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| 2
Noël approche : pensez aux objets connectés
L'invasion est en marche
• Multimédia domestique
• Sport / santé / quantify self
• Domotique / automatisation
• Surveillance
• Jeux / jouets
Architecture classique : connexion à une application
smartphone et/ou à un stockage distant (cloud)
Systèmes personnalisés de
plus en plus accessibles
• Stocakge réseau (NAS)
• Arduino
• Raspberry Pi
Mother (Sen.se)
Flex (Fitbit)
AR Drone (parrot)
Aura (Withings)
Santa GPS
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Smart everything
À large échelle, les objets connectés permettent une supervision fine
et une optimisation du fonctionnement des grandes structures
Usine intelligente (smart factory)
• Au delà de l'automatisation
• Auto-optimisation des processus
• Connexion aux fournisseurs, clients,...
• Systèmes cyber-physiques
• Gestion des stocks, flottes de véhicule, ...
Ville intelligente (smart cities)
• Surveillance environnementale
• Optimisation de la circulation, du
stationnement
• Transports publics, mutlimodalité
• Énergie (éclairage, véhicules électriques,
...)
Habitat intelligent (Smart Home)
• Automatisation de confort
• Meilleure performance énergétique
• Sécurité & sûreté de l'habitat
• Gestion du handicap
Systèmes électriques (Smart Grids)
• Équilibrage fin de la production et de la
consommation
• Intégration souple de la micro-production
• Gestion de la production intermittente
(énergies renouvelables)
• Réduction des pertes en ligne
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Au delà de l'application : des scénarios semblables
Information de l'usager, de l'opérateur, ...
• Information temps réel
• Information fiable et vérifiée
• Contrôle d'accès éventuel
Autonomie relative des éléments terminaux
• Pilotage global (définition de politiques)
• Collaboration entre équipements parfois hétérogènes
Réactivité face au changement de contexte
• Détection dynamique des conditions de fonctionnement
• Adaptation du comportement local en accord avec la politique globale
Collecte d'informations d'usage
• Statistiques, benchmarking, ...
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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En termes techniques
Masse de données
• Traitement statistique de l'information
• Stockage de l'information
Interface homme-machine
• Sorties : Visualisation
• Entrées : spécification de politiques / comportements
Communication
• Performance, fiabilité, sécurité, ...
Informatique distribuée et autonomique
• Auto-configuration, auto-réparation, auto-optimisation, etc.
• Gestion de l'hétérogénéité (matériel, OS, protocoles, ...)
• Traduction des politiques globales au niveau local
• Combinaison de politiques (usager vs. opérateur)
Confiance
• Du gestionnaire de l'infrastructure
• Des usagers du service (adoption)
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Travaux du laboratoire SEIDO (hors sécurité)
Veille technologique : efforts de
standardisation
• Technologies de communication
• Intergiciels
• Gestion de l'énergie
Définition d'architectures de
systèmes
• Autour de la problématique de
l'optimisation énergétique
• Smart home, véhicule électrique
Modélisation et évaluation de performances
• Réseau de communication
• Application (flexibilité énergétique) Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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SEIDO – Internet des Objets en pratique
Des ingénieurs/chercheurs et enseignants/chercheurs et
doctorants
Financement de plusieurs stages, post-doctorants
Financement de deux thèses CIFRE
• Rayhana Baghli
• José Horta
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Modélisation de
systèmes complexes
Application à l’IdO et
au SEI
Rayhana Baghli
Élie Najm
Bruno Traverson
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Modélisation de systèmes complexes – Application à l’IdO
et au SEI
• Organisation
• Doctorant : Rayhana Baghli
• Encadrants : Elie Najm, Bruno Traverson
• Début de thèse : 17 mars 2014
• Objectifs
• Définir une architecture de composition de services adaptée aux contraintes de l’Internet des Objets.
