Technologies et protocoles IoT
Entrez dans le monde des technologies de l’IoT. Ce guide vous fournira des bases solides sur les technologies et protocoles IoT pour vous aider à faire les bons choix dans le cadre de votre projet.
Guide des technologies et protocoles IoT
En faisant converger des systèmes incorporés, des réseaux de capteurs sans fil et des systèmes de contrôle et d’automatisation, l’Internet des objets (IoT) permet de créer des usines connectées pour la fabrication industrielle, des commerces intelligents, des services de santé de nouvelle génération, des maisons et villes intelligentes ainsi que des appareils portatifs. Les technologies IoT vous permettent de transformer votre activité grâce à des insights basés sur les données, à des processus opérationnels améliorés, à de nouveaux métiers et à une utilisation plus efficace des matériaux.
Les technologies IoT continuent de se développer, avec d’innombrables fournisseurs de services, un large éventail de plateformes et l’émergence chaque année de millions de nouveaux appareils, ce qui oblige les développeurs à prendre de nombreuses décisions avant de se lancer dans l’écosystème IoT.
Ce guide vous permettra de vous familiariser avec les protocoles IoT courants, ainsi qu'avec les exigences relatives à la puissance et à la connectivité. Si vous recherchez une introduction plus basique à la technologie IoT, consultez les guides web de présentation de l’IoT et traitant de la cybersécurité IoT .
Écosystème des technologies IoT
L'écosystème des technologies IoT se compose des couches suivantes : Appareils, données, connectivité et utilisateurs de technologies.
Couche Appareils
Combinaison des capteurs, des actionneurs, du matériel, des logiciels, de la connectivité et des passerelles constituant un appareil qui se connecte et interagit avec un réseau.
Couche Données
Données collectées, traitées, envoyées, stockées, analysées, présentées et utilisées dans un contexte professionnel.
Couche Métier
Fonctions métier de la technologie IoT, comme la gestion des marketplaces de facturation et de données.
Couche Utilisateur
Personnes qui interagissent avec les technologies et les appareils IoT.
En savoir plus sur la façon de connecter correctement des appareils lors de la génération avec Azure IoT Hub.
La pile de technologies IoT – Partie 1 :
Appareils IoT
Les appareils IoT varient largement, mais ont tendance à partager ces concepts et ce vocabulaire communs. Vous pouvez également en savoir plus sur les divers appareils qui utilisent la technologie IoT dans ce catalogue d’appareils IoT.
Actionneurs
Les actionneurs réalisent des actions physiques lorsque leur centre de contrôle leur donne des instructions, généralement suite à des changements identifiés par les capteurs. Ils agissent comme un type de transducteur.
Systèmes incorporés
Les systèmes incorporés sont basés sur un microprocesseur ou sur un microcontrôleur qui gèrent une fonction spécifique dans un système plus large. Ils incluent à la fois des composants matériels et logiciels tels que Azure RTOS.
Appareils intelligents
Appareils qui ont la capacité de calculer. Ils incluent souvent un microcontrôleur et peuvent utiliser des services tels que Azure IoT Edge pour déployer au mieux certaines charges de travail sur les appareils.
Microcontrôleur (MCU)
Ces petits ordinateurs sont incorporés sur des micropuces et contiennent des processeurs, de la mémoire vive (RAM) et de la mémoire morte (ROM). Bien qu'ils contiennent les éléments nécessaires à l'exécution de tâches simples, les microcontrôleurs sont plus limités en puissance que les microprocesseurs.
Microprocesseur (MPU)
Les microprocesseurs exécutent les fonctions des processeurs sur un ou plusieurs circuits intégrés. Bien que les microprocesseurs aient besoin de périphériques pour effectuer les tâches, ils réduisent considérablement les coûts de traitement car ils ne contiennent qu'un processeur.
Appareils non informatiques
Des appareils qui ne font que connecter et transmettre des données. Ils ne disposent d’aucune capacité de calcul.
Transducteurs
D’une manière générale, les transducteurs sont des appareils qui convertissent une forme d’énergie en une autre. Dans les appareils IoT, il s’agit notamment des capteurs et actionneurs internes qui transmettent des données lorsque des appareils interagissent avec leur environnement.
Capteurs
Les capteurs détectent les changements au sein de leur environnement et génèrent des impulsions électriques pour communiquer. Les capteurs détectent par exemple les changements de température, de composition chimique et de position physique et sont un type de transducteur.
La pile de technologies IoT – Partie 2 :
Protocoles et connectivité IoT
Connexion des appareils IoT
L’un des principaux aspects de la planification d’un projet de technologie IoT consiste à déterminer les protocoles IoT des appareils, en d’autres termes, comment les appareils se connectent et communiquent. Dans la pile de technologies IoT, les appareils se connectent via des passerelles ou des fonctionnalités intégrées.
