Technologies pour tenir la promesse de l'IoT

L'accessibilité d'Internet au grand public, il y a 20 ans de cela, a permis l'apparition d'une nouvelle gamme d'entreprises et de méthodes de travail. De ce fait, cela a permis de rompre avec les modèles de commerces physiques traditionnels. On s'attend à ce que l'Internet des objets (IoT) aille encore plus loin en mettant les actifs physiques en ligne. Les commerces physiques traditionnels eux-mêmes risquent d'en ressentir les conséquences, avec l'intégration de capteurs dans les bâtiments afin de surveiller leur état.

Grâce à l'application de l'intelligence informatique distribuée au monde physique, l'IoT permet de porter un nouveau regard sur les modèles d'activités traditionnels. Les entreprises peuvent alors se poser la question suivante : quels sont les véritables besoins des clients et que faire pour répondre à ces attentes ? Nous avons déjà observé ces transformations en action dans le domaine des réacteurs pour avions. Les principaux fournisseurs ont été parmi les premiers à adopter le modèle de l'IoT. Ils ont utilisé les réseaux de communications pour prendre en charge non seulement la maintenance de leurs produits, mais également la façon dont les compagnies aériennes les achètent.

Ce modèle aligne les motivations de la compagnie aérienne et celles du fabricant de réacteurs en mettant l'accent sur les points les plus importants pour une exploitation rentable dans le domaine du transport aérien : réduire les temps d'arrêt au sol pour permettre aux avions de desservir le maximum de destinations. Les capteurs dans les réacteurs fournissent des mises à jour en temps réel qui sont associées à des données plus détaillées concernant l'état de l'avion, obtenues lorsque l'avion est au sol, à la porte d'embarquement. Les informations obtenues fournissent au fabricant de réacteurs une visibilité à jour concernant l'état du réacteur. Il peut ainsi programmer un entretien en atelier au moment le plus opportun par rapport aux plans de vol.

Le modèle d'activité des réacteurs d'avion est conçu pour encourager le fabricant de réacteurs à faire voler les avions le plus possible. De ce fait, au lieu d'acheter un réacteur, la compagnie aérienne loue en réalité la capacité à maintenir sa flotte dans les airs. Des capteurs et des communications à l'échelle mondiale permettent au fabricant de fournir des produits conformes à son modèle d'activité.

Les mêmes principes peuvent être appliqués à de nombreux autres marchés. Par exemple, les constructeurs automobiles peuvent passer du rôle traditionnel de fournisseur de produits à celui de fournisseur de solutions de transport fiables. D'autres fournisseurs de la chaîne de valeur dans le secteur automobile peuvent également avoir un rôle à jouer. Au lieu de vendre des pneus aux conducteurs à des intervalles irréguliers, les fabricants peuvent utiliser un modèle de leasing amélioré grâce à l'utilisation de capteurs, dont certains sont déjà installés dans les pneus.

Figure 1 : Schéma d'exemple d'application avec le capteur de surveillance de la pression des pneus FXTH87 de NXP Semiconductor (Source : NXP).

En associant le système de surveillance de la pression des pneus à l'IoT et avec des données de conduite, des applications dans le cloud peuvent informer le conducteur des endroits et des moments opportuns pour s'arrêter à une station-service afin de regonfler les pneus. Par ailleurs, si les données de conduite indiquent une utilisation intense, le conducteur peut vérifier la bande de roulement et l'état des pneus. Lorsque l'usure devient critique et que les pneus doivent être changés, le conducteur peut se présenter dans un centre spécialisé lorsqu'il le souhaite, au lieu d'attendre l'entretien annuel. Grâce à cette approche, le client bénéficie d'une valeur supérieure et le fabricant de pneus profite de meilleures prévisions concernant les sources de revenus.

Dans le domaine de l'assurance, la transformation peut être plus importante. Plutôt que de voir les assureurs utiliser des informations actuarielles pour simplifier l'estimation des risques lors de la mise en place de la police d'assurance, les fournisseurs peuvent jouer un rôle plus actif dans la réduction des risques et des coûts globaux. Ils peuvent ainsi générer davantage de valeur pour eux-mêmes et pour leurs clients. Par exemple, l'un des coûts les plus importants en matière d'assurance habitation concerne le nettoyage et le remplacement des biens en cas d'inondation de la propriété provoquée par l'explosion d'une canalisation. Plus on tarde à traiter l'explosion de la canalisation, plus le coût est élevé. Les propriétés inoccupées peuvent ainsi engendrer des coûts de nettoyage élevés.

Si des capteurs dans la maison détectent de l'eau qui indique le début d'une inondation, une vanne automatisée peut couper l'eau au niveau de l'alimentation principale et ainsi réduire de façon considérable le risque de dommages. Des capteurs peuvent détecter d'autres problèmes de sorte que l'assureur puisse fournir des services permettant de les traiter avant qu'ils ne deviennent trop coûteux. Sous cet angle, le rôle de l'assureur se transforme en une garantie.

