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Station météorologique sur arduino


par Raphaël BOURGEAY
Université d'Aix-Marseille - DUT Réseaux et Télécommunications 2020
  

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Abstract

Our work aims to provide an integrated hardware and software solution, we implement IoT (Internet of Things) technology to create, merge hardware and various connected peripherals to develop a fully connected weather station using an Arduino microcontroller that will send the data received and a Raspberry nano computer that will process the data received to exploit it in graphical form.

The hardware part consists of proposing and building a system of sensors using a Wi-Fi (Wireless Fidelity) network to equip the station. The software part consists in implementing an IoT application, under an IoT management platform for data storage, analysis, and visualization, to control and receive data from the IoT system remotely and in real time on a web page. The proposed solution uses the Mosquitto platform (Open Source MQTT server) and some communication protocols dedicated to IoT systems such as MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) and Wi-Fi. We are targeting this category of "home-made" weather station because the cloud system set up by Arduino is entirely impenetrable to us, i.e. we do not know whether our data is used for statistical or even commercial purposes. Moreover, the capacities are limited such as: 5 sensors/actuators maximum usable, the processing time is limited to 200 seconds per day (about 10 uploads of the program). The goal of our project is to provide a connected system where the lights can be controlled, and the sensors can be remotely consulted. The proposed solution uses two types of sensors, a brightness sensor and a potentiometer and relies on two LED (Light-Emitting Diode) lighting modes: on or off. This thesis presents a method for creating a cloud on a personal server and should be feasible in a few hours of practical work for the students.

Keywords: Internet of Things, weather station, communication protocols, IoT management platforms, Smart Data.

DUT R&T - Mémoire 2020 - BOURGEAY Raphaël

Table des matières

1 Introduction 1

2 Histoire 3

3 Problématique 4

4 Etat de l'art 4

5 Objets connectés 4

5.1 Liaison à un cloud 4

5.1.1 Le cloud privé 5

5.1.2 Le cloud public 5

5.1.3 Le cloud hybride 6

5.2 Fonctionnement de cloud spécial IoT 6

5.3 Domaines d'application 6

6 Arduino 7

6.1 Présentation, caractéristiques, packs, cartes 7

6.2 Application, langage, broches 9

7 Cloud libre avec MQTT 11

7.1 Historique 11

7.2 Accès aux données avec le modèle pub/sub 12

7.2.1 Evolutivité 13

7.2.2 Sécurité 14

7.2.3 Difficultés 14

7.2.4 Applications 14

7.3 Topics MQTT 14

7.4 Qualité de service 15

7.5 Exploitation de données 16

8 Conception de la station météorologique 17

8.1 Choix des éléments matériels 17

8.1.1 Carte Arduino 17

8.1.2 Capteur de lumière 17

8.1.3 Potentiomètre 18

8.2 Arduino IDE 19

8.3 Configuration routeur internet 19

9 Problèmes rencontrés 20

10 Conclusion générale 21

11 Bibliographie / sources 23

12 Tutoriel 24

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1 Introduction

Aujourd'hui, l'électronique intervient dans le quotidien de tous, les systèmes sont de plus en plus sophistiqués, petits et puissants.

La météorologie est souvent au coeur de nos discussions, pour certains elle nécessaire à la planification de certaines activités, pour d'autres elle est une passion. Les conditions climatiques changeant sans cesse, la météorologie était considérée comme une science incertaine durant des années. Aujourd'hui, la transmission radio d'informations collectées à tous les endroits du monde (stations, navires et satellites météorologiques) peut fournir des prévisions plus fiables.

Le « Cloud computing » traduit de l'anglais « informatique en nuage » n'est pas une nouvelle technologie, mais une nouvelle méthode informatique, qui contient de nombreuses idées difficiles à maîtriser. En février 2011, le groupe IPSOS (société française de sondage et société internationale de marketing d'opinion) s'est associée à Microsoft pour soulever des questions sur ce problème auprès de plusieurs sociétés. Observation : 82% des TPE-PME (Très Petite Entreprise - Petite et Moyenne Entreprise) ne peuvent pas définir avec précision le concept de cloud computing, et 52% d'entre elles ont déjà utilisé des solutions de type cloud.

