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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
------------------------------
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
-----------------------------------
MENTION ELECTRONIQUE
-----------------------------------
MEMOIRE EN VUE DE L’OBTENTION DU
DIPLOME DE MASTER
Domaine : Sciences de l’ingénieur
Spécialité : Electronique
Parcours : Informatique appliquée
Présenté par :
RAVAONIRINA Ranjaniaina
Soutenu le
27 Septembre 2019
N° d’ordre : 211/EN/M2/IA/2019 Année universitaire : 2017-2018
IMPLEMENTATION D’UN SYTEME IoT POUR LA
PREVENTION DE RISQUES INDUSTRIELS
2
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
------------------------------
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE
-----------------------------------
MENTION ELECTRONIQUE
-----------------------------------
MEMOIRE EN VUE DE L’OBTENTION DU
DIPLOME DE MASTER
Domaine : Sciences de l’ingénieur
Spécialité : Electronique
Parcours : Informatique appliquée
Titre : IMPLEMENTATION D’UN SYSTEME IoT POUR LA PREVENTION DE
RISQUES INDUSTRIELS
Devant le membre du jury composé de :
Monsieur RAKOTOMIRAHO Soloniaina, Président
Madame RAMANANTSIHOARANA Harisoa Nathalie, examinateur
Monsieur RATSIMBA Mamy Nirina, examinateur
Monsieur RAZAFY Rado, examinateur
Monsieur RANDRIAMAROSON Rivo Mahandrisoa, directeur de mémoire
Présenté par :
RAVAONIRINA Ranjaniaina
Soutenu le
27 Septembre 2019
N° d’ordre : 211/EN/M2/IA/2019 Année universitaire : 2017-2018
i
FISAORANA
Isaorana ety ampiandohana, Andriamanitra lehibe izay nitari-dalana sy nitso-drano
nandritra ny dimy taona nianarana sy ny fanatontosana izao asa izao.
Isaorana etoana ihany koa ireo rehetra nandray anjara tamin’ny famitana izany asa
izany antsakany sy andavany. Tsindriana manokana amin’izany :
Ramatoa RAMANANTSIHOARANA Harisoa Nathalie, mpiandraikitra ny
sampam-pampianarana « Electronique » sady isan’ny mpitsara.
Andriamatoa RAKOTOMIRAHO Soloniaina, nanaiky itarika ity fotoana androany
ity na dia eo aza ireo adidy maro samihafa miandry azy.
Andriamatoa RATSIMBA Mamy Nirina sy Andriamatoa RAZAFY Rado nanaiky
ny itsara ny asa.
Andriamatoa RANDRIAMAROSON Rivo Mahandrisoa, nizara ny fahalalany
mikasika manokana ny laza adina. Ny torohevitra sy torolalany no nahatrarana soa aman-
tsara ny tanjona.
Ireo mpampianatra sy tompon’andraikitra ato amin’ny sampam-pampianarana
« Electronique » izay nampianatra sy nanabe nandritra izay dimy taona farany izay.
Ny fianakaviana tamin’ny fanohanana ara-tsaina sy ara-bola. Ary koa ianareo
namana tamin’ny fankaherezana sy fanampiana isan-karazany nomenareo.
Mankasitraka indrindra.
ii
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier, en premier lieu, Dieu tout puissant de m’avoir donné sa bénédiction
pour ces cinq ans d’étude et ce présent mémoire. Sans lui, je n’aurais pas eu le courage et la
force de réaliser ce travail.
Je tiens également à exprimer mes vifs remerciements et ma reconnaissance à tous ce
qui ont apporté leur contribution dans la réalisation de ce mémoire, en particulier :
Madame RAMANANTSIHOARANA Harisoa Nathalie, Responsable de la Mention
Electronique et membre de jury.
Monsieur RAKOTOMIRAHO Soloniaina, enseignant au sein de la mention, qui a fait
l’honneur de présider la soutenance de ce mémoire malgré ses innombrables occupations.
Les membres de jury : Monsieur RATSIMBA Mamy Nrina, Monsieur RAZAFY
Rado qui ont accepté d’être membres du jury et ont voulu examiner ce travail.
Monsieur RANDRIAMAROSON Rivo Mahandrisoa, directeur de ce mémoire qui a
partagé ses connaissances sur le sujet en question. Ses conseils et ses orientations, sans quoi,
je n’aurais pas pu mener à bien mes travaux.
Les enseignants et responsables de la Mention Electronique pour les connaissances et
les formations qu’ils ont prodigué durant ces cinq dernières années.
A ma famille pour leur soutien, moralement ainsi que financièrement. Et à mes amis
pour les encouragements et leurs aides de toutes sortes.
Merci à tous.
