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SEIDO Internet des Objets Claude Chaudet José Horta Rayhana Baghli 10 décembre 2014

SEIDO Internet des Objetsseido-lab.com/wp-content/uploads/2014/12/03-SEIDO_IdO... · 2017. 2. 17. · | 3 Smart everything À large échelle, les objets connectés permettent une

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SEIDO

Internet des Objets

Claude Chaudet

José Horta

Rayhana Baghli

10 décembre 2014

| 2

Noël approche : pensez aux objets connectés

L'invasion est en marche

• Multimédia domestique

• Sport / santé / quantify self

• Domotique / automatisation

• Surveillance

• Jeux / jouets

Architecture classique : connexion à une application

smartphone et/ou à un stockage distant (cloud)

Systèmes personnalisés de

plus en plus accessibles

• Stocakge réseau (NAS)

• Arduino

• Raspberry Pi

Mother (Sen.se)

Flex (Fitbit)

AR Drone (parrot)

Aura (Withings)

Santa GPS

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 3

Smart everything

À large échelle, les objets connectés permettent une supervision fine

et une optimisation du fonctionnement des grandes structures

Usine intelligente (smart factory)

• Au delà de l'automatisation

• Auto-optimisation des processus

• Connexion aux fournisseurs, clients,...

• Systèmes cyber-physiques

• Gestion des stocks, flottes de véhicule, ...

Ville intelligente (smart cities)

• Surveillance environnementale

• Optimisation de la circulation, du

stationnement

• Transports publics, mutlimodalité

• Énergie (éclairage, véhicules électriques,

...)

Habitat intelligent (Smart Home)

• Automatisation de confort

• Meilleure performance énergétique

• Sécurité & sûreté de l'habitat

• Gestion du handicap

Systèmes électriques (Smart Grids)

• Équilibrage fin de la production et de la

consommation

• Intégration souple de la micro-production

• Gestion de la production intermittente

(énergies renouvelables)

• Réduction des pertes en ligne

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 4

Au delà de l'application : des scénarios semblables

Information de l'usager, de l'opérateur, ...

• Information temps réel

• Information fiable et vérifiée

• Contrôle d'accès éventuel

Autonomie relative des éléments terminaux

• Pilotage global (définition de politiques)

• Collaboration entre équipements parfois hétérogènes

Réactivité face au changement de contexte

• Détection dynamique des conditions de fonctionnement

• Adaptation du comportement local en accord avec la politique globale

Collecte d'informations d'usage

• Statistiques, benchmarking, ...

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 5

En termes techniques

Masse de données

• Traitement statistique de l'information

• Stockage de l'information

Interface homme-machine

• Sorties : Visualisation

• Entrées : spécification de politiques / comportements

Communication

• Performance, fiabilité, sécurité, ...

Informatique distribuée et autonomique

• Auto-configuration, auto-réparation, auto-optimisation, etc.

• Gestion de l'hétérogénéité (matériel, OS, protocoles, ...)

• Traduction des politiques globales au niveau local

• Combinaison de politiques (usager vs. opérateur)

Confiance

• Du gestionnaire de l'infrastructure

• Des usagers du service (adoption)

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 6

Travaux du laboratoire SEIDO (hors sécurité)

Veille technologique : efforts de

standardisation

• Technologies de communication

• Intergiciels

• Gestion de l'énergie

Définition d'architectures de

systèmes

• Autour de la problématique de

l'optimisation énergétique

• Smart home, véhicule électrique

Modélisation et évaluation de performances

• Réseau de communication

• Application (flexibilité énergétique) Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

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SEIDO – Internet des Objets en pratique

Des ingénieurs/chercheurs et enseignants/chercheurs et

doctorants

Financement de plusieurs stages, post-doctorants

Financement de deux thèses CIFRE

• Rayhana Baghli

• José Horta

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Modélisation de

systèmes complexes

Application à l’IdO et

au SEI

Rayhana Baghli

Élie Najm

Bruno Traverson

| 9

Modélisation de systèmes complexes – Application à l’IdO

et au SEI

• Organisation

• Doctorant : Rayhana Baghli

• Encadrants : Elie Najm, Bruno Traverson

• Début de thèse : 17 mars 2014

• Objectifs

• Définir une architecture de composition de services adaptée aux contraintes de l’Internet des Objets.

