introduction to IoT

1. L’Internet des Objets
(IoT)
0 – Introduction
De l’internet des ordinateurs à l’internet des objets
[Mattern and Floerkemeier 10]
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Philippe Darche 2
Plan
 Une définition de l’Internet des objets (rapide !)
 Différences système embarqué / réseau sans fil de capteurs
 Le matériel des objets connectés
 Inventaire « à la Prévert »
 Pourquoi l’IoT apparaît-il aujourd’hui ?
 Conclusion
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L’internet des objets
Vue d’artiste un peu trompeuse !
source inconnue
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Ce qui change avec les objets connectés
 Nombre d’objets connectés
 prévision : 27 milliards en 2025 selon IOT Analytics !
 Hétérogénéité
 fonction
 communication
 autonomie
 Etendue
Source : IEEE

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La maxime de notre cours
 La règle des dix
 Un objet c’est :
 dix messages de dix octets par jour
 connexion à dix km
 durée de vie de dix ans
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Philippe Darche 6
Croissance exponentielle
 En 2008, le nombre d’objets connectés a dépassé
la population mondiale
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Domaines de l’IdO
 Grand public
 Agriculture
 Industries
 Santé
 Militaire
 Spatial ?
 etc.
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Applications
 Objets portables sur soi
 Fabrication manufacturière intelligente
(smart manufacturing)
 Automatisation de la maison et des immeubles
 Villes intelligentes
 Automobiles
 Etc.

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L’Internet des Objets
Source : FACTORY SYSTEMES
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Grand public Industriel (IIOT)
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Macro-segments économiques
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A ne pas confondre
 Avec les réseaux M2M
 connexion entre machines dans des systèmes fermés
 Avec les réseaux de capteurs (voir historique)
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Une tentative de définition
 Paradigme qui consiste à connecter des objets réels à
l’internet en interaction avec les humains et les services du
nuage (cloud), c’est-à-dire l’infonuagique  afin d’apporter
une valeur ajoutée à l’utilisateur final
internet

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Autres définitions
 Connexion du monde physique au monde virtuel
 perception et action
 Pas d’interaction avec les humains !
 angle de notre cours
 Lire la définition de Wikipédia
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Historique : Systèmes embarqués (Sem)
 Système informatique autonome qui gère un
processus (tâche dédiée)
 qui s’oppose à un système à usage général (i.e. ordinateur)
 Synonyme : système enfoui (i.e. embarqué)
 Origines
 mission Apollo avec l’AGC
(Apollo Guidance Computer)
 missiles minuteman
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Systèmes embarqués
 Système sous contraintes
 matérielles/logicielles
 temporelles
 système temps réel
 énergétique (i.e. sobriété)
 spatiales (i.e. encombrement)
 thermique
 environnementales
 sécurité du processus à gérer
 s’il y a communication, elle est dictée primairement par la fonction
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Systèmes embarqués vs objets connectés
 Pas de processus à gérer directement
 Mêmes contraintes que précédemment
 Mais de la communication par internet
 échange de données
 IoT = Une évolution ? Un sous-ensemble ? Un complément ?
 ≈ Cyber-Physical Systems (CPS) à l’échelle de l’internet ?
 un système embarqué intégré à un système d'information étendu
SEm IoT Internet

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Différences CPS/IoT
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[Waher et al. 16]
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Réseau sans fil de capteurs
 WSN (Wireless Sensor Network)
 Démarrage : début des années 90
 Quelques caractéristiques :
 topologie variable (réseau ad hoc)
 nombre de capteurs élevé
 noeuds limités en capacité de calcul, taille mémoire et en énergie
 noeuds susceptibles de pannes
 Applications militaires, environnementales, industrielles,
énergie, santé, etc.
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De nouvelles contraintes (1/2)
 Energie
 embarquée : maintenance régulière
 système de récupération d’énergie ?
 Autonomie
 de gestion
 adaptation à l’environnement qui peut être sévère
 mise-à-jour
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De nouvelles contraintes (2/2)
 Contraintes techniques contradictoires
 puissance de calcul
 communication longue distance
 faible consommation
 faible encombrement
 Coût
 Hétérogénéité
 Passage à l’échelle
 croissance rapide

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Challenges de l’IoT mobile
 Hétérogénéité
 Nombre
 Environnement sévère
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Fonctions de l’IoT
 Identification (nommage) et « adressabilité »
 Acquisition d’informations
 Actions (rarement)
 Traitement local (rare) ou déporté
 Mémorisation locale (rare) ou externalisée
 Communication
 Localisation
 Visualisation
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Fonctions de l’IoT (résumé)
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Les fonctions de l’IoT
 Identification
 UOID (Unique Object Identifier)
 rôle crucial !
 correspondance entre l’objet et les services
 à distinguer de l’adresse IP
 « Adressabilité »
 par découverte
 service de nommage