Il existe de nombreuses technologies qui permettent aux entreprises de tirer le meilleur parti de l'IoT. Comme dans les exemples mentionnés ci-dessus, les capteurs et la communication représentent deux technologies essentielles. Cependant, il est important de prendre en compte l'infrastructure sur laquelle repose le système dans son ensemble.

Dans la plupart des applications de type IoT existantes, le rôle de l'infrastructure de communication s'apparente davantage à celui d'un réseau Intranet. Les capteurs sont mis en place par les fabricants et les réseaux sont bien souvent administrés par eux aussi, même s'ils peuvent utiliser la capacité d'une infrastructure de communication existante, comme un réseau cellulaire. L'IoT fournit une valeur maximum grâce à l'utilisation de données et de réseaux provenant de plusieurs fournisseurs pour créer une seule application.

Par exemple, les capteurs d'eau peuvent être installés par le propriétaire ; la vanne automatisée, par la compagnie des eaux. L'élément clé de la coordination de leurs actions repose sur le logiciel développé par l'assureur, qui peut être exécuté à divers emplacements. Les principaux algorithmes qui permettent de déterminer si les mesures d'eau indiquent une inondation sont souvent exécutés sur des serveurs dans le cloud. Ces serveurs peuvent appartenir à l'assureur ou être loués par un fournisseur, comme Amazon Web Services ou le service Azure de Microsoft.

Pour garantir une réponse en temps réel, une partie de l'application peut être exécutée dans une passerelle IoT beaucoup plus proche des capteurs et des actionneurs. Cette passerelle représente l'un des plus gros changements à apporter à l'architecture informatique pour tirer le meilleur parti de l'IoT.

À un certain niveau, une passerelle IoT exécute les mêmes fonctions qu'un routeur situé dans une maison, un bureau ou une cellule industrielle. Elle recueille les données provenant de plusieurs nœuds de capteurs, transmet les commandes aux actionneurs et envoie les informations vers le cloud. Les connexions entre la passerelle et les divers nœuds IoT forment une partie de la couche « fog » (brouillard), ce qui les distingue des connexions Internet à plus grande échelle dans le cloud.

Transformer les conceptions de passerelles en systèmes hôtes pour les applications IoT est une possibilité. Une architecture virtualisée basée sur un hyperviseur permet de séparer les principales fonctions de routage et d'administration du réseau des applications téléchargeables, qui peuvent être fournies par divers prestataires de services et fournisseurs d'équipements. Le groupe Prpl a présenté cette architecture et développé un hyperviseur permettant sa prise en charge, dans un format open-source. Les fabricants pourront ainsi mettre en œuvre plus facilement les principales fonctions d'une passerelle IoT et les concepteurs d'applications pourront créer plus facilement des logiciels qui seront exécutés sur ces passerelles.

En ce qui concerne le réseau fog, les intégrateurs et les développeurs ont à leur disposition de nombreuses options qui varient considérablement en termes de portée, de débit de données et d'autres capacités. La diversité de l'IoT signifie qu'il n'y a pas de solution unique.

Cette diversité est même prise en compte dans le domaine naissant de l'agriculture intelligente. Certains modèles sont réalisés dans des friches industrielles relativement petites, où les cultures sont cultivées sous serre. Bien que l'environnement de serre simplifie relativement le contrôle de l'irrigation des plantes, la réalisation sous enclos de ce type d'agriculture a tendance à provoquer une propagation rapide des maladies.

L'agriculture traditionnelle réalisée dans les champs, quant à elle, connaît d'autres difficultés. Les maladies et les infestations parasitaires restent des problèmes, mais l'élément clé de la croissance des cultures sans gaspillage d'eau réside dans la surveillance des effets de l'irrigation au niveau du sol. En surveillant les niveaux d'humidité du sol, les capteurs peuvent informer des applications qui commandent une irrigation hautement contrôlée. L'irrigation est ainsi activée uniquement lorsque le niveau d'humidité est trop bas dans une zone particulière du champ. D'autres zones du champ ne sont pas arrosées afin d'éviter une irrigation excessive. Ces types de technique sont déjà appliqués dans des zones arides, comme la Californie, qui a subi des cas de sécheresse au cours des dernières années.

Dans l'environnement sous serre, les données concernant le sol peuvent être importantes. Cependant, comme il est possible de recycler l'eau, la conservation n'est pas aussi importante. Au lieu de cela, un moyen de croissance hydroponique peut être utilisé, avec un autre type de capteur permettant de surveiller les débits afin de maintenir une bonne répartition des nutriments. Pour surveiller les cas de maladies, des drones peuvent être utilisés pour inspecter les cultures qui ont besoin d'un traitement urgent ou qui doivent être retirées d'urgence pour ne pas infecter le reste des cultures.