• Permettre à l’habitant d’une Smarthome de décrire sa stratégie de consommation électrique et la traduire en composition de services exécutables par des smart objects.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 10

Sommaire

Etat de l’art : émergence des objets intelligents

Objectifs de la thèse

Premières pistes de recherche

Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 11

Sommaire

Etat de l’art : émergence des objets intelligents

Objectifs de la thèse

Premières pistes de recherche

Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 12

L’état actuel de l’Internet des objets

- Multitude de données pour l’utilisateur

- Pas d’interopérabilité entre les objets

- Quid de la composition de services pour des services plus

riches

Comment mettre en place

une stratégie de

consommation électrique?

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 13

Sommaire

Etat de l’art : émergence des objets intelligents

Objectifs de la thèse

Premières pistes de recherche

Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 14

Objectifs

Je veux élaborer une stratégie de consommation électrique

Ok !

- Définir une architecture de

composition de services adaptée aux

contraintes de l’IdO

-Permettre à l’habitant de décrire sa

stratégie de consommation électrique

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 15

Sommaire

Etat de l’art : émergence des objets intelligents

Objectifs de la thèse

Premières pistes de recherche

Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

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Proposition Interopérabilité des objets

REST (Representation State Transfer)

Publish/subscribe

ETSI M2M

Linked Data Linked Services

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 17

REST (Representation State Transfer)

Identification des ressources

• Chaque ressource est adressable par une adresse unique.

Interface uniforme (GET, PUT, POST, DELETE)

• Quelque soit la ressource sur le web, elle sera interrogée en utilisant 4

verbes.

HATEOAS (Hypermedia As The Engine Of Application

State)

• Il est possible de naviguer entre les ressources en suivant les liens qui se

trouvent au niveau de ses dernières.

Interactions sans état

• l’état de l’application détenu par le client.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 18

Publish/subscribe

S’abonner à une ressource et être informé par une alerte

chaque fois qu’elle change d’état.

Subscribe (temp)

Publish (temp1)

Publish (temp2)

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 19

ETSI M2M

•REST (Adressabilité, connectivité,

interactions sans état, Interface

uniforme)

•Publish / Subcribe

•SCL (Service Capabilities Layer)

Couche indépendante de la

technologie réseau et de la

couche application.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 20

Linked Data (Web des Données)

Accessibilité aux personnes.

Accessibilité aux machines : Utiliser les standards (RDF*,

SPARQL) pour exposer les informations utiles.

Inclure dans les représentations des liens sémantiques

vers d'autres données.

Linked Services

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 21

Sommaire

Etat de l’art : émergence des objets intelligents

Objectifs de la thèse

Premières pistes de recherche

Perspectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

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Perspectives

Définir une architecture de composition de services adaptée aux

contraintes de l’IdO.

Permettre à l’habitant de décrire sa stratégie de consommation.

Traduire une approche déclarative (objectifs de l’utilisateur) vers une

approche impérative (composition de services entre objets

intelligents).

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Internet of Things

technologies

powering Smart

Home Services

José Horta

Daniel Kofman

David Menga

| 24

Summary

Motivation

Smart Home Services (SHS) and IoT contribution

Principles for sustainable IoT-based SHS

Proposed Architecture (Functional viewpoint)

Current Interoperability approaches at the Core, Gateway

and device level

Relevant Communication protocols

Further work

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 25

Motivation

Thesis Focus:

• End to end ICT architecture for Demand Side Management services

based on the IoT paradigm

Why focus on residential Demand Response?

• Industrial/commercial DR is already mature

• Unexploited Flexibility potential in Residential DR •Advanced Metering Infrastructure

• Increasing connectivity of devices (visibility and fine grained control)

•Distributed micro generation and storage

•French Market is adapting to accommodate residential Demand Response

We need to understand Smart Home Services and

supporting technologies

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 26

Summary

Motivation

Smart Home Services (SHS) and IoT contribution

Principles for sustainable IoT-based SHS

Proposed Architecture

Current Interoperability approaches at the Core, Gateway

and device level

Relevant Communication protocols

Further work

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 27

Consumer Objectives

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Smart Home Service Goals

• Enhance comfort & ease of life

• Improve efficiency and reduce costs on

resource usage

• Healthcare & wellbeing

• Safety & Security of people and goods

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Means towards SHS goals

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

HMI

Intelligence Feedback Remote Control

Automated Control

UI/UX Enhancements

Auto Device/Service

Management

Ubiquitous

access

Environment

Actuator

Sensor

Beacon

Data Source

| 29

Internet of Things contribution

Progressive merge between real and digital worlds

Things become connected and communicate with

information systems, with each other, and with people.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