Que sont les passerelles IoT ?
Les passerelles font partie de la technologie IoT et servent à connecter les appareils IoT au cloud. Bien que tous les appareils IoT ne requièrent pas de passerelle, ils peuvent être utilisés pour établir une communication d’appareil à appareil ou connecter des appareils qui ne sont pas basés sur IP et ne peuvent pas se connecter directement au cloud. Les données collectées à partir des appareils IoT transitent par une passerelle, sont prétraitées en périphérie, puis envoyées au cloud.
L’utilisation de passerelles IoT permet de réduire la latence et de raccourcir les transmissions. Le fait d’intégrer des passerelles à vos protocoles IoT vous permet également de connecter des appareils sans accès direct à Internet et offre une couche de sécurité supplémentaire en protégeant les données qui circulent dans les deux sens.
Comment connecter des appareils IoT au réseau ?
Le type de connectivité que vous utilisez dans le cadre de votre protocole IoT dépend de l’appareil, de sa fonction et de ses utilisateurs. En général, celui-ci est déterminé par la distance que les données doivent parcourir (courte ou longue).
Types de réseaux IoT
Réseaux à faible puissance et à courte portée
Les réseaux de courte portée à faible puissance conviennent aux maisons, bureaux et autres environnements de petite taille. Ils ont tendance à avoir besoin uniquement de petites batteries et leur fonctionnement est généralement peu onéreux.
Exemples courants :
Bluetooth
Idéal pour le transfert de données à haut débit, le Bluetooth envoie des signaux vocaux et de données à une distance maximale de 10 mètres.
NFC
Ensemble de protocoles de communication pour la communication entre deux appareils électroniques sur une distance de 4 cm (1 cm de hauteur) ou moins. NFC offre une connexion à faible vitesse avec une installation simple qui peut être utilisée pour amorcer des connexions sans fil plus performantes.
Wi-Fi/802.11
Compte tenu de son faible coût d'utilisation, le Wi-Fi est devenu la norme dans nos maisons et bureaux. Cela dit, il peut ne pas convenir à tous les scénarios en raison de sa portée limitée et de sa consommation d'énergie 24h/24 et 7j/7.
Z-Wave
Réseau maillé utilisant des ondes radio basse consommation pour communiquer d’un appareil à l’autre.
Zigbee
Spécification basée sur IEEE 802.15.4 pour une suite de protocoles de communication de haut niveau utilisés pour créer des réseaux personnels avec des radios numériques de petite taille et de faible puissance.
Réseaux sans fil à faible consommation énergétique (LPWAN)
Les LPWAN permettent la communication sur un minimum de 500 mètres, requièrent une puissance minimale et sont utilisés pour la majorité des appareils IoT. Voici quelques exemples courants de LPWAN :
IoT 4G LTE
Compte tenu de leur capacité élevée et de leur faible latence, ces réseaux sont un excellent choix pour les scénarios IoT qui requièrent des informations ou des mises à jour en temps réel.
IoT 5G
Bien qu'ils ne soient pas encore disponibles, les réseaux IoT 5G devraient favoriser de nouvelles innovations dans le domaine de l'IoT en offrant des vitesses de téléchargement bien plus élevées et une connectivité à beaucoup plus d'appareils dans une zone donnée.
Cat-0
Ces réseaux LTE constituent l'option la moins coûteuse. Ils préparent le terrain à la technologie Cat-M qui va remplacer la 2G.
CAT-1
Cette norme destinée à l'IoT cellulaire remplacera à terme la 3G. Les réseaux Cat-1 sont faciles à configurer et constituent une excellente solution pour les applications nécessitant une interface vocale ou de navigation.
LoRaWAN
Les réseaux étendus à longue portée (LoRaWAN) relient des appareils mobiles, sécurisés et bidirectionnels fonctionnant sur batterie.
LTE Cat-M1
Ces réseaux sont entièrement compatibles avec les réseaux LTE. Ils optimisent les coûts et la puissance avec une deuxième génération de puces LTE conçues spécifiquement pour les applications IoT.
Bande étroite ou NB-IoT/Cat-M2
NB-IoT/Cat-M2 utilise la modulation DSSS (étalement de spectre à séquence directe) pour envoyer directement les données au serveur. Il n'est donc plus nécessaire d’avoir recours à une passerelle. Bien que les réseaux NB-IoT coûtent plus cher à configurer, l'absence de passerelle rend leur exécution moins coûteuse.
