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OBJETS CONNECTÉS

Note d’intentions.L’objet connecté est un terme un peu fourre-tout, qu’il n’est pas forcément aisé de définir. Cela couvre un spectre assez large qui va des petits objets construits autour de matériels pédagogiques (Arduino, mbot, Raspberry pi,…) auxquels on adjoint des fonctionnalités de communication sans fils, à des installations incluant de l’intelligence artificielle1 et de la réalité augmentée2. Avant d’aborder des activités pratiques, il me semblait intéressant de définir ce qu’on nomme « objet connecté » tant d’un point de vue matériel que du point de vue informationnel.Du point vue matériel il me semblait important de distinguer les périphériques, les interfaces connectées et les objets qui sont communiquer sans l’intervention de l’humain que je nomme « internet des objets ». Dans cette catégorie on trouve les capteurs connectés et les objets intelligents.L’autre point de vue matériel concerne la connectivité. J’ai donc orienté l’activité pour poser un panorama des standards de communication radio qui coexistent. Parler de leurs intérêts, des usages qui leur sont réservés, leurs limites…Du point de vue informationnel, il s’agit à mon sens du point central lorsqu’on parle d’objets connectés : comprendre comment la chaine informationnelle est organisée. Du capteur physique, à l’exploitation de ses données par une application sur un smartphone, comment s’organisent et comment sont exploitées ces données dans le « nuage ». J’ai donc exploité l’application WAZE et analysé comment à partir de la puce GPS intégrées dans le smartphone des utilisateurs, on peut fabriquer un système de guidage auto adaptatif, réagissant en temps réel et bénéficiant des atouts d’un réseau social pour guider et informer ses utilisateurs. D’autre part les applications entretiennent des liens avec nombre d’acteurs des plateformes ce qui enrichit les écosystèmes numériques. Il est important de sensibiliser nos élèves à cette vision globale ou systémique des interdépendances des acteurs économiques ou techniques entre eux.

Quelques références :IoT : L'internet des objets expliqué en emoji : https://youtu.be/8sgmHTHSqxw Les objets connectés : une belle carte à jouer par les entreprises françaises : http://obs-commedia.com/actu/les-objets-connectes-une-belle-carte-a-jouer-par-les-entreprises-francaises/L’Internet des objets c'est quoi ? : https://www.youtube.com/watch?v=A--EsXc24oQ&feature=youtu.be https://www.objetconnecte.net/histoire-definitions-objet-connecte/ http://www.smartgrids-cre.fr/index.php?p=objets-connectes-definition https://www.connectwave.fr/techno-appli-iot/iot/reseaux-et-infrastructures-iot/ https://www.lebigdata.fr/iot-big-data https://www.kiwatch.com/blog/veille-et-tendances/quand-les-objets-connectes-deviennent-intelligents

1 https://www.youtube.com/watch?v=6g2cC2Wy8_U2 https://www.youtube.com/watch?v=cHKn8km1o0Y

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EMBARQUÉ ET OBJETS CONNECTÉS

1. PÉRIPHÉRIQUES, INTERFACES WEB, INTERNET DES OBJETS OU OBJETS CONNECTÉS ?On parle souvent d’objets connectés mais ce terme générique recouvre plusieurs sens. Par exemple, une imprimante reliée à mon ordinateur est connectée, des écouteurs Bluetooth sont connectés à mon smartphone. S’agit-il pour autant d’objets connectés ? La réponse est non : ce sont des périphériques.De la même manière, une tablette qui me permet de régler mon chauffage et mon assistant vocal qui lance ma playlist préférée sont des interfaces connectées. C'est-à-dire que ces objets interagissent avec l’utilisateur et sont connectés à un système d’intelligence artificielle afin de comprendre et d’exécuter mes demandes. « L’internet des objets » regroupe les objets capables de se connecter, d’échanger des informations et agir sans l’intervention humaine. On trouve par exemple des capteurs qui vont alimenter en données des services de météorologie, des appareils qui vont mesurer la fréquence cardiaque d’un patient et l’envoyer dans le serveur d’un hôpital. On parlera alors de capteurs connectés. Il existe des objets qui, connectés à un système d’intelligence artificielle proposent des services complexes, par exemple la voiture autonome, les robots, certains appareils de soins (cardiologie, diabète…)Un smartphone rentre à la fois dans la catégorie interface connectée et internet des objets à partir du moment où il traite et génère lui-même des informations. Par exemple quand il utilise ses capteurs pour mesurer l’activité physique du porteur, ou sa puce GPS pour localiser l’appareil.

