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Identification et résolution des contraintes qui entravent l'évolution future de l'IoT

D'une certaine manière, l'IoT pourrait être comparé à un iceberg. Même si nous voyons tous ses aspects visibles, par exemple l'automatisation pour les particuliers et les professionnels, les gadgets intelligents et les dispositifs portables, l'infrastructure qui se cache dessous atteint une tout autre échelle. En fait, le véritable potentiel de l'IoT est fondé sur une capacité d'adaptabilité jamais atteinte jusqu'ici ; des connaissances plus approfondies peuvent être extraites des grands réseaux de capteurs qui transmettent de puissantes ressources informatiques du Cloud chargées d'analyser les données qu'elles génèrent.

Mais ces nouvelles opportunités liées à l'IoT atteignent une échelle jamais vue jusqu'ici, ce qui engendre de nouveaux problèmes commerciaux et logistiques tout aussi grands. Même si des sociétés de la taille d'IBM ou d'Intel (et même les services publics) ont les ressources nécessaires pour mettre en œuvre de tels projets, la plupart des entreprises ne sont tout simplement pas assez grandes pour agir seules.

Dans cet article, nous allons examiner les défis auxquels sont confrontées les entreprises qui se lancent dans de vastes projets d'IoT ou dont les clients exigent des ressources de l'IoT, puis nous étudierons les solutions actuellement mises au point pour tenter de résoudre ces difficultés. Les initiatives prises par les autorités publiques et municipalités pour réunir des entreprises peu habituées à coopérer jouent un rôle central dans la relève de ces défis.

Nous examinerons ensuite un autre aspect de la question en discutant d'un sujet tout aussi crucial : les technologies d'ingénierie sous-jacentes qui permettent à ces projets à grande échelle de voir le jour.

Fig.1 : Le nombre d'entreprises ayant plus de 50 000 appareils connectés actifs a doublé au cours des douze derniers mois, selon un sondage Vodaphone publié dans The Manufacturer (29 sept 2017)

Défis pour le développement de l'IoT

Sinan Ozmen, de IoT Solutions and Services, décrit les nombreux obstacles qui entravent l'adoption à grande échelle des services de l'IoT. Ces obstacles incluent la pénurie de développeurs qualifiés, le manque d'interopérabilité et de normalisation entre les systèmes, la dépendance des fournisseurs et les coûts élevés associés. Plusieurs aspects de l'IoT, y compris la communication omniprésente, l'évolutivité, l'interopérabilité, la sécurité, l'entretien et l'assistance, requièrent des solutions hautement spécialisées et personnalisées.

Toutes les phases des services de l'IoT, de l'idée au déploiement commercial, restent parsemées d'embuches et impliquent un grand nombre de parties prenantes, parmi lesquelles : les développeurs de services, les prestataires de services, les fournisseurs d'infrastructures, les opérateurs, les équipementiers, les intégrateurs et enfin et surtout, les utilisateurs finaux. Lors des différentes phases de mise en œuvre des solutions commerciales IoT, les interactions entre ces parties prenantes sont actuellement très complexes.

De nombreux fournisseurs de solutions et de plates-formes ne proposent qu'un aspect de l'infrastructure, qu'il s'agisse de la connectivité, de la gestion des dispositifs ou des applications, du stockage des données, de la sécurité ou de l'analyse des données. Ce qui manque, c'est une plate-forme centrale capable d'unifier et d'intégrer ces solutions éparses. Mais le grand nombre de fournisseurs de composants et l'absence de normes constituent une entrave à la création de cette plate-forme centrale, en engendrant des problèmes complexes de compatibilité et d'intégration au sein des composants matériels et logiciels de l'écosystème de l'IoT.

Le nombre important de dispositifs périphériques est lui aussi source de problèmes. Les applications de l'IoT dépendent de la collecte, du stockage et de l'analyse des données basées sur le Cloud, ainsi que de la prise de décisions. Cette dépendance provoque une forte densité du trafic des messages et requiert une large bande passante et une grande puissance de traitement qui ne sont tout simplement pas disponibles sur la plupart des sites de traitement à l'heure actuelle.

