Cours : L'Internet des objets (ou IoT)

Caractéristiques des objets connectés

L’appellation d’Internet des objets désigne la connexion d’objets informatisés au réseau global. Ces objets peuvent être de tous types et être destinés à toutes sortes d’usages.

Naissance de l’Internet des objets

Il n’existe pas de définition officielle et unique faisant consensus pour cet « Internet des objets ». Cette expression englobante reflète la multiplicité des types et des usages possibles d’équipements connectés.

La paternité de cette expression revient à Kevin Ashton. Ce consultant en informatique l’a inventée en 1999 pour décrire des communications entre machines. Restée inutilisée jusqu’au milieu des années 2000, cette expression a commencé à être employée avec le développement du cloud et des objets connectés. Revenant a posteriori sur cette expression, Kevin Ashton a précisé qu’il serait plus juste de parler d’« Internet pour les objets ».

En partant des caractéristiques techniques des objets, nous pouvons proposer les définitions suivantes.

Définition

Objet connecté :

Système électronique ou informatique embarqué doté d’une connectivité réseau.

Définition

Internet des objets (ou Internet of Things, IoT) :

Partie du réseau et du trafic Internet qui se rapporte aux objets qui y sont connectés.

La connectivité réseau ne signifie pas nécessairement que l’objet est connecté à Internet, ni qu’il l’est en direct. Des objets sont parfois connectés à des réseaux périphériques, lesquels peuvent être reliés à Internet par des passerelles.

Mais dans tous les cas, les objets connectés ont besoin d’une interface de communication qui fait appel à une technologie adaptée à la portée et au débit requis :

Certains considèrent que l’Internet des objets est la troisième révolution du réseau, après celle du web 2.0 ou web social, faisant elle-même suite à celle du web caractérisé par ses hyperliens révolutionnaires. S’il n’y a pas non plus consensus sur la définition d’un web 3.0, la présence massive et croissante d’objets connectés a indéniablement un impact sur le réseau et son évolution.

Diversité des capteurs et actionneurs

Il existe une grande variété d’objets connectés, plus ou moins sophistiqués. En fonction de leur usage, ils embarquent plus ou moins de capteurs et d’actionneurs de toutes sortes.

À défaut de brosser un tableau exhaustif de leurs possibles caractéristiques, on peut mentionner la variété de celles-ci, et en énumérer quelques-unes : ces objets peuvent en effet disposer d’une connectivité avec ou sans fil, à courte ou longue distance, embarquer plus ou moins de puissance. Certains objets connectés se limitent à un capteur et un actionneur rudimentaires couplés à un transmetteur, tandis que d’autres sont de véritables outils intelligents d’informatique embarquée.

Ces objets peuvent disposer d’équipements tels que des récepteurs GPS, des sondes capables de mesurer différentes grandeurs physiques, des capteurs sonores et vidéo. Ils peuvent ou non embarquer des dispositifs de stockage et de traitement sophistiqués des informations collectées. Ils peuvent aussi piloter des actionneurs (électrovanne, moteur, électroaimant) plus ou moins complexes dans toutes sortes d’environnement.

La grande diversité des usages possibles des objets connectés doit être soulignée.

Diversités des usages

Des objets connectés sont créés ou imaginés dans tous les secteurs de l’activité humaine, et concernent aussi bien la vie personnelle que les activités économiques.

Une énumération non exhaustive permet d’illustrer cette diversité d’usages et la variété des types d’objets qui en découle.