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Les fonctions de l’IoT
 Acquisition d’informations
 par capteur
 simple : température, lumière, pression, fumée, énergie, etc.
 complexe : inertiels, magnétomètre, GPS (localisation),
biométrique, etc.
 traitement local éventuel
 sortie de l’information
 numérique
 analogique
 chaîne de traitement analogique
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Les fonctions de l’IoT
 Actions
 actionneur
 nécessité d’une interface de puissance
 affichage
 pour l’Interface Homme-Machine (IHM)
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Les fonctions de l’IoT
 Traitement
 puissance de calcul variable (8, 16 ou 32 bits),
voir adaptable (un à plusieurs cœurs activables)
 MPU, MCU, SOC (System On Chip) et FPGA
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Besoins matériels
 Mémorisation
 rapidité de la RAM
 non volatilité de la ROM
  mémoires émergeantes
 mémoire flash
 FeRAM (FerroElectric RAM)
 MRAM (Magnetic RAM)
 PCM (Phase-Change Memory)

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Besoins matériels
 Connectivité hétérogène
 sur des infrastructures réseau classiques ou spécialisées
 filaire et sans fil
 courte ou longue distance
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Technologies de communication
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Connectivité hétérogène
 Exemples
 ethernet filaire ou Wi-Fi (variante : Wi-Fi Direct)
 WPAN (Wireless Personal Area Network)
 Bluetooth (IEEE 802.15.1) et Bluetooth Low Energy
(BLE)
 Ultra Large Bande (UWB, IEEE 802.15.3)
 NFC (Near Field Communication)
 connexion sans fil bidirectionnelle à courte distance
 extension de la norme ISO/CEI 14443 (RFID), standard ISO/IEC
18092
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Connectivité hétérogène
 Exemples
 technologies RFID (Radio Frequency IDentification)
 étiquette
 domotique
 Z-Wave, ZigBee (IEEE 802.15.4), etc.
 LTE (Long-Term Evolution) et LTE-A (Advanced)
 communication mobile ou modem téléphonique sur réseau
GSM/UMTS

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Besoins matériels
 Sécurité
 identification
 (dé)chiffrement (cryptographie)
 puces dédiées ou fonctions dans l’ISA
 Autonomie énergétique
 gestionnaire d’énergie
 source d’énergie pour 5 à 20 ans d’utilisation
 batterie, pile, panneau solaire, etc.
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Contraintes techniques contradictoires
 Puissance de calcul
 Consommation électrique
 Débit et distance de communication
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Les acteurs
 Industriels de l’électronique :
 Microchip (Atmel), Intel, Semtech, Texas Instruments, etc.
 Industriels de l’internet et de l’informatique :
 Amazon, Google, IBM, Microsoft, etc.
 Opérateurs de télécommunications privés :
 Sigfox, Objenious (bouygues Telecom), Orange, etc.
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Inventaire « à la Prévert » pour le prototypage
 Des nano-ordinateurs à bas coût
 Arduino (AVR)
 Raspberry Pi (SoC ARM)
 BeagleBone (TI)
 Mbed
 etc.
 Mais pas pour le même usage

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Éco-système ARM
 BeagleBone Black (TI)
 Mbed
 UDOO
 FriendlyARM
 Cubieboard
 Etc.
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Plus spécialisés « IoT »
 Microsoft (abandon !)
 .NET Gadgeteer (remplacé par SITCore)
 Sharks Cove (obsolète)
 Cartes spécialisées IoT
 Weio, WiSense, Mulle, T-Mote Sky
 Domotique : SmartThings,
 Capteurs : Phidgets,
 etc.
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Pourquoi l’IoT apparait aujourd’hui ?
 Convergence de technologies matures
 de calcul
 de capteurs
 MEMS
(MicroElectroMechanical System)
 intelligents
 de communication
 logicielles
 Coût bas du matériel
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Cycle de l’intérêt (hype cycle)
[Gartner 17]

11. IUT de Paris – Rives de Seine / LIP6
En 2020
Philippe Darche 41 IUT de Paris – Rives de Seine / LIP6
Philippe Darche 42
Amélioration des technologies
 Domaine énergétique
 minimisation de la consommation électrique du CPU
 la formule magique :
PD = α × C × V2 × f
 action sur l’horloge (clock gating) ou baisse de la fréquence
 action sur la tension d’alimentation
 mise en veille de sous-ensembles électroniques
 optimisation logicielle
 pile de communication
 couche applicative
ISSCC 2015
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Amélioration des technologies
 Domaine énergétique (suite)
 consommation typique 6 mA en activité,
100 nA en veille pour un MCU
 efficacité énergétique de + en +
ISSCC 2015
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Philippe Darche 44
Conclusion
 Les objets connectés utilisent les technologies de l’embarqué
 Technologies matérielles matures et peu chères
 Une évolution (une adaptation ?) du matériel
 progrès à faire : miniaturisation des composants :
 antenne, capteurs, actionneurs, source d’alimentation, etc.
 Une révolution dans les applications et les usages
 (I)IoT = un énorme potentiel technique et économique
 Il faut s’y lancer maintenant !

12. IUT de Paris – Rives de Seine / LIP6
Philippe Darche 45
Discussion
 Des questions ?