De manière générale, on peut assimiler le « Cloud Computing » à un regroupement de ressources informatiques exploitées, à distance et à la demande, par de nombreux clients externes, sous forme de services à la consommation. Les traitements informatiques ne sont donc plus réalisés sur le poste utilisateur ou sur un serveur interne mais déportés dans un centre de données virtuelles maintenues par le prestataire de service Cloud. L'objectif étant de réduire la complexité de l'informatique.

Cette technologie existe dans nos vies et nous émerveillera par la qualité et par la rapidité de son évolution. Elle améliore nos vies grâce à la quantité d'informations accessibles à tous, elle informe tout ce qui se passe dans le monde, elle peut guider les décisions et faciliter la mise à jour. La technologie apporte d'énormes avantages à tout le monde. Ces dernières années, la technologie a réagi dans divers domaines et a inévitablement un impact sur la vie quotidienne. Afin de faciliter la vie et d'éliminer les dilemmes qui entourent les êtres humains, il existe toujours plusieurs technologies pour garantir qu'une de ces technologies existe : l'Internet des objets (IoT). L'Internet des objets représente l'expansion d'Internet aux objets et aux lieux du

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monde physique. Bien qu'Internet ne dépasse généralement pas le monde électronique, l'Internet connecté représente l'échange d'informations et de données d'appareils dans le monde réel vers Internet.

De nos jours, l'Internet des objets devient un sujet intéressant, qui concerne divers domaines tels que l'agriculture, les soins de santé, les villes intelligentes, l'énergie intelligente, etc. Et a ouvert une nouvelle source d'innovation technologique presque inépuisable, qui est également très précieuse pour de nombreuses industries. La technologie de l'Internet des objets facilite la connexion de divers objets au réseau et le développement d'applications pour contrôler et gérer des objets. Toute la complexité de la tâche de connexion est confiée à la plateforme IoT. Par conséquent, la plate-forme de gestion du système Internet des objets fournit d'autres fonctions, telles que l'analyse, la visualisation et le stockage des données. La définition de la plate-forme IoT varie selon l'auteur. Par exemple, la plate-forme IoT peut être définie, de cette façon : les objets peuvent être connectés au système informatique tout en assurant l'authentification et la sécurité des objets connectés, mais aussi gérer les données et les commandes pour envoyer et recevoir, collecter, visualiser et analyser les données et l'intégrer à d'autres services Web.

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2 Histoire

Les premières mesures de la température à la surface du globe ont démarré en 1856, lorsque la société météorologique britannique a commencé à rassembler des données de 24 stations réparties dans le monde. Afin de comprendre la température avant cette date, les scientifiques ont développé des méthodes de mesure "indirectes" à partir de données collectées dans le milieu naturel (événements historiques, anneaux annuels, coraux, glace, palynologie).

En utilisant ces techniques "indirectes", les températures peuvent être reconstruites pendant des centaines de milliers d'années, et le thermomètre à air ou thermomètre de Santora Santo Rio (1561-1636) a été le premier appareil à mesurer la température. L'appareil n'a que trois échelles : la température de l'air refroidi par la neige, la température de l'air chauffé par la flamme de la bougie et le point médian.

Début du XVIIIe siècle : Daniel Fahrenheit est l'auteur de la plus ancienne échelle de températures encore en usage aujourd'hui. Il fixe la température du mélange d'eau, de glace, de sel marin et de sel d'ammoniaque à 0 °, fixe la température du mélange d'eau et de glace à 32 ° et fixe la température du corps à 100 ° à l'image d'une personne légèrement fiévreuse.

À la fin du XVIIIe siècle : invente le thermomètre bimétallique et le thermomètre enregistreur à tube de Bourdon qui utilisent la déformation thermique du métal, également appelé enregistreur de température. Un imageur thermique est un instrument de mesure composé de stylet qui peut enregistrer mécaniquement les changements de température sur un graphique.

