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1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.3 1.3.1 1.4 1.4.1 1.4.2 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6 1.6 1.6.1 1.6.2 1.7 Table of Contents Préface L'Internet des Objets Les Objets de l'Internet Modèles et architectures Protocoles IoT Architectures IoT Labs Infrastructure Labs OpenWRT Labs Littlebits Labs Littlebits Logic Labs Cloudbits Labs Raspberry Pi Labs Pibrella Labs Z-Wave Labs GrovePi Labs Réseau Labs Cluster Labs RaspiPBX Labs BLE Labs Mini-Drone Controller Labs Parrot Flower Power Labs Arduino 2 Préface Ce document est un support de formation sur le sujet de l'Internet des Objets (IoT). Objectifs Comprendre les technologies utilisées dans le paradigme de l'Internet des Objets en fournissant d'une part des bases conceptuelles mais aussi et surtout en menant d'autre part des activités pratiques de hacking sur de matériel de développement et de production "grand public". On pourrait résumer l'objectif de ce support en une seule phrase : Ouvrir la boîte de l'Internet de Objets. Il s'agirait plus précisément de sensibiliser le lecteur technique à la popularité croissante de plateformes et systèmes autres que Intel\/Windows en entreprise ou à la maison. En effet, on proposera de s'intéresser à des matériels embarqués et légers (ARM, MIPS), fonctionnant sous Linux et disposant la plupart du temps d'une connectivité sans fil (Wi-Fi, BLE, Z-Wave). Mais le propos invite aussi à aborder les problématiques de contrôle et d'automation des objets menant vers la rédaction de code et la compréhension des architectures. Programme Concepts Activités pratiques (labs) Pré-requis Ce sujet requiert de bonnes connaissances à la fois dans : 1. L'administration système : La gestion des environnements Linux, côté client sur des ordinateurs embarqués, côté serveur dans le nuage (cloud) 2. L'administration réseau : L'infrastructure du réseau local, les protocoles TCP\/IP et les architectures de l'Internet 3. Le Développement applicatif : Selon la nature du projet en scripts sémantiques, bash, Préface 3 python, node.js. Illustrations Littlebits \/ cloudbits avec les modules logiques, leur API et IFTTT Routeurs TP-Link avec OpenWRT Raspbery pi avec Pibrella, PiGrove, Z-Wave, Hypriot, Wi-Fi et BLE Power Plant et Minidrones Rolling Spider de Parrot (BLE) Arduino avec Grove et Robot M-Block Droits CC-BY-SA Image de couverture : https:\/\/pixabay.com\/static\/uploads\/photo\/2014\/04\/17\/09\/40\/honey-bees- 326336_960_720.jpg Préface 4 L'Internet des Objets 1. Définition 2. Marché et applications 1. Définition Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Internet_des_objets#D.C3.A9finition L'Internet des objets (IdO ou IoT pour Internet of Things en anglais) représente l'extension d'Internet à des choses et à des lieux du monde physique. Alors qu'Internet ne se prolonge habituellement pas au-delà du monde électronique, l'internet des objets connectés représente les échanges d'informations et de données provenant de dispositifs présents dans le monde réel vers le réseau Internet. L'internet des objets est considéré comme la troisième évolution de l'Internet, baptisée Web 3.0 qui fait suite à l'ère du Web social. L'internet des objets revêt un caractère universel pour désigner des objets connectés aux usages variés, dans le domaine de la e-santé, de la domotique ou du Quantified Self. L'internet des objets est en partie responsable d'un accroissement exponentiel du volume de données générées sur le réseau, à l'origine du Big Data. L'Internet des Objets 5 Selon une équipe de l'ETH de Zurich avec les smartphones puis un nombre croissant d'objets connectés, en dix ans (2015-2025) 150 milliards d'objets devraient se connecter entre eux, avec l'internet et avec plusieurs milliards de personnes. Source : http://www.i-scoop.eu/internet-of-things/ 2. Marché et applications L'Internet des Objets 6 Le nombre de connexions entre des personnes et de choses et la quantité de données générées étaient précédemment inimaginable. Une explosion du nombre de périphériques avec un accès à la puissance de l'Internet permet de nouvelles interactions intelligentes entre ces choses. On considère que l'ère de l'IOT a commencé à partir du moment où le nombre d'objets connectés a dépassé le nombre d'êtres humains sur le globe. L'impact de l'IoT sur l'économie couvre aussi bien les industries que les marchés verticaux. Il s'agit d'économiser des coûts d'exploitation grâce aux avantages de l'IoT comme par exemple dans l'industrie des énergies fossiles. Pour les fournisseurs d'équipement réseau et d'applications, l'IoT représente potentiellement une énorme opportunité de marché. Différentes tendances sont apparues ces dernières années et annoncent ensembles l'émergence du marché IoT : Croissance rapide des données et de leurs analyses disponibles grâce à l'informatique en nuage Cloud Computing Croissance rapide des prériphériques mobiles intelligents Augmentation de l'interconnectivité entre des périphériques industriels, opérationnels et mobiles Convergence des réseaux industriels et d'entreprise pour rendre disponible des applications comme la vidéosurveillance, la prise de mesure intelligente, le suivi