.
iii
RESUME
Ce travail de mémoire présente l’implémentation d’un système IoT pour la prévention
de risques industriels. Il est capable de collecter les valeurs de la température, de l’humidité, du
taux de méthane et du taux de dioxyde de carbone. Il les transmet ensuite vers un serveur et les
affichés via une application web. Le serveur envoi alors un email en cas d’alerte pour prévenir
les risques industriels.
La réalisation fait intervenir deux démarches en parallèle : un développement matériel
et un développement logiciel. D’une part, le développement matériel consiste à la conception
d’un dispositif qui permet de collecter les données et assure l’envoie des données vers le
serveur. Le dispositif de détection notamment les capteurs de température, d’humidité, de
dioxyde de carbone et de méthane fourni les données. D’autre part, une application web qui sert
d’interface à l’utilisateur. Elle a été développée principalement avec les technologies Angular
et NodeJs.
iv
TABLE DES MATIERES
FISAORANA ......................................................................................................................... i
REMERCIEMENTS ............................................................................................................. ii
RESUME ............................................................................................................................. iii
TABLE DES MATIERES .................................................................................................... iv
LISTE DES ABBREVIATIONS ......................................................................................... vii
LISTE DES FIGURES ....................................................................................................... viii
LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................... ix
INTRODUCTION ..................................................................................................................1
CHAPITRE 1 : LES RISQUES INDUSTRIELS .....................................................................2
1.1. INTRODUCTION .......................................................................................................2
1.2. LES NOTIONS DE RISQUES INDUSTRIELS ...........................................................2
1.2.1. L’aléa ...................................................................................................................2
1.2.2. Le danger ..............................................................................................................3
1.2.3. Le risque ...............................................................................................................3
1.3. ORIGINE DE RISQUES INDUSTRIELS ....................................................................4
1.4. CAUSES DES ACCIDENTS INDUSTRIELS .............................................................5
1.5. EFFET D’UN ACCIDENT INDUSTRIEL ..................................................................6
1.5.1. Les effets thermiques ............................................................................................6
1.5.2. Les effets mécaniques ...........................................................................................7
1.5.3. Les effets toxiques ................................................................................................8
1.5.4. Les effets domino ............................................................................................... 10
1.6. ENJEUX DE LA PREVENTION .............................................................................. 11
1.7. LES QUATRES PILIERS DE LA PREVENTION DES RISQUES ........................... 11
1.7.1. Reduction du risque à la source ........................................................................... 11
v
1.7.2. L’organisation des secours .................................................................................. 12
1.7.3. La maîtrise de l’urbanisation ............................................................................... 12
1.7.4. L’information préventive des populations et le retour d’expérience ..................... 12
1.8. CONCLUSION ......................................................................................................... 13
CHAPITRE 2 : INTERNET OF THING............................................................................... 14
2.1. INTRODUCTION ......................................................................................................... 14
2.2. LA GENESE DE l’IoT .................................................................................................. 15
2.3. DEFINITION ................................................................................................................ 16
2.4. CONCEPT ..................................................................................................................... 17
2.5. APERCU TECHNIQUE ................................................................................................ 18
2.6. EXEMPLE DE SYSTEME IoT ..................................................................................... 20
2.7. CARACTERISTIQUES FONDAMENTALES .............................................................. 21
2.8. MODELE DE REFERENCE ......................................................................................... 22
2.8.1. Couche application .................................................................................................. 24
2.8.2. Couche de prise en charge des services et des applications ...................................... 24
2.8.3. Couche réseau ......................................................................................................... 24
2.8.4. Couche dispositif ..................................................................................................... 25
2.8.5. Capacité de gestion .................................................................................................. 27
2.8.6. Capacité de sécurité ................................................................................................. 28
2.9. CONCLUSION ............................................................................................................. 28
CHAPITRE 3 : REALISATION ........................................................................................... 29
3.1. INTRODUCTION ......................................................................................................... 29
3.2. SCHEMA DE FONCTIONNEMENT ............................................................................ 29
3.3. LES GRANDEURS MESURES .................................................................................... 30
3.3.1. La température ............................................................................................................ 30
3.3.2. L’Humidité.............................................................................................................. 30
3.3.3. Le Méthane ............................................................................................................. 31
vi
3.3.4. Le Dioxyde de carbone ............................................................................................ 32
3.4. DISPOSITIF DE DETECTION ..................................................................................... 33
3.4.1. Le SoC .................................................................................................................... 34
3.4.2. Le capteur de température et d’humidité .................................................................. 35
