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.
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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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