• Santé : une paire de lunettes connectées pour une personne en situation de handicap peut fournir des informations sur les lieux aux alentours, un bracelet connecté pour les personnes sourdes et malentendantes peut émettre des vibrations différentes selon les messages et activités perçues, il peut également détecter des anomalies rythme cardiaque.
• Domotique : thermostat intelligent, électroménager connecté (réfrigérateur, lave-linge, téléviseur), système d’alarme connecté, pilotage de l’éclairage et des stores, vidéo-surveillance distante.
• Agriculture : surveillance des cultures et analyse du sol, systèmes d’arrosages intelligents, suivi distant de cheptel.
• Aquaculture : station météo sous-marine avec surveillance de la qualité des eaux, détection de pollution ou de contamination.
• Industrie : contrôle de chaîne de production, détection d’anomalies, maintenance préventive des machines.
• Transports : capteurs embarqués de surveillance des conditions de transport du fret.
• Infrastructures : villes communicantes, bâtiments intelligents, détection d’incidents, contrôles des ouvrages d’art.
• Écologie : suivi de faune sauvage, stations de mesure de données météorologiques et de qualité de l’air.
• Loisirs : balises GPS de géolocalisation de randonneurs ou d’animaux domestiques.
• Services : enrichissement de l’expérience utilisateur, assistants de vie.

Il peut donc exister autant d’objets connectés qu’il existe d’activités humaines.

Enjeux techniques et sociétaux

Le développement de l’Internet des objets présente un certain nombre d’enjeux. Certains de ces enjeux sont techniques ou en lien avec la sécurité, d’autres portent sur des aspects sociétaux.

Implications techniques

L’Internet des objets pose de nombreux défis techniques. Il compte déjà des dizaines de milliards d’objets connectés, et ce nombre est amené à continuer à croître rapidement dans les années à venir. Ce nombre colossal d’objets transmetteurs ou acquéreurs de données aura de nombreux impacts sur l’avenir des réseaux.

Le système d’adressage actuel basé sur IPv4 est arrivé à saturation. L’essor incessant d’Internet a conduit à atteindre la pénurie d’adresses IPv4, rendant inévitable une évolution vers IPv6 pour pouvoir prendre en compte la croissance naturelle de l’Internet humain, à laquelle viendra s’ajouter le nombre considérable d’objets amenés à être connectés à l’avenir.

Les adresses réseau disponibles ne sont pas le seul problème : ces objets connectés sont amenés à traiter mais aussi à échanger des données, ce qui implique une charge sur les réseaux proportionnelle au volume et à la fréquence de transmission des données. Ces objets peuvent nécessiter ou bénéficier de protocoles adaptés à leurs besoins spécifiques, pour une meilleure efficacité et aussi une meilleure interopérabilité.

L’efficience énergétique des objets connectés doit être prise en compte, afin d’optimiser leur consommation électrique pour une plus grande autonomie et une moindre consommation. Internet est déjà un consommateur électrique majeur à l’échelle mondiale, et la multiplication d’objets plus ou moins énergivores ne pourra qu’accroître cette consommation.

La durée de vie de ces objets peut être écourtée indépendamment de l’usure physique de l’objet. En effet le fonctionnement des objets connectés dépend souvent de services proposés par le fabricant. Si celui-ci cesse son activité, l’objet connecté peut cesser partiellement ou totalement de fonctionner.

Exemple

Le lapin connecté français Nabaztag, lancé en 2005, s’appuyait sur des serveurs accessibles par Internet. Les difficultés du fabricant ont conduit à l’arrêt des serveurs en 2011, rendant les services Nabaztag inopérants.

Les enjeux techniques ne se limitent pas à la seule connectivité et disponibilité de services associés. Les objets connectés sont également une source potentielle de risques de sécurité.

Enjeux de sécurité

Les objets connectés sont souvent connectés à un réseau local doté d’une passerelle vers Internet et peuvent proposer un accès distant. Si ces objets sont mal sécurisés, ils peuvent devenir une porte d’entrée sur le réseau local sur lequel ils sont configurés.