La sécurité constitue une autre difficulté de taille, puisque les connexions directes des nœuds au Cloud produisent des vulnérabilités dans la gestion des systèmes tant pour les données personnelles des clients que pour le Big Data des entreprises. La collecte et le stockage centralisés des données exposent les données essentielles, confidentielles et protégées des utilisateurs, provoquent des vulnérabilités et compromettent la sécurité des données. Les prestataires de services de l'IoT doivent transformer le stockage et la protection des données tout en assurant leur accessibilité, notamment pour les principaux marchés verticaux comme les services de la santé et les services financiers.

Un article intitulé « Seven big problems with the IoT » (Sept gros problèmes de l'IoT) paru dans CMS Wire traite d'une étude publiée par Gartner et intitulée « The impact of the IoT on data centers » (L'impact de l'IoT sur des centres de données). Il y est question du volume des données et des problèmes de sécurité évoqués plus haut, et de la manière dont les centres de données peuvent réagir face aux défis rencontrés. Des liens WAN entre centres de données existants ont été tissés pour les besoins modérés en bande passante de la technologie antérieure à l'IoT, mais l'impact de l'IoT va sensiblement augmenter les besoins en bande passante. Le stockage des données en un seul lieu ne sera plus viable économiquement. Contrairement à une tendance récente qui privilégiait la centralisation des applications afin de réduire les coûts et de renforcer la sécurité, les entreprises seront obligées de cumuler les données dans de multiples centres de données distribués afin d'obtenir suffisamment de puissance de traitement.

Plusieurs grandes entreprises ont déjà adopté ce processus ; IBM, par exemple, continue d'augmenter le nombre de centres de données qu'il possède et exploite à travers le monde.

Des solutions par la collaboration : les municipalités et les fournisseurs de haute technologie

Les municipalités se retrouvent face aux opportunités et aux défis liés à la résolution des problèmes urbains à long terme, avec des solutions IoT à l'échelle des infrastructures. La plupart des responsables techniques des municipalités se rendent compte que leurs services ne peuvent pas gérer seuls des projets d'une telle ampleur. En décembre 2016, des conseillers municipaux et des fournisseurs se sont réunis à Boston, lors du MA's Smart Cities Summit, pour discuter de ces difficultés et de leur résolution.

Dans un exemple, la ville de Chicago a perdu environ 735 millions de dollars en dommages matériels en raison d'une inondation sur une période de cinq ans. Après avoir décidé de mettre en œuvre une solution de l'IoT, le DIT (service municipal de l'innovation et des technologies) a réuni un ensemble de partenaires pour leur venir en aide. Parmi eux :

City Digital, un accélérateur de ville intelligente qui réunit des universités, entreprises et partenaires de la ville ;
les partenaires Microsoft, Senformatics, West Monroe, Opti et AECOM.

Des capteurs largement distribués et des analyses basées sur le Cloud permettraient à la ville de surveiller la capacité du sol à absorber et à filtrer l'eau de pluie.

Le National Institute of Standards and Technology (NIST) a posé la question de savoir comment intégrer les plates-formes de fournisseurs multiples. Le CIO du DIT de Chicago a déclaré qu'il convenait de chercher la solution dans les normes. Ils pourraient ainsi acheter, au fil du temps, des solutions auprès de différents fournisseurs sans avoir à se préoccuper des questions d'intégration et de maintenance. Un Associate Director du NIST a insisté sur la nécessité de s'entendre sur une approche commune, puisqu'il faut s'attendre à des perspectives divergentes de la part des fournisseurs et des municipalités, sachant que les municipalités souhaitent généralement maximiser les avantages offerts par les capacités d'innovation des fournisseurs.

Les fournisseurs ont également reconnu l'intérêt d'une coopération. Le VP of smart communities chez Verizon a fait observer qu'il n'existait pas de solution (ou de fournisseur) unique pour tout. Pour y gagner vraiment, les municipalités doivent disposer d'un consortium de partenaires capable de leur offrir la solution appropriée à chaque problématique.