périphériques Interfaces connectées Internet des objetsCapteurs/actionneurs Objets intelligents

ImprimantesCasquesSourisClavier…

Tableau de bordAssistant vocauxDash button (amazon)Instruments de musiques…

Sondes météoMonitoring santéCompteurs eau/électricité/gaz…

Voiture autonomeRobotsSurveillance Ascenseur3

Aide aux personnes âgées 4

…

3 https://www.youtube.com/watch?v=6g2cC2Wy8_U 4 Exemple d’une personne âgée assignée à résidence et dont la famille aurait placé un système de capteurs de mouvements pour détecter l’activité. Si pour une raison ou une autre, la personne sort du champ des capteurs, ceux-ci enverront automatiquement une alerte à la famille ou appellera le médecin. Un système doté d’une intelligence artificielle, quant à lui, se posera d’avantage de questions dans le but d’éliminer les hypothèses les moins fiables avant de prendre une décision. Par exemple, il sera en mesure de vérifier le temps extérieur afin de supposer que la personne ait pu aller prendre l’air.

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2. CHAINE DE FONCTIONNEMENT DES OBJETS CONNECTÉS (INTERNET DES OBJETS)Les objets connectés sont reliés à Internet : ils peuvent donc communiquer avec d’autres systèmes pour obtenir ou fournir de l’information.Par exemple :

Collecter et stocker des informations en fonction de leur environnement : rythme cardiaque de l’utilisateur, hygrométrie d’une cave, données météorologiques, etc.

Déclencher une action en fonction des informations recueillies sur le web, comme par exemple l’arrosage d’une pelouse à la veille d’une forte journée de sécheresse.

Figure 1 : exemple capteur connecté permettant de récolter des données météorologiques. Dans l’écosystème des applications une application fournit une interface qui exploite les données recueillies.

Un objet connecté n’a de sens que dans une chaine de données qui inclue l’équipement (émetteur et/ou recepteur d’informations), la connectivité et le traitement des données. Le tout est exploité par des plateformes numériques.

2.1. Les équipementsIls peuvent être de simples capteurs capables de communiquer des grandeurs physiques (fonctionnement en émetteur). Ils peuvent aussi être pilotés à distance (fonctionnement bidirectionnel). Les équipements peuvent aussi être des objets complexes tels des robots, voitures autonomes…

2.2. ConnectivitéLes objets peuvent être connectés via des câbles réseaux mais c’est assez rare. La plupart du temps, la connectivité de l’objet est assurée par une petite antenne radio fréquence qui va permettre la communication de l’objet vers un ou plusieurs réseaux. Les objets pourront d’une part remonter des informations telles que leur identité, leur état, une alerte ou les données de capteurs, et d’autre part recevoir des informations telles que des commandes d’action et des données. Le module de connectivité permet aussi de gérer le « cycle de vie de l’objet », c’est-à-dire, l’authentification et l’enregistrement dans le réseau, la mise en service, la mise à jour et la suppression de l’objet du réseau. Le choix du réseau est défini par les critères suivants :

Distance de connexion Débit d’informations Puissance d’émission / sensibilité de réception, donc consommation d’énergie et durée de vie des Le coût (€/volume de données). Facilité d’usage.