IoT should provide the technology needed to implement SHS means IoT should provide the technology needed to implement SHS means

| 30

Summary

Motivation

Smart Home Services (SHS) and IoT contribution

Principles for sustainable IoT-based SHS

Proposed Architecture

Relevant Communication protocols

Current Interoperability approaches at the Core, Gateway

and device level

Further work

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 31

Gateway

Data &

Intelligence

(Core)

Gateway

Data &

Intelligence

(Core)

Gateway

Data &

Intelligence

(Core)

Lack of interoperability is hindering value creation Lack of interoperability is hindering value creation

• Dribble force

• Shot angle

• Speed

• Elevation • Heart rate

• Lung capacity

Strong coupling between

devices and applications

Strong coupling between

devices and applications

Barriers to collaborations

and innovation

Barriers to collaborations

and innovation

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 32

T T

Core Core Core

Complexity for

the user

Complexity for

the user

T T T T T

Complex for

Developers to

mashup

services

Complex for

Developers to

mashup

services

Security &

Privacy Issues

Security &

Privacy Issues

Open API Open API Open API

Centralization of

Data &

Intelligence

Centralization of

Data &

Intelligence

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Gateway

Gateway

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Principles for sustainable SHS

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Reduce

complexity for

customers

Reduce

complexity for

customers

Reduce

complexity for

developers

Reduce

complexity for

developers

Security & Privacy

by design

Security & Privacy

by design

Optimize

distribution of data

& intelligence

Optimize

distribution of data

& intelligence

Interoperability Interoperability

T

Core Core

T T T

Gateway

Gateway

| 34

Summary

Motivation

Smart Home Services (SHS) and IoT contribution

Principles for sustainable IoT-based SHS

Proposed Architecture (Functional Viewpoint)

Relevant Communication protocols

Current Interoperability approaches at the Core, Gateway

and device level

Further work

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

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ARCHITECTURE - Functional viewpoint

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

HAN Protocols

Device Deployment & Pairing

Device Connectivity

Safety, Security & Privacy

Service Advertisement / Registration

Service Lookup & Discovery

Publish/subscribe & Request/Response

EMG

DEM

CEM

UI

SM Internal

SMG

External

SMG DCM

HAN

Protocols

DCM : Device Context Manager

DEM : Device Energy Manager

CEM : Device Energy Manager HAN Gateway

SM : Smart Metering

EMG : Energy

Management Gateway

UI : User Interface

| 36

Summary

Motivation

Smart Home Services (SHS) and IoT contribution

Principles for sustainable IoT-based SHS

Proposed Architecture

Current Interoperability approaches at the Core, Gateway

and device level

Relevant Communication protocols

Further work

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

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Current Interoperability approaches

At the core

• Common organization of APIs : HyperCat

• Cloud-based Platforms

Interoperable Gateways

• Dedicated Gateways

• Mobile personal devices

Peer to peer interoperability

• Alljoyn framework (middleware)

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

GW

T

GW

T

Core

| 38

Interoperability among data hubs?

Consortium of more than 40 companies and universities: ARM, IBM, INTEL,

EDF ENERGY, Cambridge, UCL, etc.

1 - Common organization of APIs:

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

/customer/home/room/temp

/users/hubs/devices/temperature

hasPowerWatts “thingA”

hasDescription

“thingB” hasDescription

hasTemperatureC “thingC”

hasDescription

hasLatitude

hasLongitude “45,20”

“24”

“-73.24”

“24”

/cat

/resourceA

/resourceB

/resourceC

LEVEL

GW

T

Core

| 39

Ease cloud-level interoperability?