• Permettre à l’habitant d’une Smarthome de décrire sa stratégie de consommation électrique et la traduire en composition de services exécutables par des smart objects.
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 10
Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 12
L’état actuel de l’Internet des objets
- Multitude de données pour l’utilisateur
- Pas d’interopérabilité entre les objets
- Quid de la composition de services pour des services plus
riches
Comment mettre en place
une stratégie de
consommation électrique?
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 13
Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 14
Objectifs
Je veux élaborer une stratégie de consommation électrique
Ok !
- Définir une architecture de
composition de services adaptée aux
contraintes de l’IdO
-Permettre à l’habitant de décrire sa
stratégie de consommation électrique
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Proposition Interopérabilité des objets
REST (Representation State Transfer)
Publish/subscribe
ETSI M2M
Linked Data Linked Services
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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REST (Representation State Transfer)
Identification des ressources
• Chaque ressource est adressable par une adresse unique.
Interface uniforme (GET, PUT, POST, DELETE)
• Quelque soit la ressource sur le web, elle sera interrogée en utilisant 4
verbes.
HATEOAS (Hypermedia As The Engine Of Application
State)
• Il est possible de naviguer entre les ressources en suivant les liens qui se
trouvent au niveau de ses dernières.
Interactions sans état
• l’état de l’application détenu par le client.
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Publish/subscribe
S’abonner à une ressource et être informé par une alerte
chaque fois qu’elle change d’état.
Subscribe (temp)
Publish (temp1)
Publish (temp2)
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 19
ETSI M2M
•REST (Adressabilité, connectivité,
interactions sans état, Interface
uniforme)
•Publish / Subcribe
•SCL (Service Capabilities Layer)
Couche indépendante de la
technologie réseau et de la
couche application.
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Linked Data (Web des Données)
Accessibilité aux personnes.
Accessibilité aux machines : Utiliser les standards (RDF*,
SPARQL) pour exposer les informations utiles.
Inclure dans les représentations des liens sémantiques
vers d'autres données.
Linked Services
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Sommaire
Etat de l’art : émergence des objets intelligents
Objectifs de la thèse
Premières pistes de recherche
Perspectives
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Perspectives
Définir une architecture de composition de services adaptée aux
contraintes de l’IdO.
Permettre à l’habitant de décrire sa stratégie de consommation.
Traduire une approche déclarative (objectifs de l’utilisateur) vers une
approche impérative (composition de services entre objets
intelligents).
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 24
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture (Functional viewpoint)
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway
and device level
Relevant Communication protocols
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 25
Motivation
Thesis Focus:
• End to end ICT architecture for Demand Side Management services
based on the IoT paradigm
Why focus on residential Demand Response?
• Industrial/commercial DR is already mature
• Unexploited Flexibility potential in Residential DR •Advanced Metering Infrastructure
• Increasing connectivity of devices (visibility and fine grained control)
•Distributed micro generation and storage
•French Market is adapting to accommodate residential Demand Response
We need to understand Smart Home Services and
supporting technologies
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 26
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway
and device level
Relevant Communication protocols
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Consumer Objectives
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Smart Home Service Goals
• Enhance comfort & ease of life
• Improve efficiency and reduce costs on
resource usage
• Healthcare & wellbeing
• Safety & Security of people and goods
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Means towards SHS goals
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
HMI
Intelligence Feedback Remote Control
Automated Control
UI/UX Enhancements
Auto Device/Service
Management
Ubiquitous
access
Environment
Actuator
Sensor
Beacon
Data Source
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Internet of Things contribution
Progressive merge between real and digital worlds
Things become connected and communicate with
information systems, with each other, and with people.
