09 décembre 2014

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TECHNOLOGIES - TECHNOLOGIES - TECHNOLOGIES - TECHNOLOGIES LA REVOLUTION TECHNOLOGIQUE EN MARCHE : INTERNET DES OBJETS CONNECTES

Dossier Internet des objets : la révolution technologique en marche

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Réseaux sans fil hyper-optimisés, nouvelles plateformes, Big Data ... Le point sur les grandes briques technologiques qui porteront l'Internet des objets.

Selon le cabinet Gartner, il y aura 26 milliards d'objets connectés d'ici à 2020. Des objets de toute nature, depuis le bracelet de tracking d'activité au compteur intelligent, en passant par les pèse-personnes, les thermostats, ampoules électriques, voitures connectées... Le concept va être décliné quasiment à l'infini par les start-up et gros industriels de l'électronique grand public qui se positionnent sur ce marché.

Ces objets connectés auront des caractéristiques très diverses en termes de puissance informatique embarquée, d'autonomie électrique ou encore de coût de fabrication. 

 

IPv6 pour doter chaque objet d'une adresse Internet

SmartBeacon commercialise une solution marketing conçue pour communiquer des messages promotionnels aux smartphones de manière géolocalisée. © SmartBeacon

Le protocole IPv6 permettra d'allouer une adresse Internet à chacun d'eux mais pour pouvoir communiquer et échanger des données sur Internet, les objets connectés vont s'appuyer sur de multiples standards. A courte distance, les concepteurs d'objets ont le choix entre RFID, NFC, et Bluetooth. Les réseaux cellulaires vont devoir s'adapter à ce nouvel utilisateur peu bavard, pour lequel une consommation électrique la plus faible possible sera préférable. 

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Le défi des standards

Outre le volet hardware, des standards émergent peu à peu dans le domaine des plateformes logicielles et des données échangées par ces objets communicants. Le chemin vers un espéranto des objets connectés sera plus long car chaque secteur d'activité a des besoins propres. Les éditeurs et industriels souhaiteront aussi imposer leur plateforme pour dominer le marché. On le constate sur le segment de la maison intelligente, les Smart Home, où se retrouvent face à face Apple, Google, sans compter des technologies open source, ou encore l'OIC, consortium mené par Samsung.

L'Internet des objets a besoin de standards pour exister, et les enjeux industriels autour de la conception et l'adoption de ces standards sont colossaux. Selon le Gartner, les revenus additionnels attendus seront de l'ordre de 300 milliards de dollars en 2020. De quoi susciter bien des appétits autour des standards de l'Internet des objets.

 

internet des objets : la révolution technologique en marche IPv6 : le standard réseau de l'objet connecté

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Avec son adressage sur 32 bits, IPv4 ne peut théoriquement adresser que 4 milliards d'adresses Internet. Le stock est déjà presque totalement épuisé alors que la vague des objets connectés ne fait que commencer. Selon le Gartner, leur nombre atteindra 26 milliards dans le monde dès 2020. Si tous n'auront pas forcément besoin d'une adresse individuelle, notamment les tags NFC passifs, IPv6 arrive à point nommé pour débloquer la situation et permettre la multiplication des objets connectés autour de nous. L'adresse IPv6 affiche 128 bits, ce qui lève définitivement le problème du nombre maximum d'adresses. 

 

IPv6 n'est pas adapté aux petits objets

IPv6 est plus complexe et donc plus coûteux en espace mémoire et consommation électrique que IPv4. © Fotolia - so47

Reste le problème de la complexité du protocole. Adresses plus longues, protocole sécurisé... Le logiciel nécessaire à la gestion des échanges IPv6 est plus complexe. Il est par conséquent plus couteux en espace mémoire, et donc plus consommateur en énergie électrique. Cela ne pose pas de problème pour un smartphone ou une tablette dont la puissance est déjà confortable, mais lorsqu'il s'agit d'un objet connecté avec une toute petite carte processeur de quelques euros comme une ampoule ou une brosse à dent, IPv6 s'avère inadapté aux contraintes de coût et d'autonomie.

 

Des adaptations nécessaires au standard

L'idée d'un IPv6 allégé pour les objets connectés a donné naissance au groupe de travail 6LoWPAN au sein de l'IETF en 2006. L'objectif est de simplifier notamment l'entête des messages IPv6 afin qu'ils puissent être lus par des objets connectés de faible puissance. C'est aujourd'hui un composant de toute une pile IPv6 à faible consommation d'énergie.

La pile en question se compose notamment du protocole IEEE 802.15.4e, qui vise à limiter la consommation au niveau de la liaison radio, 6lowPAN pour l'adaptation du protocole, et enfin CoAP (Constrained Application Protocol) qui en représente la dernière couche. Ce standard IETF est un peu, pour les objets connectés, ce que le Web est à Internet. C'est une adaptation de HTTP et de REST au monde des objets. Toujours dans l'esprit d'épargner des ressources, il s'appuie non plus sur le protocole TCP, mais sur UDP. Il permet l'échange de données à quelques kbit/s. C'est le prix à payer pour épargner la batterie de l'objet connecté.