2 – Common semantics:

Uniform ontology among domains

Basic search mechanism based on simple URL queries

Services still need to agree on semantics

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Sharing metadata annotations in multiple

catalogues creates points of interoperability

LEVEL

GW

T

Too hard to achieve

Difference in domain ontologies makes sense

+

Core

| 40

• Easier for different data clusters to collaborate with each other

• Condition: previously agree on common domain-specific ontologies

• Data & intelligence remain centralized

• Developers don’t need to learn every API documentation

• Search for interoperable data services can be automated

• Has little impact in consumer complexity

• Provide the primitives for key-based authentication

• Security & Privacy depend on each service provider

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

GW

T

Core

Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers

Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers

Security & Privacy by design Security & Privacy by design

Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence

Interoperability Interoperability

| 41

Cloud-based platforms

Platforms providing

• Unified access to heterogeneous APIs

• Abstraction of complexity to users and

developers

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Platforms providing

• Common set of APIs

• Centralized cloud repository

• Structured resources (semantics)

• Works With NEST

• Google Fit

• IFTTT

• Temboo

• Wink

• Shortcut

• ThingWorks

• SmartThings

LEVEL

GW

T

Core

Core Core Core

Core Core

Core Core Core

| 42

Interoperability based on cloud platform

•This creates ecosystems where data and services are easily shared

•Centralized on each service provider’s premises or in a centralized cloud repository

•Reduced set of APIs, common semantics and a common data repository

•Tools and frameworks further help developers to focus on value creation (Temboo)

•Consumers have access to different services from a unique interface (Wink,

Shortcut)

•In the case of IFTTT, users need to fix the rules for each automated action

•Centralization of data pose privacy issues

•Depends on the platform

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

GW

T

Core

Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers

Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers

Security & Privacy by design Security & Privacy by design

Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence

Interoperability Interoperability

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Interoperable Gateways

Uniform APIs for applications to interact

with heterogeneous devices

Based on a unique representation of

devices and their capabilities

Discovery of devices and services

Data storage functionality

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Mobile gateway examples

• Apple’s HomeKit

• Apple’s HealthKit

T T

App 1 App 2 App 3

Abstraction Layer Abstraction Layer

LEVEL

GW

T

Core

Core Core Core

Dedicated Gateway/hubs examples:

• IoTSyS – Academic project

• EEBUS + AGORA + Energy@Home

• OSGI Device Abstraction Layer

• HGI - Smart Home Device Template

| 44

HomeKit

Open API allowing third-party apps to: • Discover accessories

• Display, edit, and act upon the data in the home configuration database.

• Communicate with accessories and services to get them to perform actions

Data structured as a hierarchical collection of home automation accessories: • Homes(HMHome), Rooms(HMRooms), Accessories(HMAccessory), etc

Siri compatibility: “Siri, turn on the lights on the living room”

Security & Privacy: • Data is encrypted while stored on iOS device

• Encrypted data backups and sync through iCloud (keys available only on user’s device)

• HomeKit API can only be accessed by applications on the foreground by privacy issues

• Applications are not allowed to use data for advertising

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

GW

T

Core

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Interoperable Gateways

• Ecosystems where data and services are easily shared

• Data can remain on customer premises

• Applications can interoperate locally and control devices from a central point

• Reduced set of APIs, common semantics and a common data repository

• Tools and frameworks further help developers to focus on value creation

• Consumers have access to different services from a unique interface (HomeKit)

• Data remaining on customer premises may improve customer trust

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

GW

T

Core

Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers

Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers

Security & Privacy by design Security & Privacy by design

Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence

Interoperability Interoperability

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Alljoyn Middleware

A platform-neutral application development framework

• Proximity networking across heterogeneous devices and distributed applications

• Radio-link agnostic transport mechanism (WiFi, Wifi Direct, PLC, Ethernet, BLE)

• emphasis on mobility, security and dynamic configuration.

Based on an extension of the Linux D-Bus specification (Data type system, marshaling

format, naming guidelines, over-the-wire protocol, etc.)

Developed by Qualcomm Innovation Center in 2011 as open source and contributed to

the Linux Foundation.

Linux Foundation created the Allseen alliance in December 2013 to leverage and

extend the technology. Members such as: Microsoft, Sony, Panasonic, LG, Haier,

Technicolor, Sharp, Electrolux, etc.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

GW

T

Core

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Alljoyn Architecture

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

GW

T

Core

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Alljoyn Middleware

• Peer to peer interoperability – Across heterogeneous applications and devices

• Data can remain on customer premises

• Applications can interoperate locally and control devices in a distributed fashion

• Application development framework: •Platform–neutral

•Supports multiple programming languages

•Radio-link agnostic

• How to orchestrate transactions among applications and devices?