Par exemple pour les usages domestiques on utilisera souvent le Bluetooth ou le wifi. On parlera ici de connexion courte distance (inférieure à 100m). Le wifi assurera la connexion entre l’objet et l’accès « longue distance » via un

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point d’accès (box internet par exemple). Parfois on passe par plusieurs « chaines » : L’objet est connecté en Bluetooth à une tablette/smartphone ce dernier est lui-même connecté à un point d’accès wifi avant d’atteindre « le grand réseau » par l’ADSL ou la fibre… Les mix sont possibles

Figure 2 : tableau comparatif des technologies de connexion sans fils pour objets connectés (IoT)

Figure 3 : graphique débit/portée en fonction des technologies radio

Voir en annexe « Les technologies de communication des objets connectés. »

2.3. Traitement des donnéesCe traitement s’appuie sur des serveurs. Leur fonction est de stocker les données reçues et grâce à des algorithmes de les exploiter. L’exploitation va consister à associer de nombreuses données afin de déduire de nouvelles informations et proposer de nouvelles actions. Par exemple dans le cas de l’application Waze, collecter le nombre d’utilisateurs géo localisés à un même endroit, analyser la vitesse de chaque véhicule, en déduire qu’il y a ou non un embouteillage et proposer à chaque utilisateur un itinéraire alternatif le cas échéant.

2.4. Ecosystème des applicationsCe sont les applications qui vont travailler en relation avec les serveurs de la plateforme. Elles proposent à l’utilisateur une interface (homme/machine) qui exploite les données fournies par les serveurs. On parle d’écosystèmes car les applications peuvent être de différentes natures et s’appuyer sur des plateformes différentes (mobilité, réseaux sociaux, communication, domotique…)

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ACTIVITÉ OBJETS CONNECTÉS

Etude de cas : WAZECette activité peut s’effectuer en lien avec le chapitre « Localisation, cartographie et mobilité » et « réseaux sociaux »L’idée principale est de décomposer la chaine d’information de l’application et d’évoquer ses ramifications afin de dégager un schéma de l’écosystème

3. COMMENT FONCTIONNE WAZE ? voir https://goo.gl/59SwN8 L’utilisateur lance l’application sur son téléphone portable

Le smartphone est alors localisé via sa puce GPS, mais aussi par les informations de localisation fournies par les antennes relais.

Les informations de localisation, ainsi que la vitesse du smartphone (donc du véhicule qui l’abrite) sont envoyées sur le réseau.

Le serveur de l’application analyse toutes les informations collectées par les utilisateurs de l’application. La carte de chaque utilisateur est mise à jour et l’utilisateur est informé des conditions de circulation.

Figure 4 : Fonctionnement de Waze

4. ÉLÉMENTS DE LA CHAINE D’INFORMATIONLe smartphone est en relation avec les satellites GPS, il en déduit ses coordonnées GPS.Le smartphone est connecté à un réseau de données mobiles grâce à son opérateur téléphonique (3G/4G…5G)Via ce réseau, le téléphone envoie au serveur de l’application les informations de localisation (position, vitesse…) ainsi que les informations proposées par l’utilisateur (déclaration d’un accident par exemple). Le tout est stocké dans une base de données. L’analyse de cette somme de données est effectuée par le serveur, ce qui permet de déterminer l’état de la circulation (embouteillages). Le serveur renvoie à chaque utilisateur :

la cartographie du lieu où se situe le smartphone des informations:

o Les données de circulations (distance par rapport à un accident…) fournies par la communauté.o les informations publicitaires fournies par des opérateurs tiers. (hôtels, restaurants, services…).

Ce sont ces informations qui rémunèrent l’application.

Figure 5 : Illustration des interactions entre le serveur et les clients dans l'application WAZE

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A l’analyse de ce qui précède, on peut dégager la chaine d’information suivante :Le système complet est constitué de 4 blocs :

Équipements : les téléphones qui font tourner l’application Waze :o Ils envoient les données de localisation (puce GPS)o Ils reçoivent la cartographie, les itinéraires, les publicités des annonceurs

Connectivité : réseau 3G/4G permettant la communication entre le serveur de l’application et le téléphone.