Des personnes mal intentionnées peuvent s’appuyer sur des objets connectés vulnérables pour effectuer des intrusions sur les réseaux locaux connectant ces objets, entraînant différents risques :

• les données accessibles sur le réseau peuvent être détruites, cryptées ou volées, et les ordinateurs compromis ;
• les objets connectés peuvent servir à espionner les lieux où ils sont installés en transmettant le son ou l’image en fonction des capteurs de l’objet ;
• l’objet peut servir de relais pour lancer des attaques pouvant être coordonnées contre d’autres machines connectées à Internet (ex : attaque en déni de service distribué sur un serveur). On parle alors de machines zombies ou de réseau de machines zombies.

Au-delà de ces aspects techniques, l’Internet des objets implique également des conséquences sociétales.

Aspects sociétaux

Sur le plan sociétal, les objets connectés peuvent à la fois représenter des risques et des opportunités.

En lien avec la sécurité évoquée précédemment, les objets connectés peuvent servir de relais ou contribuer à renforcer la puissance d’attaques informatiques, lesquelles peuvent être dirigées sur des opérateurs de ressources vitales, comme les fournisseurs d’eau, d’électricité ou de transport.

Les objets connectés font également peser des risques en matière de vie privée : la multiplication des possibilités de collecte de données de toutes sortes (textes, images, sons, vidéos, géolocalisation) facilite la mise en place de nombreux systèmes plus ou moins automatisés de contrôle social, avec le risque d’évoluer vers une société de surveillance.

Exemple

La Chine a développé un système de crédit social basé sur une surveillance généralisée de sa population. Les faits et gestes des citoyens sont suivis à la trace par un réseau omniprésent de caméras et de capteurs. Leurs comportements sont notés et les incivilités sont punies par l’abaissement de la note sociale des individus. Si leur note est trop basse, leurs droits peuvent être limités. Par exemple des personnes ayant commis des incivilités dans les transports sont interdites d’acheter un billet de train. Les individus enfreignant le code de la route sont également stigmatisés : un piéton traversant hors d’un passage protégé ou au mauvais moment pourra voir sa photo affichée sur des écrans géants publics.

En France plusieurs expériences controversées de surveillance audio ou vidéo ont eu lieu ou sont en cours dans plusieurs villes : reconnaissance faciale de lycéens, système d’écoute des bruits sur des places publiques, détection automatique d’anomalies sur des flux de vidéo-surveillance, etc.

Les objets connectés représentent enfin un risque de perte d’autonomie et de libre arbitre : on ne sait plus accomplir certaines actions sans être assisté d’un objet, comme pour retrouver un itinéraire. De même les objets intelligents peuvent prendre de plus en plus de décisions pour nous, comme, par exemple, arroser les fleurs, choisir la musique à écouter ou, plus délicat, freiner lorsqu’il y a un obstacle, pour les voitures autonomes.

Il est donc nécessaire de connaître les risques pour pouvoir s’en prémunir. Mais les objets connectés représentent également une source d’opportunités.

L’accès à la technologie et aux outils s’est grandement démocratisé. La connaissance nécessaire à la réalisation d’objets connectés est largement répandue sur le web. De nombreux composants électroniques élémentaires sont financièrement accessibles et faciles à se procurer, rendant possible la fabrication d’objets uniques ou en petites séries. L’impression 3D permet de fabriquer boîtiers et pièces robotiques spécifiques.

La démocratisation de ces composants et de ces pratiques se traduit par l’émergence de la culture maker, qui encourage l’innovation et la fabrication individuelles ou en petits groupes. Cette culture rejoint également les démarches de lutte contre l’obsolescence parfois programmée d’appareils de la vie courante.

L’accès à ces outils et techniques est également une opportunité pour la réalisation d’outils entièrement contrôlés par les citoyens.

Exemple

Les personnes engagées dans la défense de l’environnement et vigilantes sur la qualité de l’air peuvent facilement fabriquer leurs propres capteurs de pollution atmosphérique, et les connecter entre eux pour proposer des mesures et des cartes en toute indépendance.

Maintenant que nous avons souligné les différents enjeux techniques et sociétaux liés à l’Internet des objets, nous allons nous intéresser à la conception d’un objet connecté expérimental.