• The framework provides primitives for securing communications at the

application layer

• Data remaining on customer premises may improve customer trust Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

LEVEL

Core

Reduce complexity for customers Reduce complexity for customers

Reduce complexity for developers Reduce complexity for developers

Security & Privacy by design Security & Privacy by design

Optimize distribution of data & intelligence Optimize distribution of data & intelligence

Interoperability Interoperability

| 49

Summary

Motivation

Smart Home Services (SHS) and IoT contribution

Principles for sustainable IoT-based SHS

Proposed Architecture

Current Interoperability approaches at the Core, Gateway

and device level

Relevant Communication protocols

Further work

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

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Interface with personal devices

Central role of smart phones, wearables and tablets in the smart home

domain

Impose communication protocols: WiFi, WiFi Direct, BLE and NFC

Particularly to interact with Apple’ ecosystem manufacturers needs to

implement specific proprietary protocols, e.g.: Security and pairing.

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

iOS8 protocol stack for HomeKit interaction NFC Modes and protocols

| 51

Interface with Beacon technology

Beacons communicate metadata allowing services related to proximity

or geographical location, or identification such as access control.

Beacon technology can be implemented by active RFID tags or by

BLE proximity profile-based technologies

Most relevant beacon technologies are (BLE presence on mobile

industry):

• iBeacon: Apple specification of the BLE proximity profile

• AltBeacon is a platform-independent open source specification of the BLE

proximity profile

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

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Relevant technologies for battery powered devices

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Applications

GATT

Profiles IPSO Profiles / oBIX / BACnet-ws SEP 2.0 App. Framework

Z-Wave App. Layer GAP HTTP

MQTT / XMPP /

STOMP AMQP / DDS CoAP / MQTT-SN HTTP CoAP

ZigBee - APS GATT TCP UDP UDP - Thread TCP UDP

Z-Wave Routing Layer ATT IPv4 / IPv6 IPv6 - RPL IPv6 - RPL - Thread IPv6 - RPL

ZigBee - NWK L2CAP 802.2 6LoWPAN 6LoWPAN - Thread 6LoWPAN Z-Wave Transfer Layer

802.15.1 LL 802.11 b/g/n MAC 802.15.4 MAC (2006 or 15.4e) 802.15.4 - 2003 Z-Wave - MAC

802.15.1 PHY 802.11 b/g/n PHY 802.15.4 PHY (2006 or 15.4g) 802.15.4 - 2003 Z-Wave - RF Link

Bluetooth LE Low Power WiFi 6LoWPAN Thread ZigBee IP ZigBee PRO Z-Wave

| 53

“Unlimited” autonomy thanks to energy harvesting devices

Tags: RFID, NFC

• Passive RFID tags are designed to harvest energy from RF

signals and to backscatter the energy carrying tag’s data towards

the reader.

Sensors, UI: Enocean

• harvest energy from thermo converters, solar cells, or motion

converters, allowing for example a wireless switch to transmit data

when it is pressed

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 54

Summary

Motivation

Smart Home Services (SHS) and IoT contribution

Principles for sustainable IoT-based SHS

Proposed Architecture

Current Interoperability approaches at the Core, Gateway

and device level

Relevant Communication protocols

Further work

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

| 55

Further work

Publish/subscribe approaches are well adapted to data-driven IoT applications

• Current solutions: too complex, inefficient or insecure

Security by design at the network layer (Securing content and not the channel)

How Name Data Networking (NDN) principles could be supported by the IoT architecture?

Distributed intelligence and interoperability at the device layer (among application and devices)

How to orchestrate such a distributed environment? (Conflict resolution, policy management, etc.)

We will be looking at blockchain-based technologies such as Ethereum or Adept

Develop DSM algorithms to demonstrate the value added by the architecture

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014

Conclusion

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Conclusions

L'Internet des Objets est en marche

• Les objets connectés ont atteint le grand public

• Connexion ubiquitaire, (relativement) fiable et économique

• Stockage et calcul décentralisé (cloud) généralisé

Opportunités pour de nombreux acteurs

• PME dans divers domaines (domotique, sécurité, médical, ...)

• Communautés urbaines

• Industrie en contact avec l'usager (opérateurs électriques, ...)

Comment motiver l'usager ?

• Conscience environnementale

• Économies sur la facture énergétique

• Domotique

Questions de sécurité et d'intimité numérique omniprésentes

Workshop SEIDO - 10 décembre 2014