Sommaire

3.      Systèmes embarqués. 2

3.1.       Présentation. 2

3.2.       Contraintes techniques et matérielles. 3

3.3.       Acteurs impliqués. 4

3.4.       La communication M2M... 6

3.4.1.         Présentation. 6

3.4.2.         Définition. 6

3.4.3.         Pourquoi le Machine to Machine ?. 7

3.4.4.         Histoire du machine 2 machine et applications actuelles. 8

3.4.5.         La communication Machine 2 Machine. 9

3.5.       Les systèmes existants. 13

 

 

 

3.       Systèmes embarqués

3.1.      Présentation

Un système embarqué est un système électronique et informatique, piloté par un logiciel intégré au sein de ce système que l’on appelle « logiciel embarqué ». Il est par ailleurs soumis à diverses contraintes comme le volume du système ou encore l’énergie consacrée au fonctionnement de celui-ci. Il est notamment constitué de puces électroniques sur lesquelles fonctionnent des logiciels dédiés à l’exécution de fonctions spécifiques, elles-mêmes intégrées dans des équipements divers. Ainsi, la conception des circuits électriques nécessaires au fonctionnement du système embarqué est directement liée à l’élaboration du « firmware ». L’application est donc vue comme un ensemble de composants. Le système embarqué est autonome et son fonctionnement ne nécessite généralement pas de services extérieurs.

Le premier système embarqué a vu le jour avec la mission lunaire Apollo où un système de guidage a été développé. Celui-ci utilisait de nouveaux composants dont la masse et l’espace étaient nettement réduits, ce qui avait pour conséquence de limiter les risques en rapport avec la mission. Depuis, les systèmes embarqués ont pris une place prépondérante et sont omniprésents dans la société moderne.

Aujourd’hui, les systèmes embarqués sont utilisés dans de nombreux domaines d’application comme les télécommunications, les transports, l’aéronautique, l’électroménager… Cependant, un enjeu majeur reste d’actualité en la nécessité de minimiser les coûts et d’assurer la fiabilité du matériel dans lequel se trouve le système embarqué. Ainsi, de nombreuses contraintes résident dans la conception des systèmes embarqués :

-       Le volume du système embarqué doit être le plus faible possible.

-       L’espace de stockage est limité compte tenu de sa petite taille.

-       La consommation énergétique doit être également très faible à cause de l’utilisation de batteries ou d’autres moyens d’alimentation pour faire fonctionner les systèmes embarqués.

-       Le temps d’exécution des fonctionnalités intégrées aux systèmes intégrés doit être extrêmement faible pour les systèmes embarqués fonctionnant en temps réel, ce qui est le cas pour la plupart d’entre eux.

-       La fiabilité tant au niveau du fonctionnement qu’au niveau de la protection des données de l’utilisateur doit être assurée, grâce à la mise en œuvre de systèmes prédictibles.

-       La puissance de calcul du système embarqué doit être suffisante afin de fournir les fonctionnalités pour lesquelles ce dernier a été conçu.

Par conséquent, les systèmes embarqués développés doivent impérativement répondre à ces contraintes afin d’être mis sur le marché. Ils sont en perpétuelle évolution dans le but de fournir de nouveaux services répondant à la demande des potentiels utilisateurs. Actuellement, le secteur de la domotique est demandeur de systèmes embarqués évolués afin de développer la notion de maison intelligente, où les facteurs environnementaux et les appareils électriques seraient directement contrôlables par une interface. Cette idée a notamment été fortement développée par Schneider Electric, dans son projet « Homes », où la régulation de la consommation énergétique serait possible grâce à une interface Web.

 

3.2.      Contraintes techniques et matérielles

Les systèmes embarqués sont soumis à de nombreuses contraintes en fonction de leur domaine d’application, notamment ceux en temps réel puisque la contrainte temporelle prend une place prépondérante. Ainsi, en plus des différentes contraintes liées à l’embarquabilité, la contrainte temporelle devient prioritaire et le système embarqué doit donc échanger des données, en temps réel, si besoin. Parmi celles-ci, nous retrouvons des contraintes de :

-       Dépendance : fiabilité, maintenabilité, sécurité.

-       Efficacité : consommation d’énergie, taille du programme, poids, coût, temps d’exécution.

-       Matérielle : taille, poids, chaleur dégagée, processeur, mémoire disponible.