Aujourd'hui, il existe des stations météorologiques numériques qui peuvent mieux mesurer et signaler des informations afin qu'elles soient faciles à voir et à comprendre. Certaines stations météorologiques peuvent même se connecter à des applications de téléphones intelligents ou à des services en ligne afin que des personnes puissent accéder à leurs informations météorologiques de n'importe où. Les observateurs météorologiques modernes peuvent utiliser ces informations pour gérer leurs jardins, surveiller leurs fermes. Les stations météorologiques numériques ont tendance à être plus précises et plus faciles à utiliser.

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3 Problématique

Aujourd'hui le monde tourne autour des objets connectés, pour répondre au besoin de l'utilisateur qui cherche à obtenir le bon service au bon moment et au bon endroit, on pense qu'il existe plusieurs défis à la mise en oeuvre réussie de l'IoT. En tant qu'étudiant, notre souci est d'arriver à combiner le monde réel et le monde virtuel, autrement dit, de travailler sur la standardisation de ce nouveau système en développant de nouvelles applications et de nouveaux environnements ainsi que de nouveaux protocoles de communication.

Comment construire une station météorologique en déjouant le système Arduino IoT Cloud ?

4 Etat de l'art

L'IoT et la technologie Web sont les outils majeurs de la nouvelle ère de transformation digitale. À travers l'IoT, nous recherchons le potentiel des nouvelles technologies et leurs impacts dans l'amélioration continue du monde réel. Il est important de dresser un état de l'art retranscrivant les divers travaux déjà réalisés par nos prédécesseurs pour apporter ou même lever le voile sur des solutions qui, de prime abord, ne paraitraient pas aussi évidentes quant à notre problématique. Pour cela, nous développerons cette partie qui apportera des réponses à notre problématique.

5 Objets connectés

5.1 Liaison à un cloud

La connexion au cloud permet des calculs et dispose d'un espace de stockage géré à distance. Les utilisateurs peuvent se connecter via des ordinateurs, des téléphones et des tablettes via des connexions Internet et peuvent accéder directement aux données hébergées sur le serveur. Il existe 3 niveaux de cloud :

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5.1.1 Le cloud privé

a. Privé interne

L'architecture est gérée par l'entreprise. Le cloud privé interne est utilisé par plusieurs consommateurs d'une seule entreprise propriétaire de l'infrastructure. Il peut également être partagé avec des filiales ou entre elles.

b. Privé externe

Le cloud privé externe suit la même logique que le cloud privé interne. La différence est que l'architecture est hébergée par un fournisseur de services. Il est entièrement propre à l'entreprise et accessible via un réseau sécurisé, un réseau privé virtuel, un VPN (Virtual Private Network) En effet, ces VPN sont gérés directement par l'entreprise via ses services informatiques internes. Ils peuvent également être partagés et le fournisseur sera responsable de la plateforme. Ce modèle devrait apporter les avantages de l'informatique en nuage «publique» (par exemple: réduire les coûts associés à la virtualisation des applications dans le cas d'une infrastructure partagée) sans inconvénients: en mettant l'accent sur les données sur la sécurité, la conformité de la gouvernance d'entreprise, et tout Fiabilité du service fourni.

5.1.2 Le cloud public

Le cloud public est basé sur un modèle de cloud computing standard dans lequel les fournisseurs de services fournissent des ressources, telles que des applications ou du stockage, au public via Internet. Le cloud public peut être gratuit, ou il peut être exploité en fonction du paiement du consommateur. L'avantage de cette architecture est qu'elle est facile à installer et le coût est relativement raisonnable. La charge, l'application et la bande passante des matériaux sont à la charge du fournisseur. De cette façon, le modèle peut offrir une flexibilité et une évolutivité améliorées pour répondre rapidement à la demande. Aucune ressource n'est gaspillée car les clients ne paient que ce qu'ils consomment. Malheureusement, les entreprises s'inquiètent toujours de cette solution, et les participants au cloud computing public devront encore utiliser certains arguments pour convaincre les décideurs informatiques.. Les entreprises de toutes tailles considèrent la sécurité, la confidentialité et l'immaturité comme les principales faiblesses des solutions IaaS (Infrastructure as a Service) ouvertes. Nous trouvons tout type de solution SaaS (Software as a Service) (messagerie en ligne, stockage en ligne, etc.) ou PaaS (Platform as a Service) (Microsoft Windows Azure46) dans le cloud public.

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La Quadrature du Net