Les besoins en matière de communication entre ces deux formes d'agriculture peuvent être très différents. Une communication à bande passante élevée est plus importante dans l'environnement sous serre pour une meilleure détermination des symptômes des maladies à l'aide d'applications basées sur une passerelle ou sur le cloud. Toutefois, l'environnement localisé permet l'utilisation de protocoles à bande passante plus élevée et à courte portée, comme les technologies Bluetooth ou Wi-Fi. L'environnement à l'air libre de l'agriculteur traditionnel est moins adapté aux réseaux fog à portée limitée. D'autres options peuvent néanmoins être déployées, comme le réseau LoRaWan ou cellulaire.

Bien que la technologie Bluetooth ait été essentiellement conçue en tant que réseau personnel pour des dispositifs qui communiquent avec des téléphones portables, son application s'est considérablement élargie grâce à une série d'améliorations apportées au protocole ; et ce n'est qu'un début. Le groupe Bluetooth Special Interest Group (SIG) est actuellement en train de développer une modification qui permettra de multiplier la portée de transmission normale actuelle de 100 mètres par quatre. L'extension de la portée réduit le débit, mais le protocole présente des capacités d'adaptation permettant aux nœuds plus proches d'utiliser des vitesses de transmission plus élevées. Grâce à cette modification, une augmentation des débits de données de 2 Mbit/s pourra être observée au niveau des dispositifs qui sont à proximité les uns des autres.

L'ajout de la prise en charge du maillage de réseau constitue un autre changement qui aligne le réseau Bluetooth aux autres réseaux utilisant l'IoT, comme les réseaux 6LowPAN et Zigbee. La spécification IEEE 802.15.4 pour la communication sans fil sur laquelle les réseaux 6LowPAN et Zigbee sont basés a été conçue pour prendre en charge le maillage de réseau, qui peut être utilisé pour étendre la portée effective et la résilience de ces types de protocoles de réseau fog.

Avec le maillage de réseau, les paquets de données peuvent parcourir une grande distance en utilisant une communication à courte portée. Cela est possible lorsqu'un paquet de données peut « sauter » d'un nœud à un autre entre l'origine et la destination. La technique du maillage permet d'améliorer la résilience, car en cas de défaillance d'un nœud, il y en a souvent un autre qui peut être utilisé pour transmettre les données. La technique du maillage permet de placer des capteurs dans des endroits difficiles d'accès (dans le toit de la serre, par exemple) même s'ils se trouvent en dehors de la portée directe du nœud de passerelle IoT.

Les révisions apportées à la technologie Bluetooth tiennent également compte de la nature hétérogène de l'IoT en faisant en sorte que les nœuds de capteurs prenant en charge le protocole puissent interagir avec les dispositifs 6LowPAN. Bien que plus récent que Zigbee, 6LowPAN deviendra probablement plus répandu dans les installations IoT, grâce à son adoption par le groupe du protocole Thread. Le protocole Thread ajoute des fonctionnalités à 6LowPAN, comme l'authentification et le cryptage, afin d'améliorer la sécurité globale.

Les protocoles comme 6LowPAN fonctionnent non seulement dans la bande de 2,4 GHz utilisée par Bluetooth et Wi-Fi, mais également dans les bandes sans licence inférieures au gigahertz, comme la bande 868 MHz. Cette plage de fréquences plus basses prend en charge des débits de données relativement faibles, grâce à l'utilisation des transmissions en bande étroite. Toutefois, la plage a tendance à augmenter avec une faible incidence sur la consommation énergétique. De ce fait, le fonctionnement à des fréquences inférieures au gigahertz est adapté au déploiement de nœuds de capteurs sans fil dans des cas où le maillage de réseau est moins adapté, mais où une transmission à plus grande distance est nécessaire. Citons par exemple les capteurs déployés sur des tronçons de route, avec des passerelles espacées à intervalles réguliers pour transmettre des messages vers et depuis le cloud.

En optant pour un protocole comme LoRaWan ou SIGFOX, une passerelle unique peut rester en communication avec de nombreux capteurs, qui peuvent être répartis dans la campagne à une distance d'un kilomètre ou plus.

Figure 2 : Schéma fonctionnel du SX1272/73 de Semtech, un émetteur-récepteur basse consommation et longue portée de 860 MHz à 1020 MHz.