Le serveur :o intègre les données fournies par les utilisateurs.o exploite la cartographie interne ou disponible sur des services tiers de l’écosystème.o Renvoie la cartographie avec calcul d’itinéraire aux utilisateurs.o Injecte de la publicité dans les données renvoyées aux utilisateurs

L’écosystème o s’enrichie de fonctionnalité de mobilité, o fournit une plateforme mettant en relation l’application et ses utilisateurs, l’application et les

annonceurs et par voie de conséquence les utilisateurs avec les annonceurs.

5. WAZE COMME RÉSEAU SOCIALWaze fonctionne grâce à la communauté de ses utilisateurs. Même s’ils n’utilisent pas les fonctions avancées de l’application, ils sont identifiés et localisés et participent de manières active au réseau social en permettant de déterminer la vitesse, les encombrements à un endroit précis. Chaque utilisateur fournit des données et en reçoit de la part de la communauté.

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6. ÉCOSYSTEME WAZEL’écosystème Waze s’appuie sur :

L’application Les plateformes de mobilité (Android et Apple), Les opérateurs téléphoniques Les satellites GPS Les consommateurs Les vendeurs Les services de cartographies : Quand Google a racheté Waze en 2013, Google Maps a pu profiter de

l’info trafic de Waze. Waze quant à lui a bénéficié de l’imagerie satellite de Maps… Les réseaux sociaux : on peut s’inscrire sur l’application Waze avec son compte Facebook. Les annonceurs.

Figure 6 : écosystème Waze

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ANNEXES

Les technologies de communication des objets connectés5

1. LES TECHNOLOGIES DE COURTE PORTÉELe protocole NFCLes protocoles Near Field Communication (NFC) sont fondés sur la technologie d’identification par radio fréquence RFID (Radio frequency identification). Les objets équipés d’une puce électronique RFID possèdent une « étiquette » et sont automatiquement identifiés par radio fréquence lorsqu’ils se trouvent à proximité d’un équipement appelé interrogateur. Le protocole NFC est un standard de communication radiofréquence sans contact à très courte distance, de l’ordre de quelques centimètres, permettant une communication simple entre deux équipements électroniques. Il est par exemple utilisé dans de nombreuses entreprises pour les badges d’accès aux locaux, ou comme support d’un abonnement à un réseau de transport en commun.BluetoothInventé en 1994 par la société suédoise Ericsson, le protocole Bluetooth est un standard de transfert de données sans fil. Il utilise une faible bande passante, ce qui ne lui permet de transférer que peu de données à de courtes distances, mais est également très peu énergivore. Inclus à l’immense majorité des téléphones mobiles, afin de réaliser une communication entre deux téléphones, ou entre un téléphone et un objet connecté de nature différente, il possède désormais de nombreuses applications : oreillette de discussion téléphonique sans fil, montre intelligente, moniteur de fréquence cardiaque, enceinte portative de diffusion de musique, station météo, thermostat, etc. Ce protocole est également utilisé sur des capteurs statiques appelés beamers pour mesurer des flux, par exemple des clients dans un magasin.ZigbeeZigbee est un protocole de communication radio développé spécifiquement pour les applications de domotique. D’une portée moyenne de 10 mètres, il utilise une faible bande passante et est idéal pour le transfert de données en faible volume. Peu énergivore et conçu pour des échanges de données à bas débit, le dispositif Zigbee convient aux appareils alimentés par une pile ou une batterie, et en particulier aux capteurs. Il est conçu pour fonctionner en réseau maillé : chaque nœud reçoit, envoie et relaie des données. Il est par exemple utilisé par certains détecteurs de fumée.

