Longévité pour l’Internet des objets

image : Brad Campbell, professeur agrégé d’informatique et de génie électrique et informatique, Université de Virginie
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Crédit : Tom Cogill / École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie

Même les personnes les plus économes mettent à jour leurs téléphones portables et leurs ordinateurs portables de temps en temps. Ils sont relativement faciles à remplacer.

Cela ne s’applique pas aux capteurs avec connexion Internet, qui sont de plus en plus installés dans les bâtiments et autres structures. Les petits appareils de surveillance situés dans des endroits difficiles d’accès collectent et transmettent en permanence des données, allant des niveaux de température et d’humidité dans les immeubles de bureaux à la pression sur les ponts.

Les capteurs constituent une grande partie du réseau plus large que les scientifiques appellent l’Internet des objets, composé de milliards de produits connectés qui rendent nos voitures, nos maisons, nos entreprises et nos villes plus efficaces. Ces réseaux promettent d’énormes avantages pour la société, tels que des capteurs médicaux qui aident les médecins à fournir de meilleurs soins aux patients et des capteurs environnementaux qui aident les gens à économiser de l’énergie.

Mais une grande question empêche la technologie d’atteindre son plein potentiel : comment faire fonctionner tous ces petits ordinateurs dans le temps ?

“Les appareils IoT surveillent souvent une infrastructure qui devrait durer des décennies ou des siècles. Nous ne remplaçons pas tous nos bâtiments tous les cinq ans », a déclaré Brad Campbell, professeur agrégé d’informatique et de génie électrique et informatique à la faculté d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie.

Pour répondre à cette question, il a remporté un prix de carrière de 700 000 $ de la Fondation nationale de la recherche sur cinq ans pour la recherche, “Appareils réutilisables pour un Internet des objets plus vert”.

Le programme CAREER, l’un des prix les plus prestigieux de la NSF pour les enseignants débutants, reconnaît le potentiel du récipiendaire à être un chef de file dans la recherche et l’éducation. Campbell est membre du Link Lab d’UVA Engineering, un centre de recherche interdisciplinaire sur les systèmes cyberphysiques, où il est l’un des nombreux professeurs de premier plan qui se concentrent sur la façon dont les gens peuvent utiliser les systèmes connectés pour communiquer avec leur environnement.

Envisagez un système d’éclairage intelligent qui allume et éteint les lumières dans le bâtiment, selon l’endroit où les gens se déplacent à l’intérieur. Un bâtiment peut utiliser jusqu’à 30 000 capteurs. Tirer pleinement parti des appareils connectés signifie que les appareils peuvent rapidement atteindre des billions. Il n’existe aucun moyen pratique de les mettre à niveau ou de les remplacer tous avec la même fréquence que les appareils personnels.

Imaginez que vous essayez simplement de garder les piles dans les capteurs – l’un des plus gros maux de tête de maintenance de tous les temps, et un Campbell a beaucoup d’expérience dans la recherche de son doctorat. en informatique à l’Université du Michigan.

“Sans parler de ce que nous faisons avec tous ces vieux appareils qui fonctionnaient relativement bien, mais qui n’ont peut-être tout simplement pas suivi le rythme ? Maintenant, ils deviennent essentiellement des déchets électroniques », a déclaré Campbell, ajoutant que contrairement aux ordinateurs et appareils plus gros, les petits appareils électroniques sont difficiles à recycler.

“Nous avons besoin de quelque chose qui nous permettra d’utiliser l’équipement que nous avons déjà en place et de le garder utile pour les décennies à venir”, a déclaré Campbell. “Mais c’est compliqué parce que l’arc de la technologie ne revient pas. Nous ne voulons pas de choses qui ont moins de fonctionnalités ou qui sont moins sécurisées ou moins utiles. Nous voulons toujours plus, plus, plus.

Campbell et son équipe, y compris Ph.D. les étudiants Nurani Saoda et Nabeel Nasir planifient une nouvelle classe de capteurs et ce qu’ils appellent « l’écosystème » dans lequel les capteurs fonctionnent. Par “écosystème”, on entend le logiciel Campbell que l’équipe développe sur des plates-formes matérielles commerciales existantes, telles que Raspberry Pi. L’objectif est que les capteurs puissent s’adapter à ce que l’avenir nous réserve.

Le premier obstacle est l’alimentation des capteurs sans fils ni piles et sans savoir ce que sera leur environnement dans 20 ans.

Les scientifiques savent déjà comment concevoir des capteurs pour extraire suffisamment d’énergie de sources proches, telles que le soleil, l’éclairage intérieur ou les vibrations. Cependant, ces sources peuvent ne pas toujours être disponibles à mesure que les utilisateurs et les utilisations des bâtiments changent.