Sigfox
Ce fournisseur mondial de réseaux IoT propose des réseaux sans fil permettant de connecter des objets à courte portée qui émettent des données en continu.
Protocoles IoT : comment les appareils IoT communiquent-ils avec le réseau
Les appareils IoT communiquent à l'aide des protocoles IoT. Le protocole IP (Internet Protocol) est un ensemble de règles qui détermine la façon dont les données sont envoyées à Internet. Les protocoles IoT garantissent que les informations d’un appareil ou d’un capteur seront lisibles et compréhensibles par un autre appareil, une passerelle, un service. Différents protocoles IoT ont été conçus et optimisés pour différents scénarios et utilisations. Compte tenu de la diversité des appareils IoT disponibles, il est important d'utiliser le bon protocole dans le bon contexte.
Quel protocole IoT me convient le mieux ?
Le type de protocole IoT que vous devez utiliser dépend de la couche de l’architecture système sur laquelle vos données vont circuler. Le modèle OSI (Open Systems Interconnection) fournit une carte des différentes couches qui envoient et reçoivent des données. Chaque protocole IoT de l’architecture du système IoT permet une communication d’appareil à appareil, d’appareil à passerelle, de passerelle à centre de données ou de passerelle à cloud, ainsi qu’une communication entre centres de données.
Couche Application
La couche Application sert d’interface entre l’utilisateur et l’appareil avec un protocole IoT donné.
AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)
Couche logicielle qui assure l'interopérabilité entre les intergiciels de messagerie. Celle-ci permet à un large éventail de systèmes et d'applications de travailler ensemble, créant ainsi une messagerie normalisée à l'échelle industrielle.
CoAP (Constrained Application Protocol)
Protocole optimisé pour les bandes passantes et réseaux contraints, et conçu pour les appareils dont la capacité de connexion est limitée dans le cadre d'une communication machine à machine. CoAP est également un protocole de transfert de documents qui s'exécute sur le protocole UDP (User Datagram Protocol).
DDS (Data Distribution Service)
Protocole de communication pair à pair polyvalent qui fait tout, de l'exécution de petits appareils à la connexion de réseaux hautes performances. DDS rationalise le déploiement, renforce la fiabilité et réduit la complexité.
MQTT (Message Queue Telemetry Transport)
Protocole de messagerie conçu pour une communication machine à machine légère, et principalement utilisé pour les connexions à faible bande passante vers des emplacements distants. MQTT utilise un modèle éditeur-abonné et est idéal pour les petits appareils qui nécessitent une utilisation efficace de la bande passante et de la batterie.
Couche Transport
Dans un protocole IoT, la couche Transport permet la communication et protège les données lorsqu’elles circulent entre les couches.
TCP (Transmission Control Protocol)
Protocole utilisé pour la majorité des connexions Internet. Il offre une communication d'hôte à hôte, en divisant de grands ensembles de données en paquets individuels, et en renvoyant et réassemblant les paquets en fonction des besoins.
UDP (User Datagram Protocol)
Protocole de communication qui permet la communication entre processus et s'exécute sur IP. UDP améliore les taux de transfert de données sur TCP et répond aux exigences des applications qui ont besoin d'une transmission de données sans perte.
Couche Réseau
La couche Réseau d’un protocole IoT permet à des appareils individuels de communiquer avec le routeur.
IP
De nombreux protocoles IoT utilisent IPv4, tandis que les exécutions plus récentes utilisent IPv6. Cette récente mise à jour du protocole IP achemine le trafic sur Internet, et identifie et localise les appareils sur le réseau.
6LoWPAN
Ce protocole IoT fonctionne mieux avec les appareils de faible puissance qui ont des capacités de traitement limitées.
Couche Liaison de données
La couche Données fait partie d’un protocole IoT qui transfère les données au sein de l’architecture système, en identifiant et en corrigeant les erreurs trouvées dans la couche physique.
IEEE 802.15.4
Norme radio relative aux connexions sans fil à faible consommation. Elle est utilisée avec Zigbee, 6LoWPAN et d'autres normes pour créer des réseaux sans fil incorporés.
Liaison sans fil à faible consommation énergétique (LPWAN)
Les réseaux étendus à basse consommation (LPWAN) permettent la communication sur des distances de 500 mètres à plus de 10 kilomètres à certains endroits. LoRaWAN est un exemple de LPWAN optimisé pour une faible consommation d'énergie.
Couche Physique
La couche physique constitue un canal de communication entre des appareils dans un environnement spécifié.