Ces contraintes doivent être prises en compte dès le début, car elles influent grandement sur la conception des systèmes embarqués et sur ses capacités futures.

Malgré l’évolution de la technologie, ces contraintes restent importantes pour garantir aux entreprises une rentabilité par rapport au matériel utilisé. En effet, le coût et la performance des composants sont des éléments importants pour les entreprises dans le choix des systèmes embarqués, malgré une évidente amélioration de ces facteurs récemment. C’est pourquoi nous observons que la majorité des systèmes embarqués sont :

-       Réactifs et capables de faire des traitements en temps réel.

-       Petits et légers.

-       Peuvent (selon les cas) posséder une batterie de grande capacité.

-       Peuvent (selon les cas) résister à des conditions difficiles telles que des chocs, des vibrations, des interférences.

Au final, il apparait que les contraintes les plus grandes, même avec la miniaturisation des composants, restent les contraintes en termes de composants surtout lorsqu’un coût de production intervient et que ce dernier décide en grande partie de la faisabilité du produit en termes de production et de commercialisation.

 

3.3.      Acteurs impliqués

D'un point de vue des acteurs impliqués, nous avons remarqué qu'actuellement, les changements se font principalement dans le domaine des Smart Grid avec divers alliances ou rachats par exemple. Le Smart Grid peut être défini comme étant un réseau de distribution d’électricité dit « intelligent », c’est-à-dire que des mesures informatiques (souvent en rapport avec le machine to machine) sont utilisées pour optimiser, la production, la consommation, et réduire les couts. Le Smart Grid a aussi un but écologique.

Comment ça marche ?

Le Smart Grid va permettre une combinaison des énergies renouvelables entre elles. Elle va aussi permettre aux utilisateurs de gérer eux-mêmes leurs dépenses énergétiques.

 En effet, non seulement ce réseau intelligent transporte l'électricité d'un point à un autre, mais il s'appuie, chez les particuliers et dans les entreprises, sur des compteurs « intelligents » qui signalent les heures les plus favorables à telle consommation, arrêtent certains appareils (comme les climatiseurs lorsqu'ils fonctionnent en période de pics d'utilisation) et informent les usagers par transfert sur leur Smartphone du statut énergétique de leur domicile ou de leur bureau. Ils peuvent ainsi, en temps réel, interagir pour diminuer tel fonctionnement électrique ou au contraire, à distance, allumer tel autre. De plus, le réseau intelligent autorise tout type de production électrique venant de sources non conventionnelles et susceptibles de perturber la grille classique de transport d'électricité, notamment en provenance des fermes éoliennes et solaires photovoltaïques. Un système de stockage est aussi mis en place avec le Smart Grid, pour stocker le surplus d’électricité (notamment avec le projet Vehicle 2 Grid que nous expliquerons plus tard qui permettrait quand la voiture sera garée de stocker de l’énergie). Le système ne sera donc plus central, c’est-à-dire qu’il n’y aura plus juste une centrale par laquelle est véhiculée l’électricité vers les différentes infrastructures.

Le Smart Grid aura beaucoup d’intérêts à tous les niveaux, c’est pourquoi de nombreux acteurs sont intéressés par ce domaine.

En effet, La société Itron par exemple, fournisseur de capteurs et de modules pour mesurer la consommation d'électricité, de gaz et d'eau, a fait l'acquisition de la société SmartSynch, qui est spécialisée dans la communication IP cellulaire de Smart Grid Ceci a permis à la société Itron de connecter ses modules et capteurs à « l'internet des objets ».

 

Mais aussi, un groupe de compagnies (Analog Devices, Fuji Electric Co., Murata Manufacturing Co., Japan’s National Institute of Information and Communications Technology (NICT), Omron Corp., Osaki Electric Co., Renesas Electronics Corporation, and Silver Spring Networks, Inc, etc) fournissant des produits et technologies relatifs au réseau de type « Smart Grid » ont formé une organisation nommée Wi-SUN (Wireless Smart Utility Network). Cette alliance a pour objectif de soutenir la certification et la promotion d'un standard d'interconnexion pour les appareils sans fil « Smart Grid » et cela afin d'améliorer la communication entre des personnes éloignées de chez eux et leurs appareils électroménagers.

