Explorez l’agencement de l’Internet des Objets (IoT) pour établir une infrastructure IoT adaptée à un contexte professionnel.
Les entrepôts du futur, les chaînes d’approvisionnement, les installations de production et les plateformes logistiques seront tous intégrés à l’IoT. En raison de la complexité technologique, seuls quelques leaders du secteur informatique comprennent réellement les mécanismes sous-jacents. Toutefois, vous pouvez également décrypter ce domaine en vous familiarisant avec cette technologie.
Si vous désirez dynamiser votre entreprise en l’orientant vers l’intelligence numérique, ou proposer des solutions IoT en tant que service, poursuivez votre lecture. Cet article décortique l’architecture IoT, le moteur de l’automatisation et de la commodité, et présente des exemples d’applications courantes.
Introduction
L’IoT comprend des capteurs, des équipements et des interfaces électroniques qui recueillent, traitent et transmettent des données sous forme d’instructions aux machines finales.
Ce sont des éléments variables ou des composants actifs au sein d’un système IoT. L’architecture IoT est le cadre qui définit la manière d’orchestrer ces éléments mobiles et d’établir la structure finale de l’IoT.
L’architecture IoT vous guide sur la manière de connecter et d’utiliser les appareils, les logiciels cloud et le réseau de capteurs du système IoT. Il ne faut pas oublier que le dépannage du système s’effectue également au sein de l’architecture IoT.
Un modèle de base pour cela serait une structure à trois niveaux de composants dans un système IoT, qui se décompose comme suit :
- Capteurs, actionneurs, appareils, etc., constituent la couche de perception
- Les réseaux LAN, Wi-Fi, 5G, 4G, etc., forment la couche réseau
- Une interface utilisateur graphique constitue la couche application
L’architecture de l’IoT garantit que vous êtes au fait de tous les éléments, des flux de données et des commandes de l’appareil final au sein du système. Ainsi, vous pouvez sécuriser, maintenir et gérer efficacement vos systèmes IoT.
Niveaux de l’architecture IoT
Une architecture de système IoT comporte divers niveaux qui agissent comme des vecteurs numériques à travers lesquels les données des capteurs parviennent à l’application cloud. Ensuite, l’application cloud prend des décisions en fonction d’un déroulement de travail prédéfini pour les dispositifs finaux tels que les bras robotisés dans une usine de fabrication.
Finalement, ces décisions sont transmises aux périphériques finaux par le biais du même niveau. La compréhension de ces niveaux vous permet de concevoir une architecture IoT performante. Voici les niveaux d’architecture IoT que vous devez connaître :
Le niveau sensoriel/de perception
Le niveau de perception se compose des dispositifs finaux qui collectent des données issues du monde physique. Par la suite, des applications numériques peuvent analyser les données recueillies.
Étant donné que ce niveau est en contact direct avec les objets du monde réel, les spécialistes de l’IoT l’appellent aussi le niveau physique. Voici quelques exemples notables d’appareils se connectant au niveau de perception :
- Des capteurs tels que les gyroscopes, les capteurs de vitesse, les capteurs d’identification par radiofréquence (RFID), les capteurs chimiques, etc.
- Les actionneurs et les bras robotisés
- Les caméras de sécurité, les systèmes d’accès aux portes, etc.
- Les thermostats, les systèmes CVC, les arroseurs d’eau, les éléments chauffants, etc.
La plupart des équipements IoT industriels collectent des données pour le niveau de traitement. Pour les appareils IoT domestiques, le niveau de perception peut également faire office de niveau de traitement, comme le Nest Learning Thermostat.
Le niveau réseau/de transport de données
Le niveau réseau assure le transport des données entre les différents niveaux d’une architecture IoT. Ce niveau détermine également la topologie du réseau pour l’ensemble du réseau d’appareils, d’applications cloud et de bases de données.