Bluetooth à basse consommation (BLE)
BLE réduit considérablement la consommation d’énergie et les coûts associés, avec une portée de connectivité comparable à celle du Bluetooth classique. Le BLE fonctionne en mode natif sur les systèmes d'exploitation mobiles, et il est de plus en plus prisé dans le domaine de l'électronique grand public en raison de son faible coût et de la longue autonomie de sa batterie.
Ethernet
Cette connexion filaire est une option moins coûteuse qui fournit une connexion de données rapide et une faible latence.
LTE (Long Term Evolution)
Norme de communication sans fil à large bande pour appareils mobiles et terminaux de données. Le LTE augmente la capacité et la vitesse des réseaux sans fil et prend en charge la multidiffusion et les flux de diffusion.
NFC (Near Field Communication)
Ensemble de protocoles de communication utilisant des champs électromagnétiques qui permet à deux appareils de communiquer à moins de quatre centimètres l'un de l'autre. Les appareils compatibles NFC fonctionnent comme des cartes d'identité et sont couramment utilisés pour les paiements mobiles sans contact, les billetteries et les cartes à puce.
Courants porteurs en ligne (PLC)
Technologie de communication qui permet d’envoyer et de recevoir des données via des câbles d’alimentation déjà présents. Cela vous permet d’alimenter et de contrôler un appareil IoT à l’aide du même câble.
Radio-identification (RFID)
RFID utilise des champs électromagnétiques pour suivre des étiquettes électroniques. Du matériel compatible alimente ces étiquettes en énergie et communique avec elles, en lisant leurs informations à des fins d'identification et d'authentification.
Wi-Fi/802.11
Wi-Fi/802.11 est une norme pour les particuliers et les professionnels. Bien qu'il s'agisse d'une option peu coûteuse, elle peut ne pas convenir à tous les scénarios en raison de sa portée limitée et de sa consommation d'énergie 24h/24 et 7j/7.
Z-Wave
Réseau maillé utilisant des ondes radio basse consommation pour communiquer d’un appareil à l’autre.
Zigbee
Spécification basée sur IEEE 802.15.4 pour une suite de protocoles de communication de haut niveau utilisés pour créer des réseaux personnels avec des radios numériques de petite taille et de faible puissance.
La pile de technologies IoT – Partie 3 :
Plateformes IoT
Les plateformes IoT facilitent la création et le lancement de vos projets IoT en fournissant un service unique qui gère votre déploiement, vos appareils et vos données. Les plateformes IoT gèrent les protocoles matériels et logiciels, offrent sécurité et authentification, et fournissent des interfaces utilisateur.
La définition exacte d'une plateforme IoT peut varier car plus de 400 fournisseurs de services proposent des fonctionnalités allant des logiciels et du matériel aux kits de développement logiciel (SDK) et aux API. Toutefois, la plupart des plateformes IoT incluent ce qui suit :
- Une passerelle cloud IoT
- Authentification, gestion des appareils et API
- Infrastructure cloud
- Intégrations d'applications tierces
Services gérés
Les services IoT gérés permettent aux entreprises d'exploiter et d'entretenir leur écosystème IoT de manière proactive. Un large éventail de services IoT gérés, tels que Azure IoT Hub, est disponible pour vous aider à rationaliser et à prendre en charge le processus de création, de déploiement, de gestion et de suivi de votre projet IoT.
Applications IoT des technologies actuelles
IA et IoT
Les systèmes IoT rassemblent de telles quantités de données qu'il est souvent nécessaire d'utiliser l'IA et l’apprentissage automatique pour trier et analyser ces données afin de pouvoir dégager des tendances et de prendre des mesures basées sur les insights obtenus. Par exemple, l'IA peut analyser les données recueillies à partir des équipements de production et prévoir les besoins relatifs à la maintenance, réduisant ainsi les coûts et les temps d'arrêt dus aux pannes imprévues.
Blockchain et IoT
Il n'existe actuellement aucun moyen de vérifier que les données provenant de l'IoT n'ont pas été manipulées avant d'être vendues ou partagées. Le blockchain et l'IoT unissent leurs forces pour rompre les silos de données et favoriser la confiance afin que les données puissent être vérifiées, tracées et utilisées en toute fiabilité.
Kubernetes et IoT
Grâce à un modèle de déploiement sans temps d'arrêt, Kubernetes permet une mise à jour en temps réel des projets IoT sans impact sur les utilisateurs. Kubernetes évolue facilement et efficacement à l'aide des ressources du cloud, en fournissant une plateforme commune pour un déploiement en périphérie.
Open source et IoT
Les technologies open source accélèrent l'internet des objets, permettant aux développeurs d'utiliser les outils de leur choix sur les applications IoT.