Après collaboration des fournisseurs et une fois que les municipalités ont trouvé leur cocktail idéal de technologies, il est important de ne pas oublier ceux qui mettront les technologies en œuvre et qui, au final, utiliseront les données. Par exemple, la municipalité de Seattle a réuni l'ensemble des membres de son personnel informatique au sein d'un seul et même service au début de l'année 2016. Cette réorganisation a permis d'éliminer les activités non coordonnées et inefficaces conduites sur le principe des silos. L'équipe nouvellement formée a ainsi pu concevoir un seul et unique plan stratégique pour la ville. Une ville a été créée où les services travaillent ensemble pour trouver des solutions de collecte des données qui permettent d'aider à prendre des décisions en temps réel et d'assurer la transparence et la responsabilité vis-à-vis des citoyens de Seattle, tout en protégeant la confidentialité de leurs informations personnelles.

Enfin et surtout, il est essentiel de tenir compte du point de vue de ceux qui, au final, sont affectés par toute mise en œuvre, c'est-à-dire les habitants de la ville. La CIO et executive vice president de l'U.S. Postal Service a fait remarquer que les avantages des villes intelligentes et des données qu'elles créaient risquaient de ne pas avoir de sens pour le citoyen moyen. Elle a ajouté qu'il était essentiel de discuter avec les membres du public afin de s'assurer qu'ils comprennent la finalité des projets et la manière dont la construction d'une ville intelligente peut les aider.

Le marketing director of IoT chez Harman International a résumé la situation en expliquant que, lors de la construction d'une ville intelligente, il était essentiel de « placer le citoyen au centre de l'équation et d'offrir une expérience capable de rendre la vie dans la ville plus mémorable et utile ».

La technologie sous-jacente

Même si, comme nous l'avons vu, la réussite des mises en œuvre de l'IoT à grande échelle dépend de nombreux acteurs et technologies, il est possible d'identifier trois grands domaines technologiques : les dispositifs périphériques (capteurs et actionneurs intelligents), le traitement de données et les ressources d'analyse, et les canaux Internet sans fil ou filaires qui les relient. Nous allons examiner maintenant de plus près chacun de ces trois domaines.

Les dispositifs périphériques

L'Internet of Food & Farm 2020 (IoF2020) est un projet de l'IoT à très grande échelle en cours de mis en œuvre. Sa mission est d'étudier le potentiel des technologies de l'IoT pour le secteur de l'agroalimentaire en Europe. Même si, comme tous les projets de l'IoT, il fait un usage intensif des communications et du traitement et de l'analyse des données basées sur le Cloud, il se distingue aussi, comme nous allons le voir, par le nombre et la variété de dispositifs périphériques qu'il utilise.

Le projet IoF2020 considère le potentiel de l'IoT comme « un réseau intelligent de capteurs, actionneurs, caméras, robots, drones et autres dispositifs connectés qui permet un niveau de contrôle et de prises de décisions automatisées sans précédent ». L'objectif de ce projet est de faire de l'agriculture de précision une réalité et de faire un pas décisif vers une chaîne de valeur alimentaire plus durable, pour une hausse des rendements et une meilleure qualité de la production. L'utilisation des pesticides et des engrais chutera, et le rendement global sera optimisé, tandis qu'une meilleure traçabilité alimentaire conduisant à l'amélioration de la sécurité des aliments sera également réalisée.

Soutenu par la Commission européenne avec un budget de 30 millions d'euros, le projet IoF2020 fait partie de « Horizon 2020 Industrial Leadership ». IoF2020 vise à construire un écosystème d'innovation durable capable de favoriser l'adoption de technologies de l'IoT. C'est pourquoi les principaux acteurs de la chaîne de valeur alimentaire, ainsi que les fournisseurs de services technologiques, les entreprises de logiciels et les institutions de recherche universitaire, sont impliqués dans le projet.