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
IoT should provide the technology needed to implement SHS means IoT should provide the technology needed to implement SHS means
| 30
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Relevant Communication protocols
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway
and device level
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 31
Gateway
Data &
Intelligence
(Core)
Gateway
Data &
Intelligence
(Core)
Gateway
Data &
Intelligence
(Core)
Lack of interoperability is hindering value creation Lack of interoperability is hindering value creation
• Dribble force
• Shot angle
• Speed
• Elevation • Heart rate
• Lung capacity
Strong coupling between
devices and applications
Strong coupling between
devices and applications
Barriers to collaborations
and innovation
Barriers to collaborations
and innovation
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 32
T T
Core Core Core
Complexity for
the user
Complexity for
the user
T T T T T
Complex for
Developers to
mashup
services
Complex for
Developers to
mashup
services
Security &
Privacy Issues
Security &
Privacy Issues
Open API Open API Open API
Centralization of
Data &
Intelligence
Centralization of
Data &
Intelligence
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Gateway
Gateway
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Principles for sustainable SHS
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Reduce
complexity for
customers
Reduce
complexity for
customers
Reduce
complexity for
developers
Reduce
complexity for
developers
Security & Privacy
by design
Security & Privacy
by design
Optimize
distribution of data
& intelligence
Optimize
distribution of data
& intelligence
Interoperability Interoperability
T
Core Core
T T T
Gateway
Gateway
| 34
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture (Functional Viewpoint)
Relevant Communication protocols
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway
and device level
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 35
ARCHITECTURE - Functional viewpoint
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
HAN Protocols
Device Deployment & Pairing
Device Connectivity
Safety, Security & Privacy
Service Advertisement / Registration
Service Lookup & Discovery
Publish/subscribe & Request/Response
EMG
DEM
CEM
UI
SM Internal
SMG
External
SMG DCM
HAN
Protocols
DCM : Device Context Manager
DEM : Device Energy Manager
CEM : Device Energy Manager HAN Gateway
SM : Smart Metering
EMG : Energy
Management Gateway
UI : User Interface
| 36
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway
and device level
Relevant Communication protocols
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 37
Current Interoperability approaches
At the core
• Common organization of APIs : HyperCat
• Cloud-based Platforms
Interoperable Gateways
• Dedicated Gateways
• Mobile personal devices
Peer to peer interoperability
• Alljoyn framework (middleware)
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
LEVEL
GW
T
GW
T
Core
| 38
Interoperability among data hubs?
Consortium of more than 40 companies and universities: ARM, IBM, INTEL,
EDF ENERGY, Cambridge, UCL, etc.
1 - Common organization of APIs:
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
/customer/home/room/temp
/users/hubs/devices/temperature
hasPowerWatts “thingA”
hasDescription
“thingB” hasDescription
hasTemperatureC “thingC”
hasDescription
hasLatitude
hasLongitude “45,20”
“24”
“-73.24”
“24”
/cat
/resourceA
/resourceB
/resourceC
LEVEL
GW
T
Core
| 39
Ease cloud-level interoperability?