Conception d’un objet connecté

Cette partie présente la conception d’un petit objet connecté programmé en Python capable de vérifier si la météo du jour est pluvieuse, et si c’est le cas, de faire clignoter une lumière éclairant le symbole d’un parapluie.

Nous utilisons un nano-ordinateur Raspberry Pi. Il s’agit d’un petit ordinateur qui se présente sous la forme d’une carte mère de la taille d’une carte de crédit. Le Raspberry Pi est pourvu de ports d’entrées-sorties auxquels on peut relier des composants électroniques externes. Nous pourrons y connecter une diode électroluminescente (LED) et un bouton-poussoir.

• De cette manière il nous suffira d’appuyer sur le bouton pour que notre objet connecté expérimental nous indique s’il est nécessaire de nous munir d’un parapluie, en allumant ou non la LED.

Interrogation de l’API

Doté d’une connectivité Wi-fi et Ethernet, le Raspberry Pi est tout à fait capable de se connecter sur Internet. Nous lui demanderons d’accéder à un service d’API fournissant des informations météorologiques.

Définition

API :

Une API (Application Programming Interface) est une interface de programmation d’application. Elle fournit des informations sous une forme facilement traitable par une machine.

Nous avons recours au service de l’API Metaweather (https://www.metaweather.com/api/), qui est gratuite et ne nécessite aucune inscription.

Une lecture attentive de la documentation est indispensable pour connaître le fonctionnement d’une API. Après consultation de celle-ci, nous sollicitons dans un premier temps l’API pour obtenir le code de géolocalisation correspondant à la ville de Toulouse, pour laquelle nous allons programmer notre objet connecté.

https://www.metaweather.com/api/location/search/?query=toulouse
# affiche
[{"title":"Toulouse","location_type":"City","woeid":628886,"latt_long":"43.605728,1.448690"}]

• L’élément qui nous intéresse est la valeur du code de géolocalisation woeid, qui est donc 628886 pour Toulouse.

Nous référant à nouveau à la documentation de l’API, nous apprenons comment former l’URL qui nous permet de requérir les prévisions météorologiques pour Toulouse :

https://www.metaweather.com/api/location/628886/

Nous allons nous appuyer sur une bibliothèque Python spécialisée pour effectuer nos requêtes HTTP. Il s’agit de la bibliothèque requests. Elle n’appartient pas à la bibliothèque standard mais s’installe très facilement avec le gestionnaire de packages pip de Python :

pip install requests

La bibliothèque nous permet facilement d’effectuer une requête HTTP et de traiter sa réponse.

import requests

requete = ‘https://www.metaweather.com/api/location/628886/’
reponse = requests.get(requete)

L’API fournit les données météo au format JSON. C’est un format d’échange de données très courant, que la bibliothèque requests sait prendre en compte.

donnees = reponse.json()
print(donnees)

Nous obtenons l’affichage suivant :

La documentation de l’API nous indique que les prévisions météo portent sur six jours : le jour courant et les cinq suivants (numérotés de 0 à 5 dans l’onglet JSON du navigateur Firefox). Dans le cadre de notre projet, nous souhaitons obtenir uniquement la météo du jour.

print(donnees[‘consolidated_weather’]<span class="color0">)

# affiche le texte suivant :

{‘id’: 4901425014374400, ‘weather_state_name’: ‘Heavy Rain’, ‘weather_state_abbr’: ‘hr’, ‘wind_direction_compass’: ‘SSE’, ‘created’: ‘2020-01-30T07:29:12.027092Z’, ‘applicable_date’: ‘2020-01-30’, ‘min_temp’: 8.145, ‘max_temp’: 13.22, ‘the_temp’: 11.575, ‘wind_speed’: 2.884206528558551, ‘wind_direction’: 164.96602419811737, ‘air_pressure’: 1019.5, ‘humidity’: 90, ‘visibility’: 7.906016364431719, ‘predictability’: 77}

Parmi cet ensemble de données figure l’état du ciel. La documentation nous indique que l’information est disponible à la fois sous forme de phrase (en anglais) et sous forme abrégée (code sous la forme d’une ou deux lettres minuscules).