3.4.3. Le CAN................................................................................................................... 36
3.4.4. Le capteur de dioxyde de carbone ............................................................................ 36
3.4.5. Le capteur de méthane ............................................................................................. 37
3.5. TRANSPORT DE DONNEE ......................................................................................... 37
3.5.1. Fonctionnement du protocole .................................................................................. 38
3.5.2. Exemple...................................................................................................................... 39
3.6. TRAITEMENT DES DONNEES .................................................................................. 40
3.7. APPLICATION WEB ................................................................................................... 41
3.8. Application .................................................................................................................... 43
3.9. CONCLUSION ............................................................................................................. 44
CONCLUSION .................................................................................................................... 45
ANNEXE ............................................................................................................................. 46
ANNEXE 1: Historique ........................................................................................................ 46
ANNEXE 2 : Datasheet NodeMCU ESP32S ........................................................................ 48
ANNEXE 3 : MQ135 ........................................................................................................... 49
ANNEXE 4 : MQ-4 .............................................................................................................. 50
ANNEXE 5 : DHT 22 .......................................................................................................... 51
REFERENCES ..................................................................................................................... 52
vii
LISTE DES ABBREVIATIONS
AZF AZote Fertilisants
BLEVE Boiling Liquid Expanding Vapor explosion
CAN Convertisseur Analogique Numérique
CSS Cascading Style Sheet
GPL Gaz de Pétrole Liquifié
HTML HyperText Markup Language
IBM International Business Machines
ICPE Installation Classé pour la Protection de l’Environnement
IdO Internet des Objets
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IoT Internet of Things
IoTWF IoT World Forum
IP Internet Protocol
LPWAN Low Power Wide Area Network
MQTT Message Queuing Telemetry Transport
PLC Power Line Communication
POI Plan d’Operation Interne
PPI Plan Particulier d’Intervention
QoS Quality of Service
RMN Résonance Magnétique Nucléaire
SoC System on Chip
TCP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
TIC Technologie de l’Information et de la communication
UV Ultra-Violet
UVCE Unconfined Vapour Cloud Explosion
VLC Visible Light Communication
WAN Wide Area Network
WiFi Wireless Fidelity
WPAN Wireless Personal Area Network
viii
LISTE DES FIGURES
Figure 1.1 : Accident sur un site de la jirama à Ambohimanambola [3] ...................................6
Figure 1.2 : Explosion sur un site industriel [2] .......................................................................7
Figure 1.3 : L’incendie dans l’enceinte de la zone industrielle Filatex à Ankadimbahoaka. [4]
.............................................................................................................................................. .9
Figure 2.1 : Les quatres révolutions industriels[6]……………….. …………………………15
Figure 2.2 : Phases d’évolution de l’internet [6] .................................................................... 16
Figure 2.3 : La nouvelle dimension introduite par l'Internet des objets [7] ............................. 17
Figure 2.4 : Aperçu technique de l’IoT [7] ........................................................................... 18
Figure 2.5 : Les différents types de dispositifs et leurs relations avec les objets physiques [7]
............................................................................................................................................. 19
Figure 2.6 : Exemple d’application de l’IoT .......................................................................... 21
Figure 2.7 : Modèle de référence de l’IoT publié par l’IoTWF [6] ....................................... 23
Figure 2.8 : Modèle de référence simplifié de l’IoT [7] ......................................................... 23
Figure 3.1 : Principe de fonctionnement……….……………………………………………. 29
Figure 3.2 : Structure du dispositif de détection .................................................................... 33
Figure 3.3 : Composants principales du dispositif ................................................................. 33
Figure 3.4 : Boîtier du dispositif ........................................................................................... 34
Figure 3.5 : NodeMCU ESP-32S [12] ................................................................................... 35
Figure 3.6 : Capteur DHT 22 [13] ......................................................................................... 35
Figure 3.7 : ADS 1015 [14] .................................................................................................. 36
Figure 3.8 : Capteur MQ-135 [15] ........................................................................................ 36
Figure 3.9 : Capteur MQ-4 [16] ............................................................................................ 37
Figure 3.10 : Transport des données...................................................................................... 37
Figure 3.11 : Exemple MQTT [17] ....................................................................................... 39
Figure 3.12 : Détails du broker CloudMQTT ........................................................................ 40
Figure 3.13 : Fonctionnement du système de traitement de donnée ....................................... 41
Figure 3.14 : Vue principale de l’application Web ................................................................ 42
Figure 3.15 : Explication des composants de l’application. ................................................... 43
Figure 3.16 : Envoi d’alerte par email ................................................................................... 44
Figure A.1 : Pins du NodeMCU-32S [12]……………………………………………………48
ix
LISTE DES TABLEAUX
Tableau I : Différents paliers de niveau de CO2[11] ............................................................ 32
Tableau A.1 : Caractéristiques NodeMCU-32S[12]………………………………………….48
Tableau A.2 : Caractéristiques MQ-135[15] ......................................................................... 49
Tableau A.3 : Caractéristiques MQ-4[16] ............................................................................. 50
Tableau A.4 : Caractéristiques DHT22[13] ........................................................................... 51
1
INTRODUCTION
Le 4 janvier 1966 à Feyzin en France, un véhicule circulant près d’un site industriel a
entraîné des explosions et un incendie. L’accident a fait 18 morts et 84 blessés, dont 49 ont été
hospitalisés. Récemment, le 13 Novembre 2018, un incendie à la zone industrielle Filatex
Ankadimbahoaka a occasionné un mort et des dégâts estimés à des milliards d’ariary.