2 – Common semantics:
Uniform ontology among domains
Basic search mechanism based on simple URL queries
Services still need to agree on semantics
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Sharing metadata annotations in multiple
catalogues creates points of interoperability
LEVEL
GW
T
Too hard to achieve
Difference in domain ontologies makes sense
+
Core
| 40
• Easier for different data clusters to collaborate with each other
• Condition: previously agree on common domain-specific ontologies
• Data & intelligence remain centralized
• Developers don’t need to learn every API documentation
• Search for interoperable data services can be automated
• Has little impact in consumer complexity
• Provide the primitives for key-based authentication
• Security & Privacy depend on each service provider
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
LEVEL
GW
T
Core
Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers
Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers
Security & Privacy by design Security & Privacy by design
Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence
Interoperability Interoperability
| 41
Cloud-based platforms
Platforms providing
• Unified access to heterogeneous APIs
• Abstraction of complexity to users and
developers
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Platforms providing
• Common set of APIs
• Centralized cloud repository
• Structured resources (semantics)
• Works With NEST
• Google Fit
• IFTTT
• Temboo
• Wink
• Shortcut
• ThingWorks
• SmartThings
LEVEL
GW
T
Core
Core Core Core
Core Core
Core Core Core
| 42
Interoperability based on cloud platform
•This creates ecosystems where data and services are easily shared
•Centralized on each service provider’s premises or in a centralized cloud repository
•Reduced set of APIs, common semantics and a common data repository
•Tools and frameworks further help developers to focus on value creation (Temboo)
•Consumers have access to different services from a unique interface (Wink,
Shortcut)
•In the case of IFTTT, users need to fix the rules for each automated action
•Centralization of data pose privacy issues
•Depends on the platform
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
LEVEL
GW
T
Core
Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers
Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers
Security & Privacy by design Security & Privacy by design
Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence
Interoperability Interoperability
| 43
Interoperable Gateways
Uniform APIs for applications to interact
with heterogeneous devices
Based on a unique representation of
devices and their capabilities
Discovery of devices and services
Data storage functionality
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Mobile gateway examples
• Apple’s HomeKit
• Apple’s HealthKit
T T
App 1 App 2 App 3
Abstraction Layer Abstraction Layer
LEVEL
GW
T
Core
Core Core Core
Dedicated Gateway/hubs examples:
• IoTSyS – Academic project
• EEBUS + AGORA + Energy@Home
• OSGI Device Abstraction Layer
• HGI - Smart Home Device Template
| 44
HomeKit
Open API allowing third-party apps to: • Discover accessories
• Display, edit, and act upon the data in the home configuration database.
• Communicate with accessories and services to get them to perform actions
Data structured as a hierarchical collection of home automation accessories: • Homes(HMHome), Rooms(HMRooms), Accessories(HMAccessory), etc
Siri compatibility: “Siri, turn on the lights on the living room”
Security & Privacy: • Data is encrypted while stored on iOS device
• Encrypted data backups and sync through iCloud (keys available only on user’s device)
• HomeKit API can only be accessed by applications on the foreground by privacy issues
• Applications are not allowed to use data for advertising
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
LEVEL
GW
T
Core
| 45
Interoperable Gateways
• Ecosystems where data and services are easily shared
• Data can remain on customer premises
• Applications can interoperate locally and control devices from a central point
• Reduced set of APIs, common semantics and a common data repository
• Tools and frameworks further help developers to focus on value creation
• Consumers have access to different services from a unique interface (HomeKit)
• Data remaining on customer premises may improve customer trust
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
LEVEL
GW
T
Core
Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers
Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers
Security & Privacy by design Security & Privacy by design
Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence
Interoperability Interoperability
| 46
Alljoyn Middleware
A platform-neutral application development framework
• Proximity networking across heterogeneous devices and distributed applications
• Radio-link agnostic transport mechanism (WiFi, Wifi Direct, PLC, Ethernet, BLE)
• emphasis on mobility, security and dynamic configuration.
Based on an extension of the Linux D-Bus specification (Data type system, marshaling
format, naming guidelines, over-the-wire protocol, etc.)
Developed by Qualcomm Innovation Center in 2011 as open source and contributed to
the Linux Foundation.
Linux Foundation created the Allseen alliance in December 2013 to leverage and
extend the technology. Members such as: Microsoft, Sony, Panasonic, LG, Haier,
Technicolor, Sharp, Electrolux, etc.
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
LEVEL
GW
T
Core
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Alljoyn Middleware
• Peer to peer interoperability – Across heterogeneous applications and devices
• Data can remain on customer premises
• Applications can interoperate locally and control devices in a distributed fashion
• Application development framework: •Platform–neutral
•Supports multiple programming languages
•Radio-link agnostic
• How to orchestrate transactions among applications and devices?