d'actifs, la gestion de véhicules, la surveillance de la santé, etc. Source : Cisco Systems, http://cdn.iotwf.com/resources/71/IoT_Reference_Model_White_Paper_June_4_2014.pdf Les applications IoT les plus populaires sont : 1. La maison intelligente : thermostats, ampoules, frigo, fermtures de portes intelligents 2. Les vêtements connectés : montres, bracelets et lunettes intelligentes 3. Les villes intelligentes : parking et gestion des déchets intelligents L'Internet des Objets 7 Source : https://iot-analytics.com/10-internet-of-things-applications/ On pourrait segmenter le marché IoT à la manière de iot-analytics.com : Le marché est ici divisé selon le type de clientèle "grand public" et "Entreprise". Le marché entreprise peut se diviser en huit catégories verticales : 1. Retail i. Stores ii. Shop iii. Convenience 2. Health i. Monitoring L'Internet des Objets 8 ii. Mesasurement iii. Diagnosis iv. Surgey v. Patient care 3. Energy i. Transmission & Disribution ii. Fossil iii. Nuclear iv. Alternative 4. Mobility i. Aerospace & Airports ii. Marine iii. Rail & Stations iv. Automotive v. Alternative 5. Cities i. Infrastructure ii. Water /Wasterwater iii. HVAC iv. Lighting v. Security vi. Life safety 6. Manufactures i. Mining ii. Oil & Gas iii. Discrete production iv. Continuous production v. Supply chain 7. Public & Services i. Schools ii. Universities iii. Banking iv. Insurance v. Administration vi. Commercial services 8. Others Environment Military Agriculture Hospitality L'Internet des Objets 9 Le marché "Grand public" peut se diviser en quatre catégories : 1. Maison (Home) i. Home automation ii. Home Improvment iii. Energy Efficiency 2. Syle de vie (Lifestyle) i. Wearable Comuting ii. Entertainment & Music iii. Family iv. Leisure v. Pets vi. Toys vii. Drones 3. Santé (Health) i. Fitness ii. Monitoring iii. Measurment iv. Diagnosis 4. Mobilité i. Connnected cars ii. eBikes Selon https://iot-analytics.com/iot-market-segments-analysis/, le marché "entreprise" prend autant de parts que le marché "grand public". Le segment "Manufacturing et "Healthcare" sont certainement les plus prometteurs dans le marché "entreprise". Les voitures connectées, le secteur de l'énergie et du "Manufactoring" seront les plus actifs. Toujours selon la même étude, ce sont les catégories "Home" et "Lifestyle" qui seront les plus remarquables dans le marché "Grand public". Le nombre d'objets connectés qui sont mis sur le marché augmentant de jour en jour, il serait vain de les énoncer ici. Il suffit de trouver un rayon domotique, drones ou wearables ou solutions multimédia pour trouver son bonheur. On citera ici du matériel de lab de classe de formation en vue de comprendre le fonctionnement du paradigme IoT. La plupart des plate-formes proposées ici si elles ne sont pas entièrement open source du matériel au logiciel, sont suffisamment ouvertes et intéressantes à titre de prototype et pour du développement. L'Internet des Objets 10 Les Objets de l'Internet 1. Les objets de l'Internet, les SoC 2. Plateformes IoT Processeurs Architectures ARM SoC ARM Architecture ARM Architecture MIPS 3. Matériel industriel 4. Matériel en production grand public 5. Matériel de développement 1. Les objets de l'Internet, les SoC Définition Wikipedia : Un système sur une puce, également souvent désigné dans la littérature scientifique par le terme anglais system on a chip (d'où son abréviation SoC), est un système complet embarqué sur une seule puce, pouvant comprendre de la mémoire, un ou plusieurs microprocesseurs, des périphériques d'interface, ou tout autre composant nécessaire à la réalisation de la fonction attendue. On peut intégrer de la logique, de la mémoire (statique, dynamique, flash, ROM, PROM, EPROM, EEPROM), des dispositifs (capteurs) mécaniques, opto-électroniques, chimiques ou biologiques ou des circuits radio. 2. Plateformes IoT MIPS ARM X86 PowerPC Processeurs Les Objets de l'Internet 11 ARM Intel/AMD Architecture RISC Architecture CISC A performance égale, réduction des coûts de production et meilleure efficacité thermique (ARM Cortex-A15 28nm 1.62mm²) Complexité matérielle plus coûteuse (AMD Jaguar 28nm 3.1mm²) en conception et en énergie Stratégie commerciale : licence Intel/AMD Unix Unix / Windows Bootloader Bios Architectures ARM Les architectures ARM sont des architectures matérielles RISC 32 bits (ARMv1 à ARMv7) et 64 bits (ARMv8)1 développées par ARM Ltd depuis 1990 et introduites à partir de 1983 par Acorn Computers. Dotés d'une architecture relativement plus simple que d'autres familles de processeurs, et bénéficiant d'une faible consommation, les processeurs ARM sont devenus dominants dans le domaine de l'informatique embarquée, en particulier la téléphonie mobile et les tablettes. Ces processeurs sont fabriqués sous licence par un grand nombre de constructeurs. SoC ARM Aujourd'hui, ARM est surtout connu pour ses SoC, intégrant sur une seule puce, microprocesseur, processeur graphique (GPU), DSP, FPU, SIMD, et contrôleur de périphériques. Ceux-ci sont présents dans la majorité des smartphones et tablettes. ARM propose des architectures, qui sont vendues sous licence de propriété intellectuelle aux concepteurs. Ils proposent différentes uploads/Ingenierie_Lourd/ iot.pdf