Les éléments cruciaux de ce niveau sont les passerelles Internet, les ports intranet, les passerelles réseau et les systèmes d’acquisition de données (DAS). Pour les protocoles de connectivité réseau mentionnés ci-dessus, vous pouvez vous appuyer sur les dispositifs physiques suivants :
- Wifi
- Réseaux étendus (WAN)
- 4G LTE/ 5G
- Bluetooth basse consommation
- Communication en champ proche (NFC)
Ce niveau permet la communication entre divers terminaux et applications cloud. Les données provenant de capteurs, telles que la température, la vitesse, l’humidité, etc., transitent par le niveau réseau pour atteindre les autres niveaux.
Le niveau de traitement des données
Le niveau de traitement gère les analyses et stocke les données avant de les transmettre vers un centre de données. Il inclut l’analyse de périphérie dans l’informatique de périphérie, l’intelligence artificielle (IA) et l’apprentissage automatique (ML). Les prises de décisions fondamentales se font également à ce niveau.
Le niveau de traitement assure toutes les tâches de prise de décision. Néanmoins, il est possible de renverser une décision ou d’améliorer le système en prenant des décisions ponctuelles au sein du niveau applicatif – une fonction indispensable pour le contrôle humain sur les machines intelligentes.
Le niveau Application ou GUI
La plupart des systèmes IoT, tels que Google Home, Amazon Alexa, etc., opèrent sans intervention humaine. Cependant, une interface utilisateur graphique est nécessaire pour ajouter des flux de travail IoT, modifier des paramètres, ajouter des appareils, etc. C’est le rôle du niveau applicatif.
Voici certaines exigences fondamentales pour le niveau applicatif dans une architecture IoT :
- Gérer les problématiques liées aux commandes vocales
- Communiquer avec des milliers de capteurs et d’équipements finaux depuis un petit écran
- Ajouter de nouveaux équipements à un système IoT existant sans interrompre l’ensemble des opérations commerciales
- Surveiller l’état du système et réparer les appareils selon les indications du tableau de bord
- Concevoir de nouvelles règles ou déroulements de travail pour les systèmes IoT
- Créer et suivre un accord de niveau de service (SLA)
Dans les configurations industrielles, un tableau de bord centralisé sur un écran d’ordinateur est généralement nécessaire pour surveiller tous les systèmes IoT. À partir de ce tableau de bord, il est possible d’interagir avec tout ou partie des systèmes IoT en mettant en pause, en arrêtant ou en redémarrant les équipements.
Niveau métier
Le niveau métier transforme les données stockées en informations exploitables. Les dirigeants d’entreprise, les directeurs techniques et autres peuvent utiliser ces rapports pour éclairer leurs décisions en vue d’améliorer la productivité.
Ce niveau englobe principalement les intégrations d’applications métier. Par exemple, les planificateurs de ressources d’entreprise (ERP), les applications d’informatique décisionnelle (BI), les applications de visualisation de données, etc.
Les analystes de données peuvent, à ce niveau, traiter les données et les intégrer dans un outil de BI tel que Tableau ou Power BI, afin d’évaluer les performances globales du système IoT. Il est également possible de générer des prévisions basées sur la capacité de production actuelle et les besoins futurs du marché.
Étapes de l’architecture IoT
La mise en œuvre d’une architecture de systèmes IoT de haut niveau implique la compréhension des étapes de ce système :
Objets
L’étape objet commence par l’implémentation du niveau physique. C’est là qu’il faut connecter des équipements intelligents, des capteurs et des actionneurs au réseau IoT et aux machines finales.
Les capteurs peuvent être connectés par câble ou sans fil. L’objectif premier est de recueillir des données issues du monde réel et de les convertir en données numériques pour le niveau de traitement.
Passerelle
Il est nécessaire de configurer un intranet ou une passerelle Internet. Au cours de cette phase, les modems et les routeurs collectent des données provenant des capteurs et des terminaux.
Ces dispositifs de passerelle transmettront ensuite les données numériques au niveau de traitement et au niveau applicatif. La plupart des architectures IoT utilisent un système d’acquisition de données pour cette phase.
