Il ne faudra pas longtemps avant que les espaces intelligents ne deviennent un secteur industriel majeur cherchant à intégrer des capteurs et l’IA dans les environnements quotidiens. À ce titre, nous allons examiner quelques exemples potentiels de ce qui se profile à l’avenir et le matériel nécessaire pour envisager de concrétiser un tel projet.
Qu’est-ce qu’un espace intelligent ?
Lorsqu’il est question de l’avenir des technologies liées à l’IdO, l’expression « espaces intelligents » est souvent évoquée. Toutefois, avant de pouvoir étudier le matériel et les applications des espaces intelligents, il faut d’abord définir ce qu’est un espace intelligent.
En termes simples, tout environnement numérisé au point de pouvoir être lu et enregistré peut être considéré comme un espace intelligent. Lorsque nous disons qu’il est possible de lire et d’enregistrer, cela signifie que les données clés sur l’environnement peuvent être lues, traitées, puis affectées avec le résultat. Par exemple, les environnements intérieurs peuvent être considérés comme des espaces intelligents où la qualité de l’air intérieur est mesurée en fonction de la température et des niveaux de CO2, où les résultats sont traités par un ordinateur et où les fenêtres et les climatiseurs sont ensuite ajustés afin d’améliorer la qualité de l’air en remplaçant l’air vicié, en chauffant l’espace ou en le refroidissant. Cependant, à la différence d’un système traditionnel de contrôle de l’environnement, un système de contrôle intelligent traiterait l’environnement pour qu’il réagisse en fonction de multiples facteurs, tels que le nombre de personnes présentes, les prix actuels de l’énergie et les modèles de comportement des utilisateurs.
Fondamentalement, un espace intelligent fait référence à l’acte de numériser un environnement afin qu’il puisse être surveillé et contrôlé par des systèmes intelligents capables de réagir en temps réel. Il est possible de transformer n’importe quel environnement en espace intelligent : des routes, des forêts et même les rues des villes. S’il peut être numérisé, alors il peut être transformé en un espace intelligent.
Quelles seront les exigences fondamentales d’un système embarqué dans un espace intelligent ?
Le composant fondamental de tout espace intelligent (ou de tout circuit électronique moderne, d’ailleurs) est un microcontrôleur intégré dont la tâche consiste à lire les données sensorielles, à traiter les E/S et à communiquer avec des serveurs distants pour fournir des données et recevoir des commandes.
Le deuxième composant le plus important dans un espace intelligent est la communication : Comment un microcontrôleur embarqué communique-t-il avec un serveur distant pour obtenir des données ? Si certains espaces (tels que les espaces industriels intérieurs) peuvent permettre l’utilisation d’un réseau Ethernet câblé ou RS-232, il est fort probable que les espaces intelligents nécessiteront l’utilisation d’une communication sans fil. Dans ce cas, les concepteurs peuvent choisir entre le cellulaire, le Wi-Fi, le Bluetooth et le LoRaWAN.
Quelle que soit la technologie sans fil utilisée, le fait même d’utiliser la communication sans fil exerce de multiples pressions sur la conception, notamment sur la consommation d’énergie et la sécurité. Si le problème de la consommation d’énergie peut être résolu grâce à des transmissions de données peu fréquentes et à l’utilisation de microcontrôleurs à faible consommation d’énergie, la sécurité des communications sans fil pose des problèmes majeurs.
D’une part, la sécurité sans fil permet aux attaquants de s’introduire dans les appareils sans avoir besoin d’être physiquement à côté de ceux-ci. De plus, les espaces intelligents dotés de plusieurs appareils utilisant tous la même technologie pourraient constituer une cible tentante pour un pirate, car le piratage de l’un d’entre eux pourrait permettre d’accéder à tous les appareils, ce qui augmenterait la récompense en cas de piratage réussi.
Ainsi, un dispositif embarqué doit non seulement garantir une faible consommation d’énergie, mais il doit également intégrer des fonctions de sécurité solides telles que le cryptage matériel, la génération de nombres aléatoires réels, les zones de confiance et les accélérateurs cryptographiques.
Pour mieux comprendre les espaces intelligents et les contraintes auxquelles ils sont confrontés, examinons quelques exemples de défis auxquels est confrontée une conception et ce que l’ingénieur doit rechercher.
Exemple 1 : les poubelles intelligentes
Les poubelles intelligentes commencent déjà à être développées, et elles pourraient contribuer à créer des espaces intelligents dans les villes, capables de répondre à l’utilisation en temps réel. Par exemple, une poubelle équipée d’un capteur détectant son utilisation actuelle pourrait être ramassée uniquement en cas de besoin, ce qui réduirait les émissions de CO2 des véhicules qui doivent collecter les déchets. De plus, une poubelle intelligente serait capable de suivre l’utilisation des poubelles en fonction de l’heure, ce qui donnerait aux urbanistes un aperçu du trafic dans une zone donnée.