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Internet des objets : la révolution technologique en marche Quel réseau de communication pour les objets connectés ?

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Plusieurs réseaux peuvent être exploités pour connecter un objet à Internet. Selon la puissance disponible et surtout la capacité de sa batterie, l'industriel va se tourner vers des solutions type réseau cellulaire "standard", réseau spécialisé, Bluetooth on puce sans contact. 

 

LTE ou UNB (pour Ultra Narrow Band)

Le réseau cellulaire est une option tentante car il autorise des débits relativement élevés. Reste le problème de la couverture qui n'est pas totale, et surtout du coût tant financier qu'en termes de consommation de puces GSM/3G ou 4G. Paradoxalement, la 4G apporte des solutions nouvelles pour réduire la consommation électrique des communications. Le groupement 3GPP qui standardise le protocole LTE travaille sur le volet MTC (Machine Type Communications). Actuellement, le cycle d'écoute du réseau par un équipement LTE (DRX) est configuré à 2,56 secondes, maximum. Ce cycle représente l'essentiel de la consommation d'un équipement. Dans la dernière spécification de LTE attendue pour fin 2014, un cycle DRX pourrait atteindre plusieurs dizaines de minutes dans le mode PSM (Power Saving Mode).

Xbee : des modules de communication sans fil fabriqués par Digi International. © Xbee

Pour les compteurs d'eau, le français Sigfox a développé une solution de communication à très faible consommation électrique. Une offre qu'il propose aujourd'hui à tous les concepteurs d'objets connectés.

La solution exploitée par Sigfox s'appuie sur les l'UNB (Ultra Narrow Band) : des fréquences de transmission non soumises à licence, qui autorisent des échanges à bas débit (entre 10 bit/s à 10 kbit/s) sur une portée de plusieurs dizaines de km.

 

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Le Wi-fi pour les objets à moindre portée

Pour les objets nécessitant une portée moindre, les industriels optent souvent pour le Wi-fi. Mais si son débit est élevé, sa consommation électrique limite son usage aux produits les plus coûteux, pouvant être branchés à une prise électrique.

Les concepteurs d'objets connectés vont bientôt pouvoir se tourner vers le futur standard IEEE 802.11ah. Une déclinaison du Wi-fi dont la portée est plus longue et la consommation moindre, mais il faudra attendre 2016 pour que ce standard soit approuvé.

En attendant ce "Wi-Fi des objets", les industriels peuvent exploiter Zigbee, nom commercial de la norme IEEE 802.15.4. Sa portée ne dépasse pas une centaine de mètres, et son débit pas plus de 250 kbit/s. En revanche, la mémoire qu'elle requiert est minimale, quelques dizaines de ko, et surtout sa consommation électrique est extrêmement limitée. Certains appareils embarquant cette technologie peuvent rester opérationnels pendant des années avec une simple pile pour les alimenter. La télécommande de la Freebox s'appuie du Zigbee, de même que de nombreuses ampoules intelligentes telle que la Hue de Philips. 

 

Internet des objets : la révolution technologique en marche Bluetooth Low Energy va-t-il faire oublier le NFC ?

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Pour les objets dont l'utilisation est de type sans contact, les industriels ont tout un éventail de standards à leur disposition pour faire communiquer leurs produits. Il existe des tagsRFID passifs. Mais aussi de simples étiquettes dont le prix de revient n'est que de quelques dizaines de centimes et qui se contentent d'envoyer un identifiant lorsqu'un lecteur actif les alimente. Certaines sont plus intelligentes, et embarquent un processeur, comme les cartes de transport type Navigo.

D'autres puces RFID sont dites actives. Elles disposent d'une alimentation qui leur permet d'envoyer une donnée à intervalle régulier. Cela peut être une position GPS, la température d'un container, etc. Une série de normes ISO vient normaliser format (ISO 11784) et échanges (ISO 11785). Les cartes bancaires ont un standard qui leur est propre, l'ISO 7816.

 

Les puces NFC offrent une portée de quelques centimètres

La technologie d'Estimote permet de localiser n'importe quel objet via son smartphone, après lui avoir apposé un sticker. © Estimote

Depuis, son apparues les puces NFC. Extension de la norme ISO 14443 relative aux cartes de proximité, leur portée n'est que de quelques centimètres.

En 2012, 150 millions de smartphones et tablettes étaient déjà équipées d'une puce NFC, essentiellement des terminaux Android puisqu'Apple a préféré opter pour la technologie Bluetooth Low Energy (BLE) qui équipe ses smartphones depuis l'iPhone 4S. 

 

Bluetooh Low Energy : consommation électrique divisée par 10

Parfois appelé Bluetooth Smart, BLE a été intégré à la norme Bluetooth depuis sa version 4.0. Il s'agit d'une solution de transmission de données dont la consommation électrique a été très largement rev

 

Internet des objets : la révolution technologique en marche Les plateformes logicielles standardisées pour les objets

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Au dessus de la couche purement réseau, les objets connectés nécessitent une plateforme logicielle pour être utilisables. C'est cette plateforme qui permet aux objets de signaler leur présence et d'exposer leurs fonctions. Au travers d'une API, cette plateforme se doit d'offrir un jeu de fonctions que les développeurs vont solliciter dans leurs applications. 