Systèmes informatiques
Les systèmes IoT collectent des données analogiques, que les systèmes d’acquisition de données convertissent en données numériques. Par conséquent, la taille des données numériques après traitement est considérable. C’est là qu’intervient un système informatique de pointe.
Lors de cette étape, les données collectées sont acheminées vers un système informatique de pointe où des algorithmes d’IA et de ML les traitent et ne conservent que les données exploitables.
Stockage en nuage/centres de données
Une fois que le système informatique périphérique a traité et filtré les données essentielles, il faut les stocker dans un espace accessible. Le niveau applicatif de l’architecture IoT se connectera à l’étape de stockage.
L’étape de stockage est généralement un stockage en cloud privé, où les données IoT peuvent être conservées dans des bases de données structurées. Pour des solutions plus économiques, des clouds publics peuvent également être envisagés.
Exigences non fonctionnelles
#1. Sécurité
Pour assurer la sécurité interne de l’architecture, il faut empêcher tout appareil non autorisé de s’y connecter. Les appareils doivent être enregistrés et capables de communiquer de manière sécurisée.
De plus, tous les utilisateurs et les données doivent bénéficier d’un accès sécurisé à l’architecture. Les utilisateurs autorisés du système doivent échanger des données en utilisant des contrôles de sécurité.
#2. Performance
Le système IoT doit être compatible avec les données non structurées et structurées. Le déploiement de la plateforme doit être compatible avec le cloud, l’infrastructure sur site et le cloud hybride.
Des temps de réponse acceptables pour les utilisateurs, des communications bidirectionnelles en temps quasi réel et des horodatages précis sont d’autres conditions non fonctionnelles essentielles de cette architecture.
#3. Facilité de gestion
L’architecture IoT doit comporter des notifications et des alertes pour tout problème. Elle doit permettre de gérer les solutions pour identifier rapidement les causes des problèmes à partir d’un nœud central.
#4. Maintenabilité
Les équipements et le système IoT doivent être adaptables. L’architecture doit être suffisamment flexible pour s’ajuster rapidement aux changements d’utilisateur, de processus et de données. La maintenance doit également être effectuée sans compromettre les accords de niveau de service (SLA).
#5. Disponibilité
Certains domaines et solutions exigent une disponibilité 24h/24 et 7j/7 des systèmes IoT. Par exemple, une architecture IoT dans un hôpital ou un laboratoire nécessite un fonctionnement continu du système.
Architecture IoT dans MongoDB Atlas
Architecture IoT sur MongoDB Atlas Image de MongoDB.com
Les différents niveaux d’une architecture IoT génèrent des téraoctets de données. L’utilisation d’une base de données cloud compatible avec l’IoT est idéale pour stocker ces données de manière organisée.
MongoDB Atlas est l’une des meilleures bases de données cloud disponibles. Voici quelques exemples de son utilisation dans l’architecture IoT :
- MongoDB RealmSDK et MongoDB Server pour créer une base de données et une interface. Ces bases de données et interfaces peuvent être utilisées par des applications et des appareils mobiles.
- Au niveau du réseau, MongoDB Atlas peut être utilisé pour configurer et déployer des serveurs IoT.
- MongoDB 5.0 Time-Series peut servir d’espace de stockage pour les données de mesure IoT continues.
- Si le système IoT rencontre des problèmes de connectivité réseau instable, la synchronisation hors ligne d’Atlas App Services peut être utilisée en priorité.
- Au niveau du métier, MongoDB Connector for BI et MongoDB Charts peuvent être utilisés pour extraire des informations exploitables à partir des données IoT.
Exemples d’applications
L’architecture IoT gagne en popularité chaque jour, et son utilisation se développe dans de nombreux secteurs. Voici ses applications les plus courantes :
#1. Santé
Les cliniques et les hôpitaux génèrent des téraoctets de données inexploitées. Ces données peuvent être utilisées pour une efficacité opérationnelle accrue et de meilleurs soins aux patients.