Dans l’extrait ci-dessus, on peut relever les deux formes suivantes :

• ‘weather_state_name’: ‘Heavy Rain’
• ‘weather_state_abbr’: ‘hr’

Toujours à l’aide de la documentation, nous identifions les codes correspondant à un risque de pluie, qui sont les suivants : s, lr, hr. Ils sont en lien avec la désignation en anglais de l’état du ciel, que nous traduisons en français ci-après pour une meilleure compréhension.

Nous pouvons donc extraire la chaîne de caractères qui indique de manière codifiée le type de ciel pour la journée courante.

print(donnees[‘consolidated_weather’]</span>[‘weather_state_abbr’])
# affiche hr

Sans s’attarder sur cette syntaxe qui peut paraître un peu compliquée, on retiendra qu’elle nous donne un accès direct à la chaîne de caractères fournie par l’API pour indiquer l’état du ciel le jour-même. Nous stockons cette valeur dans une variable nommée « ciel ».

ciel = donnees[‘consolidated_weather’]<span class="color0">[‘weather_state_abbr’] print(ciel)
# affiche hr

En évaluant la valeur de cette variable nous pouvons déterminer s’il existe un risque de pluie.

Nous pouvons créer une fonction qui retourne la valeur booléenne True en cas de risque de pluie et False dans le cas contraire.

def risque_pluie(code_ciel):
if ciel == ‘hr’ or ciel == ‘lr’ or ciel == ‘s’:
return True
else:
return False

Astuce

Nous aurions pu écrire notre test conditionnel sous une forme plus compacte avec l’opérateur d’appartenance in : if ciel in [‘hr’, ‘lr’, ‘s’]:

Nous vérifions dans un premier temps le bon fonctionnement de notre instruction conditionnelle sous la forme d’un message textuel à l’écran.

if risque_pluie(ciel) == True:
print(‘pluie ou pluie probable, mieux vaut sortir avec un parapluie’)
else:
print(‘pas besoin de parapluie pour sortir’)

# affiche : pluie ou pluie probable, mieux vaut sortir avec un parapluie

Reprenons également notre interrogation de l’API sous forme de fonction :

def extrait_code_ciel():
requete = ‘https://www.metaweather.com/api/location/628886/’
reponse = requests.get(requete)
donnees = reponse.json()
ciel = donnees[‘consolidated_weather’]</span>[‘weather_state_abbr’]
return ciel

Notre programme peut ensuite être réécrit ainsi :

ciel = extrait_code_ciel()
if risque_pluie(ciel) == True:
print(‘pluie ou pluie probable, mieux vaut sortir avec un parapluie’)
else:
print(‘pas besoin de parapluie pour sortir’)

# affiche pluie ou pluie probable, mieux vaut sortir avec un parapluie

Pilotage de la LED

Notre code fonctionne jusqu’à présent sur tout ordinateur disposant du langage Python. Dans le cas du Raspberry Pi, il est dépourvu d’écran par défaut (mais dispose d’un port HDMI). Notre objet connecté étant dépourvu d’écran, il communiquera les informations à l’utilisateur à l’aide d’une unique LED.

Le Raspberry Pi est doté d’un ensemble de ports d’entrées-sorties appelés GPIO (pour General Purpose Input/Output, soit entrées/sorties à usage général). Ces ports sont conçus pour pouvoir relier facilement des composants électroniques au nano-ordinateur. La bibliothèque Python gpiozero permet de piloter facilement les éléments connectés aux ports GPIO.

Attention

Sans détailler les spécifications électroniques, on précisera que la lecture de la documentation est nécessaire pour savoir sur quels ports effectuer les branchements des composants, et qu’un minimum de connaissances en électronique est indispensable pour travailler en toute sécurité.