Ce projet comprend 19 cas pratiques organisés autour de cinq axes : agriculture, produits laitiers, fruits, viande et légumes. L'utilisation des dispositifs périphériques dans ces cas pratiques inclue les avantages suivants : -

Agriculture : en Europe, l'exploitation des terres arables fait face à des exigences et défis toujours plus complexes en matière d'efficacité des ressources, de protection de l'environnement, de transparence et d'optimisation de la chaîne logistique. C'est pourquoi l'un des cas pratiques vise à aider les agriculteurs à gérer leurs terres de manière plus efficace et à parvenir à une interaction de meilleure qualité avec leur environnement. Ce cas pratique montre comment les données issues de différents types de capteurs (humidité du sol, matière organique du sol, climat, etc.) peuvent être utilisées pour prédire les rendements, définir des zones de gestion et préparer des cartes de tâches pour les robots et autres matériels agricoles (par ex., l'application variable d'herbicides, d'eau et d'engrais). Ce cas pratique examinera également la façon dont les données peuvent être partagées au sein des chaînes pour optimiser les rendements.

Les dispositifs de l'IoT seront également liés à des réseaux de capteurs existants tels que des systèmes d'observation des sols, des modèles de croissance des cultures, des outils d'analyse des écarts de rendement et des bases de données pertinentes.

Fig.2 : L'agriculture est confrontée à des exigences et défis de plus en plus complexes (image via pxhere)

Produits laitiers : pour rester compétitif sur le marché mondial, le secteur laitier européen a besoin d'améliorer ses procédés de production. Le cas pratique associé aux produits laitiers relève ce défi en combinant des données de capteurs en temps réel recueillies à partir de colliers avec GPS, technologies d'apprentissage machine et services Cloud afin de créer de la valeur ajoutée dans la filière laitière.

Les données sur les habitudes alimentaires des vaches fourniront, par exemple, des informations qui permettront de détecter les problèmes de santé à un stade précoce. Des données sur la qualité permettant d'étalonner les capteurs à distance vont améliorer la surveillance de la qualité du lait.

Fig. 3 :Module GPS avec antenne, basé sur le moteur GPS SiRFStar IV

Fruits : concentré sur les raisins de table, les vins et les olives, ce cas pratique associé aux fruits montrera comment la technologie de l'IoT peut améliorer chaque étape du processus de production. Les données des capteurs provenant de stations météorologiques, de dispositifs robotisés au sol et dans les airs, de caméras multispectrales/thermiques, de potentiel hydrique, de mesures légères de micro-climat et d'indices des fruits, de systèmes basés sur le Cloud pour la surveillance et de systèmes d'alerte précoce pour lutter contre les parasites et maladies (par ex., pulvérisation à taux variable, récolte sélective) peuvent toutes contribuer à l'amélioration de la qualité et à la hausse des rendements.

Les dispositifs de traçabilité (par ex., RFID, codes à barres multidimensionnels, étiquettes 3D) et l'emballage intelligent permettent également la surveillance de l'état des produits lors de l'entreposage, du traitement, du transport et dans les rayons.

Fig.4 : La production du raisin de table peut être améliorée grâce aux technologies de l'IoT (image via pixabay)

Légumes : dans la culture de légumes biologiques, le désherbage représente l'une des activités les plus importantes et les plus fréquentes pour contrôler à la fois la qualité du terrain et des produits. Au cours des dernières années, les machines de désherbage automatisé entre les rangs sont apparues sur le marché, ce qui a sensiblement facilité le processus de désherbage. Les machines de désherbage les plus avancées utilisent des applications de vision industrielle pour distinguer les cultures des mauvaises herbes.

Étant donné que les données des capteurs des systèmes de caméra constituent des sources d'information précieuses, ce cas pratique recueille sur la caméra des données spécifiques au site afin de fournir des indications sur le nombre de légumes qui poussent dans le champ, l'état de croissance des plantes et le meilleur moment de la récolte, la proportion de mauvaises herbes, les pénuries de nutriments et la sécheresse.