Le protocole LoRaWan a été développé par Semtech qui, en collaboration avec Microchip Technology et STMicroelectronics, fournit des émetteurs-récepteurs compatibles. La disponibilité immédiate de silicium fournit une option pour les intégrateurs et les développeurs d'applications IoT par rapport à la nature du réseau fog. Ils peuvent déployer leur propre matériel de passerelle ou utiliser des réseaux publics, à la fois publics et privés. Actuellement, les réseaux LoRaWan commerciaux peuvent non seulement être déployés, mais des bénévoles sont en train de déployer leurs propres offres gratuites. Citons par exemple la ville d'Amsterdam, aux Pays-Bas, dont la couverture est presque totalement assurée par onze passerelles seulement, déployées par des membres de l'organisation The Things Network.

La plupart des émetteurs-récepteurs développés pour la communication 868 MHz et pour les bandes similaires peuvent utiliser le protocole SIGFOX. Cela est prévu essentiellement pour une communication unidirectionnelle à faibles débits de données vers des nœuds de passerelle installés par l'entreprise qui a développé le protocole.

Une autre option pour une communication plus longue distance consiste à utiliser les réseaux cellulaires 3G et 4G. Le groupe de normalisation 3GPP a déjà développé une version du protocole 4G LTE pour les applications IoT et travaille actuellement sur une autre version, Narrowband-IoT, qui vise à réduire la complexité et la consommation énergétique.

Du fait de ces développements dans le domaine de l'infrastructure de communications, de nombreux moyens peuvent être utilisés pour connecter les dispositifs IoT au fog et au cloud. L'élément clé consiste à relier ces systèmes disparates entre eux, et c'est à ce stade que les normes en matière de logiciel et de données prennent toute leur importance.

Les protocoles tels que le Constrained Applications Protocol (CoAP) permettent d'étendre les avantages des normes Internet comme le protocole HTTP (HyperText Transfer Protocol) aux nœuds de capteurs à l'aide du réseau fog. CoAP fournit un accès à HTTP dans un format qui est bien adapté aux microcontrôleurs présentant une mémoire et des ressources de traitement limitées. Le protocole CoAP prend en charge le même modèle de programmation REpresentational State Transfer (REST) qui est devenu la norme en matière de développement d'applications basées Web. Toutefois, il utilise un format binaire au lieu d'un format textuel, qui est plus compact que le protocole HTTP traditionnel, ce qui permet de l'adapter à des connexions à faibles débits de données.

Figure 3 : Fonctionnalité de qualité de service (QoS) MQTT (Source MQTT - A practical protocol for the Internet of Things : IBM MessageSight Solutions)

D'autres protocoles, comme MQ Telemetry Transport (MQTT), prennent en charge une architecture d'application alternative. MQTT prend en charge un modèle de type publication-souscription, contrairement à l'architecture client-serveur du protocole CoAP. L'architecture de type publication-souscription est une architecture adaptée à l'IoT du fait qu'elle fournit des données provenant de nœuds de capteurs individuels issus de différentes applications sans demander un accès direct aux nœuds pour chaque application. Cela réduit la demande au niveau du réseau fog et permet une plus grande évolutivité. Les protocoles CoAP et MQTT ne s'excluent pas mutuellement. Les passerelles peuvent recueillir des données à l'aide du protocole CoAP, puis fournir un accès à d'autres applications à l'aide du protocole MQTT ou d'autres protocoles qui peuvent émerger.

L'essentiel est que l'architecture qui est déjà déployée puisse prendre en charge l'interopérabilité et, grâce à cela, tenir l'une des grandes promesses de l'IoT : des applications rentables et innovantes peuvent être développées rapidement sans nécessiter à chaque fois un investissement dans l'infrastructure.

Par exemple, en déployant des drones et d'autres capteurs pour surveiller les cultures, les agriculteurs ont pu ajuster leurs décisions de récolte en fonction des données du marché et de l'état du transport. Une application cloud qui permet de suivre la demande d'un aliment donné peut amener les systèmes agricoles à accélérer la récolte pour répondre à l'augmentation de ce besoin. Une autre application peut commander un système de récolte sur la base du « juste à temps » pour garantir la fraîcheur maximale des produits. La récolte du jour commence seulement lorsqu'un camion se trouve dans les environs de la ferme : les récoltes sont prêtes à son arrivée grâce à l'utilisation d'un logiciel de prévision qui exploite des données issues des drones pour déterminer la quantité de récolte prête pour le ramassage.

Il n'est pas nécessaire d'ajouter des capteurs sur les camions pour déterminer leur position et leur heure d'arrivée probable : ils sont déjà en place. La seule exigence est que les données soient disponibles pour l'application, ce qui peut être mis en place à l'aide de protocoles comme CoAP et MQTT.

L'IoT englobe les communications, les technologies de capteur, la veille basée sur le cloud et les protocoles logiciels open-source. L'IoT ouvre un nouveau monde de fonctionnalités reposant sur des modèles d'activités qui seraient inconcevables sans la combinaison de ces technologies.