Comme un tel dispositif serait incroyablement simple (un simple capteur PIR fonctionnerait ici), presque n’importe quel microcontrôleur intégré aura la capacité de traitement nécessaire pour détecter la présence de déchets et signaler à un serveur distant le ramassage d’une poubelle si nécessaire. Même si les poubelles se trouvent dans des zones urbaines, qui ont accès à l’infrastructure, le fait que les poubelles soient gérées par du personnel signifie que toute maintenance nécessaire sur le capteur peut être effectuée à chaque collecte, ce qui comprend le changement des piles. Les piles étant plus faciles à intégrer que le câblage secteur avec convertisseurs de puissance, il est logique qu’un tel capteur fonctionne sur piles. Enfin, l’utilisation de ces capteurs dans une zone urbaine signifie qu’ils peuvent tirer parti des réseaux cellulaires, car ceux-ci sont largement implantés dans les villes.
Dans ce cas, le facteur le plus important pour un ingénieur concepteur serait le besoin d’un processeur à faible puissance capable de communiquer avec un modem cellulaire ou d’intégrer son propre modem cellulaire sous la forme d’un système sur module. Quoi qu’il en soit, une faible consommation serait la clé d’une telle conception.
Exemple 2 : Moniteur d’activité
Qu’il s’agisse d’un espace extérieur ou intérieur, un moniteur d’activité est un appareil qui permet d’observer l’activité immédiate de l’environnement proche. Cette activité comprend le nombre de personnes qui se déplacent dans la zone, le temps qu’un flâneur passe dans la zone, et même l’identification des individus. Dans cet exemple, un tel dispositif aurait principalement besoin d’une caméra, ce qui impose déjà une demande de traitement à tout microcontrôleur choisi. L’utilisation de la reconnaissance faciale peut également devoir se faire localement pour des raisons de confidentialité (c’est-à-dire l’informatique périphérique), ce qui nécessitera un traitement local de l’intelligence artificielle.
Enfin, les problèmes d’alimentation d’un tel dispositif sont quelque peu négligeables si l’on considère que la plupart des systèmes de caméras utilisent l’alimentation de l’appareil principal. Cela permet de s’assurer que la caméra dispose de toute l’énergie nécessaire au traitement de la vidéo et de garantir la fiabilité de la caméra.
Exemple 3 : Éclairage intelligent
Les espaces extérieurs qui utilisent l’éclairage peuvent tirer parti des dispositifs intelligents pour prendre des décisions sur la nécessité de l’éclairage. Cela présente l’avantage d’économiser de l’énergie lorsqu’on ne l’utilise pas, et l’atténuation des lumières peut également contribuer à réduire la pollution lumineuse pour les résidents voisins ainsi que le ciel. En outre, la réduction de l’éclairage augmente la durée de vie des lampes, ce qui contribue à réduire les déchets électroniques et le coût global de la durée de vie d’un système d’éclairage.
Pour créer un tel système, il faut des capteurs capables de détecter l’activité, mais il n’est pas nécessaire qu’ils fonctionnent avec le même degré de précision ou de résolution que dans l’exemple précédent (le moniteur d’activité). Dans ce cas, le seul point de préoccupation est l’occupation d’un espace, et des données plus avancées peuvent chercher à voir la vitesse et la direction d’un occupant (cela pourrait être utilisé pour créer un chemin de prédiction sur les lumières à éteindre et à allumer).
Il est également probable qu’un tel capteur pourrait effectuer la majeure partie du traitement sur la puce et ne pas avoir besoin d’utiliser des services dans le Cloud distants (bien sûr, cela pourrait toujours être utilisé pour ajouter des fonctionnalités au système d’éclairage). Étant donné que les systèmes d’éclairage intelligents disposeront d’une connexion électrique stable, il n’y a guère besoin de systèmes de capteurs fonctionnant sur batterie, ce qui signifie que les solutions à faible puissance ne sont pas essentielles.
Au lieu de cela, un dispositif intégré dans cette application devrait se concentrer sur une sécurité forte pour la simple raison qu’un attaquant ayant accès au dispositif serait en mesure de contrôler l’éclairage à volonté, ce qui pourrait être utilisé à des fins néfastes (c’est-à-dire pour couvrir des traces, commettre des crimes, etc.). Une sécurité forte serait également nécessaire, car un tel système pourrait aussi être capable d’identifier des personnes si une caméra est utilisée.
L’avenir des espaces intelligents s’annonce radieux
Les espaces intelligents n’en sont qu’à leurs débuts et, bien que de nombreux produits sur le marché soient vendus comme étant « intelligents », la plupart d’entre eux ne le sont pas (c’est-à-dire qu’ils n’effectuent aucun traitement réel des données et ne réagissent pas aux événements en temps réel). Lorsque les ingénieurs conçoivent et développent des capteurs et des périphériques informatiques destinés à être utilisés dans des espaces intelligents, nous devons nous assurer que le type de technologie approprié est choisi pour l’application et, pour ce faire, nous devons nous assurer que nous comprenons parfaitement ce qui est exigé d’un appareil.
Dans le cas des espaces intelligents, le respect de la vie privée et la sécurité seront les deux principaux sujets de préoccupation. Par conséquent, tout dispositif embarqué dans un espace intelligent devra au moins disposer de plusieurs niveaux de sécurité matérielle, y compris le cryptage, le stockage des clés et les certificats. Ensuite, la consommation d’énergie sera un facteur important, car la probabilité qu’un capteur spatial intelligent fonctionne sur batterie est élevée. C’est à partir de ces principales préoccupations que le choix de la technologie de communication sera fait, et c’est à ce moment-là que la conception d’un espace intelligent embarqué pourra finalement être construite.