Cette alliance soutient le standard émergeant IEEE 802.15.4g pour les communications sans fil d'appareils à batterie. Elle permet à l'industrie des smart meters d'avoir, pour la première fois, les moyens d'assurer la conformité aux normes et l'interopérabilité afin de faciliter l'adoption rapide de la technologie de ces derniers.

De plus, la société McAfee est en tête dans le domaine de la sécurité des Smart Grid grâce à son rachat de la société NitroSecurity.

Une autre interaction entre acteurs importants est le partenariat entre Nissan et Intel dans le but d’intégrer les processeurs Atom d’Intel dans les systèmes embarqués de divertissement pour automobiles. Cette série d’automobiles fera son apparition début 2013. 

La veille effectuée par rapport à cet axe nous a montré que des alliances se mettent en place pour combiner différentes technologies et dans le but d’innover et de répondre à de nouveaux besoins.

 

Source (5 mars 2012) McAfee et NitroSecurity: http://www.smartmeters.com/the-news/smart-grid-news/3066-mcafee-and-nitrosecurity-take-lead-in-smart-grid-security.html?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+SmartmeterscomNews+%28Smart+Meter+News%29

Source (5 avril 2012) Nissan et Intel : http://newsroom.intel.com/community/intel_newsroom/blog/2012/04/05/intel-technology-selected-for-nissan-motor-companys-next-gen-in-vehicle-infotainment-systems

Source (9 avril 2012) Wi-SUN alliance : http://www.smartmeters.com/the-news/smart-grid-news/3159-new-alliance-formed-to-promote-better-smart-grid-communication.html?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+SmartmeterscomNews+%28Smart+Meter+News%29

Source (16 février 2012) Itron et SmartSynch : http://www.greenbang.com/smart-grid-industry-climbs-the-evolutionary-ladder_21435.html

 

 

3.4.      La communication M2M

Dans cette partie nous aborderons le concept de « Machine to Machine appliqué aux systèmes embarqués.

3.4.1.                  Présentation

Le développement des technologies de communication et des équipements intelligents, combiné à l’informatique lié à l’entreprise, a permis l’émergence d’un nouveau type d’usage et d’application : le Machine to Machine.

Le Machine to Machine (ou M2M) est un concept de l’informatique et des télécommunications. Il décrit l’ensemble des technologies et moyens mis en place pour permettre la communication automatisée entre deux appareils (électriques ou mécaniques). Cette communication peut être filaire ou sans fil selon la technologie de communication choisie.

Le M2M autorise donc à deux machines connectées d’échanger des informations pour réaliser des actions, analyser des données…, et ce sans aucune intervention humaine.

Les prémices du Machine to Machine ont commencé depuis plus de 50 ans. C’est pourquoi nous retrouvons aujourd’hui plus de 60 000 000 000 000 (60 billions) d’appareils connectés grâce au M2M. Cependant, comme nous le verrons par la suite, ce dernier protocole date d'une dizaine d'années.

Cependant, le M2M n’a pas de standard en termes d’appareils connectés et la majorité des systèmes utilisant le M2M sont construits dans un but spécifique ou liés à une entité précise.

Le Machine to Machine peut être utilisé dans de nombreux domaines, on le retrouve par exemple dans :

-       La sécurité pour la surveillance, les alarmes.

-       La production pour automatiser et contrôler une chaine de production.

-       Les transports pour le contrôle des émissions, la gestion d’un parc automobile.

Il en ressort que la communication Machine to Machine va de pair avec les systèmes embarqués.

 

3.4.2.                  Définition

Nous allons dans un premier temps définir ce qu’est le « Machine to Machine » (ou « M2M »). Pour donner une définition simple du « Machine to Machine », nous pouvons dire qu’il s’agit d’interactions entre des machines sans intervention humaine (ou des interventions très limitées). Plus précisément, c’est l’association des technologies de l’information et de la communication (TIC), avec des objets intelligents et communicants, dans le but de donner à ces derniers les moyens d’interagir sans intervention humaine avec le système d’information d’une organisation ou d’une entreprise.

Le « Machine to Machine » repose sur:

-       Le matériel électronique.

-       Le réseau par lequel se feront les échanges.

-       Les logiciels qui vont faciliter les échanges entre les applications.

C’est la combinaison de ces 3 ensembles, suffisamment développés, qui vont permettre au M2M d’exister.