 

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AllJoyn : une plateforme pour la maison connectée

Hypercat vise à proposer une plateforme standard pour l'Internet des objets. © Hypercat

Dans le domaine de la maison connectée (Smart Home), Qualcomm a signé une alliance avec Allseen pour proposer une plateforme open source destinée à entre-connecter tous les objets connectés de la maison. Cette infrastructure, baptisée AllJoyn, a été portée sur de multiples OS. Elle a été retenue par LG, Panasonic, Sharp, Haier, Technicolor et Cisco. Dernier membre à avoir rejoint l'alliance, Microsoft.

Face à AllJoyn, se dresse Apple qui a lancé Homekit, son standard maison. Une initiative qui a été imitée par Samsung, Dell, Intel et Broadcom qui se sont associés au sein de l'Open Interconnect Consortium, pour créer leur propre standard. Enfin, Google a récemment ouvert aux développeurs les API créées par Nest. Avec un succès certain, puisque lors de sa conférence utilisateur Google I/O les responsables de Nest Labs ont annoncé avoir convaincu 5 000 développeurs. Parmi les industriels à avoir rallié son programme Works with Nest figurent Whirlpool, Mercedes Benz, ou encore le fabricant de bracelets connectés Jawbone.

 

Hypercat vise à fédérer les acteurs

Alors que les industriels tentent de créer des écosystèmes de partenaires autour des normes qu'ils contrôlent, une autre initiative vise à réconcilier tout le monde, il s'agit d'Hypercat. Venue du Royaume-Uni, l'initiative est financée par les fonds publics anglais. Mais elle s'appuie aussi sur un consortium de 40 partenaires, parmi lesquels ARM, British Telecom, Intel ou IBM. La solution proposée se veut extrêmement légère. Basée sur JSON, son principe s'appuie sur une notion de catalogue de ressources accessible via des URI et HTTP. Chaque ressource est décrite par un triplet de méta-données. Les atouts de la solution sont sa légèreté et le fait qu'elle n'est pas liée à un secteur d'activité. Les concepteurs d'Hypercat espèrent voir leur standard adopté tant par le secteur de l'automobile que celui des produits manufacturés.

 

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Internet des objets : la révolution technologique en marche L'Internet des objets synonyme de Big Data

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Dès lors qu'un industriel vend des milliers, des centaines de milliers voire des millions d'objets, il va se retrouver face à la problématique du recueil des informations émises, puis de leur traitement. Car si une balance connectée envoie un flux de donnée assez modeste, une mesure de poids chaque jour représente rapidement des volumétries conséquentes. Sans compter la problématique technique de la vélocité, notamment lorsque des dizaines de milliers de clients veulent accéder, de manière instantanée, à la totalité de leur historique.

 

Le protocole de chat XMPP

Le géant espagnol de l'électricité Endesa a commencé à se lancer dans le smart grid (réseau de distribution d'électricité intelligent). © Endesa

Pour alimenter les serveurs, plusieurs standards ont émergé. Parmi eux, le protocole de chat XMPP est exploité tant par Apple iChat, Google Talk, Skype ou Facebook. Il permette tout autant à des capteurs de transmettre leurs mesures à un serveur.

Autre standard exploitable : MQTT. C'est un système de messagerie inter-applicative qui ne génère que peu de trafic réseau , ce qui en fait une solution adaptée à l'Internet des objets. Une alternative à MQTT est DDS (pour Data Distribution Service) : un protocole de bus temps réel. C'est la solution qui a été choisie à Nice pour mettre en place le bus qui collecte les données issues de tous les objets connectés de la ville.

 

Hadoop pour traiter les volumes de données issus des objets

Pour le stockage et les traitements à appliquer sur les données, les bases NoSQL de nouvelle génération et les frameworks Map-Reduce, tels qu'Hadoop, semblent s'imposer. L'américain Opower a ainsi fait le choix de la plateforme Hadoop/HBase de Cloudera pour analyser les données de consommation de ses clients.

Des standards commencent aussi à émerger quant aux formats de données collectées. Ainsi, l'italien Enel, qui gère 30 millions de compteurs intelligents, s'appuie sur les travaux de "Meters and More" pour la collecte des données. Cette association sectorielle internationale a défini toute une pile de communication pour les compteurs intelligents. Sa formalisation va de la structure des messages envoyés par les compteurs intelligents (via le langage DLMS pour Device Language Message Specification) jusqu'au format des données (avec Cosem, pour Companion Specification for Energy Metering). Ceux-ci ont été établis au rang de standard par l'International Electrotechnical Commission, c'est Ie jeu de standards EC 62056. 

 

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Internet des objets : la révolution technologique en marche

Des protocoles réseau aux plateformes logicielles en passant par les infrastructures de traitement de données remontées, ce dossier a pour but de faire le point sur les briques technologiques clés qui porteront l'Internet des objets.

 

Les wearable techs changeront encore plus votre vie que les smartphones

Les objets connectés portables allongeront la durée de vie, rendront l'humain plus efficace... et les salariés plus productifs.

 

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