“Une partie de ce projet est une nouvelle conception d’une alimentation électrique économe en énergie qui peut encapsuler sa complexité afin qu’elle puisse gérer ce qui se passe lorsque les propriétés et les besoins énergétiques changent”, a déclaré Nurani, qui gère l’alimentation électrique. “Il libère le processeur au niveau de l’application pour se concentrer sur la tâche de détection, ce qui simplifie le développement et crée des appareils plus adaptables.”

Un autre défi consiste à ajouter des logiciels aux anciens périphériques réseau pour effectuer de nouvelles tâches sans exécuter les applications existantes.

“La situation aujourd’hui est que vous mettez tout à jour”, a déclaré Campbell. “Vous remplacez tout le code en cours d’exécution sur vos appareils, et si quelque chose ne va pas, vous pourrez peut-être revenir à l’ancienne version ou, espérons-le, la mettre à jour à nouveau si une erreur se produit.”

Plus le matériel est ancien, plus les mises à jour sont intimidantes – jusqu’à ce que les opérateurs doivent ignorer les nouveaux problèmes de sécurité et rester bloqués dans le fonctionnement actuel de l’appareil.

Pour résoudre ce problème, l’équipe Campbell travaille sur de nouvelles architectures logicielles pour rendre la configuration logicielle des appareils modulaire, en séparant essentiellement les composants logiciels. Les composants peuvent alors être mis à jour un par un sans reprogrammer l’ensemble de l’appareil.

La modularité de ce logiciel est l’une des méthodes développées dans le projet que Campbell inclura dans les diplômes de maîtrise et de licence dans le volet éducatif du prix CAREER. Il recherche également des étudiants de troisième cycle ayant des antécédents de sous-représentation en génie et des étudiants de première année de premier cycle pour travailler sur le projet.

L’objectif est de former des ingénieurs aux techniques de base qui comprennent l’intersection de l’Internet des objets et de ses applications transversales et les implications éthiques pour toutes les parties prenantes.

L’équipe s’attaque à une autre limitation de la durée de vie fonctionnelle des petits appareils connectés : “l’obsolescence informatique”. Comme les améliorations matérielles permettent des performances plus élevées et exécutent des logiciels de plus en plus sophistiqués avec la même quantité de puissance, la puissance de calcul des appareils plus anciens est réduite par rapport aux nouvelles exigences.

Campbell a étudié comment la technologie sans fil favorise la rétrocompatibilité. Par exemple, un appareil Bluetooth 5 moderne peut toujours être couplé avec un appareil Bluetooth du milieu des années 2000.

“Cela suggère que si les microcontrôleurs d’aujourd’hui ne suffisent peut-être pas pour les logiciels de demain, les appareils d’aujourd’hui pourront communiquer pendant des décennies”, a écrit Campbell dans sa proposition de prix de carrière.

Cette compréhension a conduit à l’idée de charger des tâches trop complexes pour un capteur vieillissant dans un concentrateur de passerelle à proximité qui pourrait faire le travail. Parce qu’il y a beaucoup moins de passerelles – environ cinq pour 300 capteurs – elles peuvent être mises à niveau ou remplacées à mesure que la technologie progresse.

Il s’agit d’utiliser l’iPhone 2007 en 2027 – avec la vitesse et les fonctionnalités du dernier modèle.

Nasir développe un logiciel de passerelle pour prendre en charge les capteurs.

“En fait, c’est comme si nous avions le dernier matériel en place pour les appareils eux-mêmes, mais sans avoir à remplacer un grand nombre de capteurs”, a déclaré Nasir.

Il est important pour Campbell que les futurs développeurs d’applications qui souhaitent ajouter de nouvelles fonctionnalités à leurs capteurs ne doivent jamais penser ou même être conscients de la transaction entre les capteurs et la passerelle. Il souhaite supprimer les obstacles qui empêchent les décideurs de tous les secteurs de la société de maximiser les avantages de l’Internet des objets.

“Je pense qu’il est important que ces appareils ne suivent pas le chemin des smartphones, où nous les remplaçons constamment”, a déclaré Campbell. “Mais il est également important de fournir des équipements mieux utilisés, des bâtiments mieux gérés et des infrastructures plus performantes.

“Nous devons trouver des moyens de mettre à l’échelle non seulement des éléments de technologie ou des composants ou des appareils eux-mêmes, mais également l’écosystème plus large”, a-t-il déclaré. “Cela a conduit à l’idée d’appareils réutilisables.”


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