• The framework provides primitives for securing communications at the
application layer
• Data remaining on customer premises may improve customer trust Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
LEVEL
Core
Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers
Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers
Security & Privacy by design Security & Privacy by design
Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence
Interoperability Interoperability
| 49
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway
and device level
Relevant Communication protocols
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 50
Interface with personal devices
Central role of smart phones, wearables and tablets in the smart home
domain
Impose communication protocols: WiFi, WiFi Direct, BLE and NFC
Particularly to interact with Apple’ ecosystem manufacturers needs to
implement specific proprietary protocols, e.g.: Security and pairing.
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
iOS8 protocol stack for HomeKit interaction NFC Modes and protocols
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Interface with Beacon technology
Beacons communicate metadata allowing services related to proximity
or geographical location, or identification such as access control.
Beacon technology can be implemented by active RFID tags or by
BLE proximity profile-based technologies
Most relevant beacon technologies are (BLE presence on mobile
industry):
• iBeacon: Apple specification of the BLE proximity profile
• AltBeacon is a platform-independent open source specification of the BLE
proximity profile
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Relevant technologies for battery powered devices
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
Applications
GATT
Profiles IPSO Profiles / oBIX / BACnet-ws SEP 2.0 App. Framework
Z-Wave App. Layer GAP HTTP
MQTT / XMPP /
STOMP AMQP / DDS CoAP / MQTT-SN HTTP CoAP
ZigBee - APS GATT TCP UDP UDP - Thread TCP UDP
Z-Wave Routing Layer ATT IPv4 / IPv6 IPv6 - RPL IPv6 - RPL - Thread IPv6 - RPL
ZigBee - NWK L2CAP 802.2 6LoWPAN 6LoWPAN - Thread 6LoWPAN Z-Wave Transfer Layer
802.15.1 LL 802.11 b/g/n MAC 802.15.4 MAC (2006 or 15.4e) 802.15.4 - 2003 Z-Wave - MAC
802.15.1 PHY 802.11 b/g/n PHY 802.15.4 PHY (2006 or 15.4g) 802.15.4 - 2003 Z-Wave - RF Link
Bluetooth LE Low Power WiFi 6LoWPAN Thread ZigBee IP ZigBee PRO Z-Wave
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“Unlimited” autonomy thanks to energy harvesting devices
Tags: RFID, NFC
• Passive RFID tags are designed to harvest energy from RF
signals and to backscatter the energy carrying tag’s data towards
the reader.
Sensors, UI: Enocean
• harvest energy from thermo converters, solar cells, or motion
converters, allowing for example a wireless switch to transmit data
when it is pressed
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 54
Summary
Motivation
Smart Home Services (SHS) and IoT contribution
Principles for sustainable IoT-based SHS
Proposed Architecture
Current Interoperability approaches at the Core, Gateway
and device level
Relevant Communication protocols
Further work
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
| 55
Further work
Publish/subscribe approaches are well adapted to data-driven IoT applications
• Current solutions: too complex, inefficient or insecure
Security by design at the network layer (Securing content and not the channel)
How Name Data Networking (NDN) principles could be supported by the IoT architecture?
Distributed intelligence and interoperability at the device layer (among application and devices)
How to orchestrate such a distributed environment? (Conflict resolution, policy management, etc.)
We will be looking at blockchain-based technologies such as Ethereum or Adept
Develop DSM algorithms to demonstrate the value added by the architecture
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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Conclusions
L'Internet des Objets est en marche
• Les objets connectés ont atteint le grand public
• Connexion ubiquitaire, (relativement) fiable et économique
• Stockage et calcul décentralisé (cloud) généralisé
Opportunités pour de nombreux acteurs
• PME dans divers domaines (domotique, sécurité, médical, ...)
• Communautés urbaines
• Industrie en contact avec l'usager (opérateurs électriques, ...)
Comment motiver l'usager ?
• Conscience environnementale
• Économies sur la facture énergétique
• Domotique
Questions de sécurité et d'intimité numérique omniprésentes
Workshop SEIDO - 10 décembre 2014
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