Fig. 5 : Les machines de désherbage les plus avancées utilisent des applications de vision industrielle pour distinguer les cultures des mauvaises herbes (image via Wikimedia)

Traitement et analyse des données

L'analyse des données et, plus récemment, le Big Data, ne sont pas nouveaux ou limités à l'IoT. Cependant, l'IoT impose un changement en deux dimensions : le volume de données sans précédent que les grands réseaux de capteurs sont capables de générer et leur forme non structurée. Les flux de données qui arrivent en temps réel et parfois de manière imprévisible en provenance des capteurs sont moins faciles à gérer et nécessitent plus de puissance de calcul que les données recueillies à partir de feuilles de calcul ou formulaires de saisie remplis par les utilisateurs.

Cependant, de nouvelles techniques permettent de faire face à ces nouveaux défis. Par exemple, les clusters Hadoop et les technologies connexes peuvent gérer des charges de travail sans précédent pour le traitement.

Hadoop est un cadre de programmation Java en logiciel libre qui prend en charge le traitement et le stockage de très gros volumes de données dans un environnement informatique distribué. Il fait partie du projet Apache parrainé par l'Apache Software Foundation.

Hadoop permet d'exécuter des applications sur des systèmes avec des milliers de nœuds de matériel de grande diffusion, et de gérer des milliers de téraoctets de données. Son fonctionnement avec des fichiers distribués garantit des taux de transfert de données rapides au sein des nœuds et permet au système de continuer à fonctionner en cas de défaillance d'un nœud. Cette approche réduit le risque de défaillance catastrophique du système et la perte inopinée des données, même en cas de panne d'un nombre important de nœuds. C'est pourquoi Hadoop est rapidement apparu comme une base idéale pour les grandes tâches de traitement des données, telles que l'analyse scientifique, la planification des activités de l'entreprise et des ventes, et le traitement d'énormes volumes de données des capteurs provenant de périphériques de l'IoT et d'autres sources.

Les entreprises peuvent déployer les composants Hadoop et les logiciels connexes dans leur centre de données local. Cependant, la plupart des projets de Big Data dépendent de l'utilisation à court terme d'importantes ressources informatiques. Ce type d'utilisation est mieux adapté à des services de Cloud public hautement évolutifs, tels qu'Amazon Web Services (AWS), Google Cloud Platform et Microsoft Azure. Les fournisseurs de Cloud public prennent souvent en charge des composants Hadoop par le biais de services simples, tels que les instances AWS Elastic Compute Cloud et Storage Service. Cependant, il existe également des services conçus spécialement pour les tâches de type Hadoop, tels que AWS Elastic MapReduce, Google Cloud Dataproc et Microsoft Azure HDInsight.

En tant que structure logicielle, Hadoop comprend de nombreux modules fonctionnels. Au minimum, Hadoop utilise Hadoop Common comme noyau pour fournir les bibliothèques principales de la structure. Les autres composants incluent Hadoop Distributed File System (HDFS), qui peut stocker des données sur des milliers de serveurs de grande diffusion afin d'obtenir une large bande passante entre les nœuds ; Hadoop Yet Another Resource Negotiator (YARN), qui assure la gestion et la planification des ressources pour les applications utilisateur ; et Hadoop MapReduce, qui fournit le modèle de programmation utilisé pour aborder le traitement de gros volumes de données distribuées, ce qui permet de cartographier les données et ainsi d'en réduire le volume.

Fig.6 : Logo Hadoop (image via Flickr)

Connectivité internet sans fil

Une nouvelle utilité novatrice a été trouvée pour les réverbères puisqu'ils sont utilisés pour la connectivité dans les zones urbaines. Selon un rapport sur la mobilité réalisé par Ericsson, le trafic de données mobiles devrait être multiplié par neuf d'ici 2020 et l'infrastructure de télécommunications actuelle peine à répondre à cette demande, en raison de la difficulté que pose l'acquisition de sites pour l'accueil de cette infrastructure dans les zones urbaines à forte densité. Pour soutenir cette croissance du trafic, les opérateurs mobiles déchargent les données dans des petites cellules distribuées. On prévoit que, d'ici 2020, les opérateurs mobiles se délesteront de 40 à 50 % de la capacité de données en optant pour le LTE (4G) et la connexion Wi-Fi haut débit. Dans le cas où plusieurs prestataires de services assureraient l'hébergement sur la même infrastructure, on estime que plus de 50 % du trafic 4G/5G serait déchargé.