Nous importons les fonctionnalités LED et Button de la bibliothèque gpizero.

from gpiozero import LED, Button

Pour notre projet nous connectons la LED au port GPIO17.

led = LED(17)

L’allumage de la LED s’effectue avec l’instruction suivante : led.on()

Son extinction s’effectue avec l’instruction suivante : led.off()

Nous utiliserons la temporisation proposée par sleep de la bibliothèque time que nous importons également pour faire clignoter notre LED selon un intervalle de temps spécifique.

from time import sleep

Le code ci-après fait clignoter cinq fois la LED en marquant des pauses d’une demi-seconde à chaque allumage et chaque extinction.

for i in range(5):
led.on()
sleep(0.5)
led.off()
sleep(0.5)

Nous créons une procédure sur cette base afin de pouvoir faire varier le nombre de clignotements.

def clignote(repetitions):
for i in range(repetitions):
led.on()
sleep(0.5)
led.off()
sleep(0.5)

Nous créons une autre procédure pour un allumage continu en fonction d’un nombre variable de secondes.

def allume(secondes):
led.on()
sleep(secondes)
led.off()

Intéressons-nous maintenant au bouton-poussoir.

Bouton poussoir

Nous connectons maintenant un bouton-poussoir au port GPIO2.

bouton = Button(2)

Nous pouvons tester son fonctionnement avec une boucle de ce type et une temporisation d’une seconde :

while True:
if bouton.is_pressed:
print(‘appui sur le bouton’)
sleep(1)

• Nous constatons que les appuis sur le bouton sont bien détectés. Nous sommes donc en mesure de faire exécuter une portion de code sur la base d’un appui sur le bouton.

Astuce

Notons au passage l’instruction While True, celle-ci met le programme en permanence à l’écoute d’un appui du bouton-poussoir. C’est le propre d’un programme exploitant des capteurs : While True est toujours vraie, donc le programme boucle en permanence.

Nous insérons notre test conditionnel du risque de pluie, et si la condition est remplie nous déclenchons l’allumage de la LED pendant 10 secondes. Par ailleurs, un clignotement de la LED est enclenché pendant 3 secondes après l’appui bouton.

while True:
if bouton.is_pressed:
clignote(3)
ciel = extrait_code_ciel()
if risque_pluie(ciel) == True:
allume(10)
sleep(1)

Bien que relativement simple, l’interface homme-machine de notre objet connecté doit fournir des informations adaptées et faciles à comprendre par l’utilisateur.

Interface homme-machine

On fait clignoter la LED trois fois quand l’utilisateur appuie sur le bouton pour qu’il sache que le dispositif est bien actif.

• La LED ne s’allumant pas s’il ne risque pas de pleuvoir, le fait de la faire fonctionner brièvement montre à l’utilisateur que notre objet connecté est bien alimenté et qu’il a bien pris en compte la demande.

De nombreuses améliorations sont envisageables, comme un clignotement spécifique qui serait déclenché en cas de non-réponse ou d’erreur de l’API, ou encore l’emploi d’une LED multicolore (connectée et pilotée un peu différemment). Avec une LED capable de produire plusieurs couleurs, notre interface homme-machine pourrait par exemple communiquer ainsi :

• appui bouton : quelques clignotements de couleur verte pour confirmer que l’objet est alimenté ;
• si erreur ou absence de réponse de l’API, clignotement rapide orange ou rouge pendant 5 secondes ;
• si réponse avec risque de pluie, allumage du symbole parapluie en bleu pendant 10 secondes ;
• si réponse sans risque de pluie, aucun allumage.

Cette implémentation expérimentale montre comment il est possible de réaliser un objet connecté avec quelques connaissances en informatique et en électronique. Nous avons ainsi programmé un système dont les capteurs sont le bouton-poussoir et l’API qui renseigne sur le temps et dont l’actionneur est la LED.