2. LES TECHNOLOGIES DE MOYENNE PORTÉEZ-WaveLe Z-Wave est un protocole de communication sans fil principalement dédié à la domotique. Il permet de transmettre des données sur des distances allant de 30 mètres en intérieur à 100 mètres en plein air. Il fonctionne en réseau maillé, chaque appareil connecté pouvant relayer les informations émises par ses voisins, ce qui lui permet d’élargir sa portée. Le protocole Z-Wave a été développé pour des usages peu énergivores nécessitant un faible débit de données. Tout comme le protocole Zigbee, l’utilisation de Z-Wave ne nécessite que très peu de puissance et les appareils peuvent donc communiquer pendant plusieurs années avec une simple pile.Wi-FiLe Wi-Fi désigne un ensemble de protocoles de communications sans fil, permettant des connexions à haut débit sur des distances de 20 à 100 mètres. Il s’agit d’un réseau local sans fil très énergivore, qui ne convient que pour les appareils branchés sur secteur ou dont l’alimentation électrique peut être aisée et fréquente. Il permet de transférer rapidement beaucoup de données. Il existe différentes normes Wi-Fi correspondant à une portée et un débit variables.Bluetooth Low EnergyAussi connue sous l’appellation Wibree, la technologie Bluetooth Low Energy (BLE) est un protocole de réseau personnel sans fil à très basse consommation. Comme la technologie Bluetooth originelle, le BLE ne permet de transférer qu’une quantité limitée de donnée à une distance moyenne de 60 mètres. La différence entre les dispositifs Bluetooth et BLE se situe au niveau de la consommation électrique nécessaire à la communication, qui est dix fois moindre pour BLE.

5 http://www.smartgrids-cre.fr/index.php?p=objets-connectes-technologies

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3. LES TECHNOLOGIES DE LONGUE PORTÉERéseaux cellulaires mobilesFournis par les opérateurs de télécommunication, les réseaux cellulaires mobiles, basés sur la technologie GSM, permettent de transférer une quantité importante de données à une longue portée. Ils nécessitent l’installation d’une carte SIM dans l’appareil à connecter, afin d’identifier celui-ci sur le réseau de communication. Succédant aux premières générations des standards pour la téléphonie mobile, qui ont progressivement permis d’accroître le débit de communication, la quatrième génération (4G) permet une communication mobile à très haut débit.Réseaux radio bas-débitSigfox est un réseau de communication radio sans fil à bas débit et à basse fréquence, d’une portée moyenne de 10 kilomètres en milieu urbain et de 30 à 50 kilomètres en milieu rural. Il est également une technologie créée par l’entreprise du même nom. Ce réseau convient à des appareils à basse consommation, dotés ainsi d’une grande autonomie, qui transfèrent une faible quantité de données.LoRa est un protocole de communication radio à très basse consommation, qui permet de transmettre des données en petite quantité, à des distances de 2 à 5 kilomètres en ville et jusqu’à 45 kilomètres en milieu urbain. À l’instar de Sigfox, il s’agit d’un dispositif qui convient particulièrement aux équipements peu énergivores n’émettant que périodiquement, notamment les capteurs.Réseaux propriétairesCertains grands groupes industriels, dotés de moyens financiers conséquents, préfèrent installer leur propre réseau de communication. Le déploiement de ces réseaux dits privés ou propriétaires est particulièrement intéressants en cas de déploiement à très grande échelle d’appareils communicants. C’est ainsi que m2ocity, filiale de Veolia Eau et d’Orange, a choisi d’installer son propre réseau de communication pour connecter les compteurs d’eau intelligents et réaliser des opérations de télé-relevé, de même que Suez.Le système de comptage évolué à destination des clients résidentiels de gaz naturel de GRDF se fonde également sur un protocole radio à longue portée spécifique et propriétaire : une bande de fréquence radio réservée (169 MHz) est utilisée pour assurer la communication des données entre les compteurs et les concentrateurs de données, eux-mêmes chargés de transmettre au système d’information central les informations qu’ils ont collectées.

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