut consulter les données de l'objet : l'objet dépose des données sur le serveur, l'IHM les récupère pour les afficher à l'utilisateur.

Scénario : « l'utilisateur consulte les données venant de l'objet »

L'utilisateur veut contrôler l'objet : l'utilisateur entre sa commande sur l'IHM, l'IHM dépose la commande sur le serveur, puis l'objet récupère la commande sur le serveur et l'exécute.

Scénario : « l'utilisateur envoie une commande à l'objet »

On se retrouve avec une communication entre au moins trois, et potentiellement un nombre très élevé, d'éléments.

• L'objet connecté.
• Un serveur informatique.
• Un ou plusieurs autres objets connectés.

Scénario : « échange de données entre deux objets »

Exemple
Dans un jardin, un capteur connecté mesure l’état du sol (humidité, richesse, température, etc.). Il transmet régulièrement ses données à son serveur. Un système d’arrosage connecté récupère les données du capteur connecté pour savoir quand il est judicieux d’arroser le jardin.

Scénario : « échange de données relatives
à l'humidité du sol entre un système
d'arrosage connecté et un capteur connecté »

Un objet connecté peut être réalisé à partir d’un microcontrôleur ou à partir d’un microprocesseur, et chaque solution présente des avantages et des inconvénients.

Un objet connecté fondé sur un microcontrôleur possède une faible puissance de calcul et peut difficilement effectuer des traitements complexes (traitement d’images ou de vidéo par exemple).

Un tel objet a en revanche l'avantage de consommer peu d'énergie, d'être fiable et d’être peu couteux.

Lorsque l’objet connecté est réalisé à partir d’un microprocesseur, on place le microprocesseur sur une carte-mère et on l’associe à quelques composants supplémentaires, notamment des mémoires. On obtient ainsi un vrai micro-ordinateur.

Le système d'exploitation utilisé est en général une distribution Linux légère.

Un objet connecté fondé sur un microprocesseur a une plus grande puissance de calcul et de traitement d'information.

L'inconvénient est qu'il consomme davantage d'énergie, il est moins robuste et il est plus cher.

L’IHM utilisée peut être une application native ou une application web.

Dans le cas de l’architecture objet-à-IHM, l’IHM peut être une application native.

Une application native est très performante, fluide et puissante. En revanche, elle ne peut être utilisée qu'avec le système d'exploitation pour lequel elle a été conçue : une entreprise doit donc développer un logiciel pour chaque système d'exploitation qu'elle veut cibler, ce qui est long et couteux.

Dans le cas de l’architecture objet-à-IHM, l’IHM utilisée peut également être une applications web.

Une application web est moins performante, fluide et puissante qu’une IHM native. En revanche, elle est utilisable par tous les utilisateurs, peu importe leur système d’exploitation : il suffit d'avoir un navigateur web.

Les serveurs avec lesquels les objets connectés interagissent sont habituellement situés dans le cloud : c'est-à-dire que ce sont des serveurs en ligne, situés physiquement dans des data centers.

La plupart des serveurs sont des ordinateurs très puissants, avec comme système d'exploitation une distribution GNU/Linux orientée serveur.

Un objet connecté doit avoir accès à internet, il peut pour cela utiliser différents moyens de connexions.

Cet accès internet peut être fourni à l’objet par une connexion aux réseaux cellulaires, souvent 3G ou 4G, et bientôt 5G.

Ces réseaux sont considérés, du point de vue des objets connectés, comme haut-débit. Les objets qui utilisent ce type d’accès à internet peuvent être librement déplacés, tant qu’ils restent sous la couverture du réseau.

Le désavantage est qu’il faut prendre un abonnement à l’objet.

Il existe aussi des réseaux IoT (Internet of Things), spécifiques aux objets connectés, comme LoRa et SigFox.

Ces réseaux proposent un faible débit, mais les antennes ont une longue portée, ce qui permet d'avoir rapidement une bonne couverture à faible cout. Ils sont surtout utilisés dans le cadre de l’architecture objet-à-objet.

Comme avec les réseaux cellulaires, les objets peuvent être librement déplacés, tant qu’ils restent sous la couverture du réseau.

Il faut en revanche également prendre un abonnement à l’objet : les abonnement sont très peu couteux.

Enfin, un objet peut accéder à internet par l'intermédiaire d'un LAN, Local Area Network : l'objet se connecte au réseau local, par ethernet ou wifi. Il se connecte souvent à une box ou à un routeur, qui lui sert de passerelle vers internet.

Cette solution est privilégiée pour les objets connectés grand public.

L’objet est limité à la couverture du LAN, cette solution ne nécessite cependant pas la prise d’un abonnement pour l’objet.