Les différents matériels électroniques concernés peuvent être le GPS grâce à la géolocalisation et qui peut permettre d’apporter des solutions à la gestion de parcs de véhicules, des objets embarqués et communicants pour le monitoring à distance (photocopieurs contrôlés à distance par exemple), ou encore des puces électroniques de type RFID (radio-identification) qui vont permettre l’identification d’objets. Ces applications sont devenues assez fiables et ont un coût désormais raisonnable.

Les réseaux sans fil (WiFi, Bluetooth, GPRS, etc.) vont permettre des échanges en temps réel. Leurs coûts deviennent de plus en plus bas et leur déploiement de plus en plus important.

De nombreuses nouvelles applications informatiques vont permettre de gérer les ressources à travers des systèmes d’informations fiables et les standards tels que le XML ou les Web Services facilitant les échanges, ou encore le Java pour l’accès aux objets communicants, vont permettre une intégration et un déploiement des solutions matérielles plus simples.

 

 

3.4.3.                  Pourquoi le Machine to Machine ?

Le M2M à de nombreux avantages que ce soit pour les entreprises ou pour les particuliers. Pour les entreprises, cette technologie permettrait :

-            Une augmentation de la productivité avec des machines plus disponibles grâce au monitoring des pannes en temps réel, des bilans de l’activité de l’entreprise, des processus accélérés via le réseau mobile...

-            Une réduction des coûts grâce à l’automatisation des tâches et/ou encore de la réduction du nombre d'interventions terrain, des consommations en carburant, du nombre de vols.

-            Une amélioration de la satisfaction client grâce à l’information des pannes, la possibilité d’informer des clients en temps réel.

-            Des économies d'énergie  et d’argent grâce à des interventions à distance.

Pour un particulier, cette technologie apporte aussi de nombreux avantages que ce soit à travers les loisirs, mais aussi pour améliorer la sécurité au quotidien.

Pour y voir plus clair, nous allons citer deux exemples de situations pour une personne lambda où le « Machine to Machine » est utilisé :

-            Une personne diabétique, mesurant son taux de glycémie tous les jours à l’aide d’un équipement qui peut transmettre automatiquement les résultats à un centre de gestion accessible par des médecins. Un avis médical peut être immédiatement envoyé au patient, ou une proposition de rendez-vous. Le patient est donc suivi en temps réel. Cet exemple montre que les médecins peuvent prendre des décisions concernant la santé de leurs patients sur la base de données transmise par des systèmes automatisés.

-            Une maison équipée avec des caméras et des détecteurs de mouvements qui envoient des alertes en cas d’intrusion directement aux habitants et au centre de surveillance. Une intervention peut être réalisée alors très rapidement, et cela permet aussi d’éviter les fausses alertes.

 

3.4.4.                  Histoire du machine 2 machine et applications actuelles

Le Machine to Machine existe depuis plus de 10 ans. Ce marché atteint déjà 20 milliards d’euros dans le monde en 2005 et a dépassé 220 milliards d’euros en 2010, soit une croissance annuelle de plus de 50 %. Le nombre d’objets communicants dans le monde atteint les 100 milliards, dont plus de 13 milliards en Europe, intégrant principalement la technologie RFID.

Les premières applications de Machine to Machine furent développées sur des automates d’alerte pour la gestion des incidents entre systèmes hétérogènes (gestion autoroutière, surveillance d’ouvrages d’art, télédiagnostic pour équipes de maintenance…). Le moteur principal de ces projets était la sécurité et l’efficacité des interventions sur site.

 

 

Les secteurs les plus développés à ce jour dans le domaine du Machine to Machine sont ceux du transport et des services. Dans le domaine du transport, les applications les plus répandues sont l’optimisation du routage et la traçabilité des produits dans la chaîne logistique. Dans le domaine des services, les principaux usages sont liés à la planification et l’optimisation en temps réel des interventions de techniciens sur les sites. On y trouve également des applications comme le relevé de compteur à distance.

Par ailleurs, il existe des domaines d’application à fort potentiel, pour lesquels des applications sont en phase expérimentale. C’est le cas de la santé pour le suivi des malades à distance (vu dans l’exemple précédent avec le patient diabétique) ou de la logistique pour la localisation des colis et la gestion d’entrepôts.