Informatique quantique et IoT
L'important volume de données généré par l'IoT se prête naturellement à la capacité d'accélération de l'informatique quantique au travers de calculs intensifs. De plus, le chiffrement quantique permet d'ajouter un niveau de sécurité qui est nécessaire mais actuellement entravé par la faible puissance de calcul inhérente à la plupart des appareils IoT.
Serverless et IoT
L’informatique serverless permet aux développeurs de créer des applications plus rapidement en éliminant la nécessité de gérer l’infrastructure. Avec les applications serverless, le fournisseur de services cloud fournit, met à l’échelle et gère automatiquement l’infrastructure requise pour exécuter le code. Compte tenu du trafic variable des projets IoT, l’informatique serverless offre un mode rentable de mise à l’échelle dynamique.
Réalité virtuelle et IoT
Utilisés ensemble, la réalité virtuelle et l’IoT peuvent vous aider à contextualiser visuellement des systèmes complexes et à prendre des décisions en temps réel. Par exemple, à l’aide d’une forme de réalité virtuelle appelée réalité augmentée (également connue sous le nom de réalité mixte), vous pouvez afficher des données IoT importantes sous forme de graphiques au-dessus d’objets réels (tels que vos appareils IoT) ou d’espaces de travail. Cette combinaison de la réalité virtuelle et de l’IoT a inspiré des avancées technologiques dans des secteurs comme la santé, les services sur site, les transports et la production industrielle.
Digital Twins et IoT
Le test de vos systèmes avant l’exécution peut être une mesure qui permet des gains de coûts et de temps considérables. Digital Twins prend les données de plusieurs appareils IoT et les intègre aux données d’autres sources pour offrir une visualisation de la façon dont le système interagit avec les appareils, les personnes et les espaces.
Données IoT et analyse
Les technologies IoT produisent des volumes de données tellement importants que des processus et des outils spécialisés sont nécessaires pour transformer ces données en insights exploitables. Applications courantes dans le domaine des technologies IoT et défis associés :
Application : Maintenance prédictive
Des modèles Machine Learning d'IoT conçus et formés pour identifier des signaux dans les données historiques peuvent être utilisés pour identifier les mêmes tendances dans les données actuelles. Cela permet aux utilisateurs d'automatiser les demandes de service préventif et de commander de nouvelles pièces à l'avance afin qu'elles soient toujours disponibles en cas de besoin.
Application : Décisions en temps réel
Un large éventail de services d’analyse IoT est disponible, qui sont conçus pour fournir des rapports en temps réel et de bout en bout, notamment :
- Stockage de données volumineuses utilisant des formats que les outils d'analyse peuvent interroger.
- Traitement de flux de données volumineuses pour filtrer et agréger les données avant de procéder à l'analyse.
- Analyse à faible latence à l'aide d'outils d'analyse en temps réel qui rapportent et présentent visuellement les données.
- Entrée de données en temps réel à l'aide de répartiteurs de messages.
Défi : Stockage de données
Une collecte de données volumineuses entraîne des besoins importants en matière de stockage de données. Différents services de stockage de données sont disponibles, aux capacités variables, telles que les structures organisationnelles, les protocoles d'authentification et les limites de taille.
Défi : Traitement des données
Le volume de données collectées par le biais de l'IoT pose des problèmes en termes de nettoyage, de traitement et d'interprétation à grande vitesse. L'edge computing permet de résoudre ces problèmes en déplaçant la plupart des traitements de données d'un système centralisé vers la périphérie du réseau, plus près des appareils qui ont besoin des données. Mais la décentralisation du traitement des données pose à son tour de nouveaux problèmes, notamment en termes de fiabilité et d'extensibilité des appareils de périmètre et de sécurité des données en transit.
Sécurité et confidentialité IoT
Quel que soit le projet IoT, la sécurité et la confidentialité sont essentielles. Bien que les technologies IoT puissent transformer vos activités commerciales, les appareils IoT peuvent représenter des menaces s’ils ne sont pas correctement sécurisés. Les cyberattaques peuvent compromettre les données, détériorer les équipements et même infliger des dommages.
Une forte cybersécurité IoT, telle que celle fournie par Azure Sphere, va au-delà des mesures de confidentialité standard pour inclure la modélisation des menaces. L'identification des différents moyens auxquels les attaquants peuvent avoir recours pour compromettre votre système est la première étape vers la prévention des attaques.
Lors de la planification et du développement de votre système de sécurité IoT, il est important de choisir la solution adaptée à chaque étape de votre plateforme et de votre système, de l’OT à l’IT. Des solutions logicielles telles que Azure Defendervous offrent la protection dont vous avez besoin sur tout le système.
Ressources pour bien démarrer
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