Ces petites cellules étaient généralement hébergées sur leurs propres mâts, mais Siemens et Philips ont créé une solution innovante qui les intègre dans une infrastructure d'éclairage intelligent. La distribution régulière et dense des réverbères dans les zones urbaines constitue un cadre idéal pour les réseaux de petites cellules. À l'avenir, cette connectivité accrue et harmonieuse pourrait être utilisée pour permettre le déploiement de véhicules autonomes.

Projet Bristol is Open : une opportunité de communication IoT pour les partenaires de développement réguliers : le projet Bristol is Open est une coentreprise formée entre l'Université de Bristol et la municipalité. Ce projet a créé une infrastructure de recherche numérique sophistiquée à travers la ville. Le réseau comprend un anneau de large bande super-rapide et un réseau « maillé » de l'IoT créé à partir de points d'accès montés sur 1 500 réverbères à travers la ville. Il utilise des technologies sans fil avancées à régulation automatique pour étendre la connectivité. Il est conçu pour accueillir des volumes élevés d'applications à faible bande passante, comme les capteurs.

La maille permettra aux dispositifs de l'IoT d'être mis en œuvre à grande échelle, ce qui fournira une fonction test pour les opérateurs de réseau, développeurs d'applications et fabricants de dispositifs. Les partenaires impliqués dans ce projet seront en mesure d'expérimenter et de développer de nouvelles solutions pour relever les défis de la vie moderne. Il permettra peut-être d'exploiter les communications de machine à machine ou les technologies de l'Internet des objets pour contrôler les feux de circulation complexes ou surveiller la santé des citoyens. En définitive, le projet vise à créer une ville ouverte programmable qui pourra être utilisée pour développer de nouvelles solutions qui permettront à la ville de mieux fonctionner.

Conclusions

Il ne fait aucun doute que l'IoT a la capacité d'apporter un éclairage sans précédent sur de nombreux aspects des secteurs industriel, agricole, médical, infrastructures et autres grâce à l'association de réseaux de capteurs, ainsi qu'à l'agrégation et l'analyse de données. Cependant, bien que l'évolutivité soit l'un de ses facteurs de réussite, elle peut également constituer un obstacle à son évolution. Des projets à grande échelle peuvent engendrer de nombreux problèmes techniques et financiers, par exemple produits et technologies incompatibles, manque de ressources d'experts pour résoudre les problèmes d'interopérabilité et procéder au développement, aux tests et à l'installation, et manque de ressources financières et de gestion pour la coordination et la mise en œuvre.

Même si ces difficultés existent et doivent être prises en compte dès le début, il est possible de les surmonter. La promesse de récompenses futures motive de nombreuses entreprises à relever les défis et à investir dans les ressources nécessaires à la réalisation de leurs objectifs, soit en s'en chargeant elles-mêmes ou en constituant une équipe d'intervenants aux compétences complémentaires. Certains organismes gouvernementaux œuvrent parfois plus comme des catalyseurs, en encourageant des interactions entre tiers afin d'innover et d'obtenir des résultats. Comme nous l'avons vu dans cet article, ces activités peuvent s'étendre de l'infrastructure à l'échelle de la ville à des initiatives à l'échelle continentale, telles que le projet européen IoF2020 Internet of Food & Farm décrit plus haut.

Dans tous les cas, la volonté de s'orienter vers un IoT plus étendu devrait se poursuivre ; l'enquête Vodaphone mentionnée au début de cet article a également révélé que 67 % des participants de grande taille avaient mis en évidence les importants retours dont ils ont bénéficié grâce à l'IoT, tandis que 66 % de toutes les entreprises sont d'accord pour admettre que la transformation numérique est impossible sans l'IoT.