Des services innovants ont également vu le jour. C’est le cas de l’assurance automobile avec le service “Pay-as-you-drive” qui récompense les clients conduisant de manière responsable. C’est également le cas avec l’usage du RFID dans la grande distribution alimentaire et l’électronique grand public. Ce système permet de repérer à la volée le contenu des chariots et d’adapter les messages publicitaires aux habitudes des consommateurs.

L’engouement des opérateurs de télécommunications pour le marché du Machine to Machine est croissant lui aussi. En effet, bien qu’il s’agisse d’un marché couvrant aussi bien les aspects informatiques que télécoms, les opérateurs ont identifié le Machine to Machine comme un nouveau gisement de croissance, favorisant l’utilisation de leurs infrastructures existantes. De plus, la mise en œuvre de solutions Machine to Machine nécessite le déploiement d’un grand nombre de modules communicants équipés d’un accès réseau, ce qui constitue des solutions stables comparativement à celles développées pour les utilisateurs de téléphonie fixe ou mobile. En contrepartie, les trafics sont relativement faibles, ce qui nécessite de revoir le modèle économique associé.

Conscients de ce potentiel, les opérateurs mobiles offrent d’ores et déjà des infrastructures dédiées au Machine to Machine, facilitant le développement d’applications spécifiques et l’intégration de services. Des solutions verticales ont également vu le jour, ciblant directement certains marchés prometteurs tels que celui de la gestion de flotte et du transport.

3.4.5.                  La communication Machine 2 Machine

Comme cité dans la définition, le « Machine to Machine » repose sur trois technologies. Voici les différents domaines liés entre eux pour permettre le bon fonctionnement d’une solution M2M :

-       Un réseau d’appareils communicants.

-       Un réseau de communication qui assure un lien et une communication entre les appareils M2M et la couche applicative.

-       Une couche applicative qui contient les applications et services utilisés.

 

Le schéma suivant illustre ces trois domaines ainsi que les liaisons existantes entre eux :

 

 

Figure 6 - Une solution M2M

 

Source (décembre 2011) : http://docbox.etsi.org/M2M/Open/Information/M2M_presentation.pdf

Le réseau d’appareils : il s’agit des objets intelligents (capteurs,GSM…) qui vont envoyer les informations au serveur central en temps réel. Les usagers ont la possibilité de les commander et les paramétrer à distance. Des passerelles sont souvent nécessaires pour faciliter les informations via le réseau.

Le réseau de communication : Il s’agit des technologies permettant à la communication de se faire. Plusieurs appareils peuvent être reliés sur un même site (de manière filaire ou sans fil via le WIFI par exemple) et les réseaux GPRS (Edge, 3G…) peuvent permettre une communication à distance.

Le domaine d’application : Les applications vont permettre d’utiliser les données stockées sur le serveur de l’entreprise proposant ses services pour satisfaire les besoins du client (exemple d’une interface web sur laquelle le client peut consulter des informations relatives aux appareils M2M installés chez lui).

Finalement, voici un schéma plus détaillé illustrant l’ensemble des couches utilisées par le Machine to Machine ainsi que les services utilisés :

 

Figure 7 - Les couches utilisées par le M2M

 

Source : http://monteil.files.wordpress.com/2011/11/pbs_large.png

 

Afin d’illustrer une telle communication, prenons l’exemple d’un distributeur de boissons qui lance une commande automatiquement :

 

Figure 8 - Exemple de communication

 

 

 

Nous allons porter notre intérêt sur le protocole sémantique. En effet, ce protocole est à la base de la communication Machine to Machine et est en lien avec le Web sémantique.

L’un des langages souvent utilisés dans le protocole sémantique est le langage XML (défini plus haut dans ce document).

Cependant, il arrive que le langage XML ne soit pas suffisant et qu’il faille décrire les relations entre les données, c’est là que la notion d’ontologie apparait. De plus, l’intégration de services Web est souvent combinée à l’utilisation du langage XML et des technologies comme SOAP, UDDI et WSDL. Ainsi, cet ensemble de technologies permet aux machines d’échanger des informations via une communication Machine to Machine.

Aujourd’hui, les technologies liées au Web sémantique visent à uniformiser et à fournir une normalisation standard pour permettre une communication entre tous les types de systèmes embarqués.

 

 

3.5.      Les systèmes existants

L’architecture des systèmes embarqués peut être représentée sous la forme suivante :