Grâce à l’architecture IoT, les établissements peuvent mettre en service des données patient fragmentées. Les médecins peuvent rapidement obtenir et utiliser ces informations pour réagir rapidement aux alertes. Les dispositifs connectés à l’infrastructure IoT et les moniteurs de santé peuvent fournir l’état du patient en temps réel.
#2. Agriculture
Les agriculteurs peuvent recourir à l’architecture IoT pour accroître et gérer la production de manière autonome.
On observe également son utilisation dans les domaines suivants :
- Surveillance de la température du sol
- Identification des causes de panne de machine
- Réglage des niveaux d’humidité et de température pour les cultures d’intérieur
#3. Fabrication
Le secteur manufacturier utilise des capteurs IoT pour mieux comprendre les processus. Ces capteurs ne sont généralement pas connectés à Internet. Ces capteurs de variantes à courte portée sont également capables de calculer les changements dans le temps.
Voici d’autres applications de l’architecture IoT dans ce secteur :
- Prévision de la demande grâce au suivi de la production en temps réel
- Évaluation de l’efficacité de base grâce au suivi du temps de cycle
#4. Solutions CVC commerciales
Le CVC est un système complexe qui ne peut se permettre de défaillance d’un élément ou d’une fonction. Une telle défaillance entraînerait une consommation d’énergie élevée et des coûts de maintenance supplémentaires. L’architecture IoT permet d’assurer que les systèmes CVC fournissent un rendement satisfaisant tout en fonctionnant à un niveau de puissance inférieur.
L’IoT permet également de garantir la cohérence et la qualité des solutions commerciales. Le système collecte et analyse automatiquement les données avec un minimum d’interaction de l’utilisateur afin de vous informer de toute anomalie.
#5. Prévention des dégâts des eaux dans les appartements commerciaux
Les fuites et les ruptures de canalisations causent des dommages se chiffrant en millions de dollars pour les propriétaires et les compagnies d’assurance. L’invisibilité des connexions d’eau rend difficile l’identification de la cause profonde.
Une architecture IoT correctement configurée peut alerter les utilisateurs de toute fuite en temps réel grâce à des capteurs intégrés performants. Elle fournit également des données de localisation contextuelles aux parties prenantes pour une meilleure maintenance des actifs. Les compagnies d’assurance bénéficient également de cette détection précoce des problèmes.
De plus, les capteurs peuvent détecter les fuites mineures qui pourraient devenir des menaces potentielles à l’avenir, permettant ainsi aux utilisateurs de prendre des rendez-vous avec des plombiers.
L’avenir de l’architecture IdO
L’IoT est sur le point de connaître une avancée évolutive grâce à la croissance du réseau 5G, ce qui permettra de traiter les données plus rapidement que jamais, sans parler du déploiement rapide des systèmes IoT.
Avec l’utilisation de la 5G privée, les administrateurs peuvent mettre en place un réseau mobile 5G personnel et en avoir le contrôle total.
Les opérations au niveau de l’entreprise ne seront pas confrontées aux problèmes suivants :
- Limitation de la vitesse
- Manque d’interopérabilité
- Frais supplémentaires en cas de dépassement de l’utilisation des données
- Indisponibilité de la bande passante aux heures de pointe
Mot de la fin
L’architecture IoT explique comment relier tous les éléments d’un système IoT en un réseau cohérent. Nous avons donc examiné tous les aspects techniques essentiels de l’architecture de ce système.
Une compréhension approfondie des architectures IoT permet de créer des solutions de qualité professionnelle dans les domaines de la santé, de la fabrication et de l’agriculture. Les utilisateurs peuvent même dépasser les exemples d’applications mentionnés dans cet article et implémenter l’IoT dans divers secteurs encore à explorer.
Nous vous invitons également à consulter nos articles sur les ressources d’apprentissage IoT et les kits de démarrage IoT.