L’employé a succombé à la suite de son asphyxie au moment où la fumée à forte teneur en
𝐶𝑂2 a envahi le local.
Les accidents industriels entrainent beaucoup de pertes au niveau financière qu’au
niveau humaine. De nombreux types d’accidents existent, citons entre autres les explosions et
les fuites de gaz toxiques. Ils sont parfois causés par une réaction chimique mal maîtrisée qui
provoque un débordement, une montée en pression, une génération de gaz, une génération de
produits corrosifs ou toxiques, etc.
A cette ère d’internet, l’IoT offre plusieurs solutions dans nombreuses domaines. Il
permet de connecter plusieurs entités comme les objets, les personnes, les capteurs, les
ordinateurs, etc. De nos jours, cette interconnexion de diverses entités, entre autres capteurs et
application web pourrait être une solution à la réduction des risques industriels. Dans ce cadre
de réduction des risques, le travail s’intitule « Implémentation d’un système IoT pour la
prévention de risques industriels ».
L’étude se divise en trois parties. Dans un premier temps, il faut se familiariser avec le
thème étudié en abordant les risques industriels. Ensuite une étude approfondie des causes, des
conséquences et quelques préventions de ces risques. Dans un second temps, nous allons nous
focaliser sur la technologie IoT en décortiquant ses principes et l’architecture général de la
technologie. La dernière partie est consacrée à la représentation de la réalisation pratique du
projet.
2
CHAPITRE 1 : LES RISQUES INDUSTRIELS
1.1. INTRODUCTION
Les activités sur un site industriel génèrent des risques qui se retrouvent sous le
vocabulaire de « risques industriels ». Ils ont un impact sur les salariés et dans ce cas, il s’agit
des risques professionnels ; sur l’environnement extérieur, les populations avoisinantes et sur
les biens et dans ce cas, il s’agit de risques environnementaux. Ce chapitre va présenter tout
d’abord les notions, les origines et les causes des risques industriels, ensuite les effets et les
enjeux de ces risques et pour finir les quatre piliers de la prévention des risques.
1.2. LES NOTIONS DE RISQUES INDUSTRIELS
Le risque industriel est aujourd’hui omniprésent dans la vie quotidienne. En effet, la
plupart des produits de grande consommation sont issus des industries chimiques ou pétrolières,
qui sont génératrices de risques : les substances dangereuses utilisées par ces industries, mais
aussi les processus de fabrication, de manipulation ou de transport et les conditions de stockage
de ces substances peuvent être à l’origine de phénomènes dangereux.
Un autre facteur vient s’ajouter à cela : l’urbanisation autour des industries. Le risque
industriel résulte en effet de la combinaison de l’aléa et de la présence d’enjeux susceptibles
d’être affectés par les effets d’un phénomène dangereux. Longtemps les populations se sont
rapprochées des sites industriels, mais au fil du temps la coexistence de l’industrie et de la ville
a parfois conduit à des accidents majeurs aux conséquences dramatiques.
En matière de risque industriel, plusieurs notions méritent une attention particulière. Il
s’agit, dans un premier temps, de bien définir l’aléa, l’enjeu et le risque. Ces trois notions sont
très liées, au point qu’elles sont parfois délicates à délimiter ou à appréhender.[1]
1.2.1. L’aléa
L’aléa est la probabilité d’occurrence du phénomène accidentel se produisant sur un site
industriel, associée aux effets que l’accident produirait. Lié à la notion de hasard, l’aléa
exprime, en d’autres termes, la mesure de la probabilité d’une situation, d’un événement
ou d’une causalité quelconque. L’aléa, croisé avec les données sur les enjeux vulnérables
(populations, infrastructures) sert à apprécier l’étendue du risque.[1]
3
1.2.2. Le danger
Distinguer le danger du risque est fondamental. Ces deux notions qui de prime abord
semblent évidentes sont de faux amis, très proches et peuvent présenter des difficultés dans leur
définition ou des ambiguïtés dans leur compréhension. Littéralement, le danger est la capacité
intrinsèque d’une substance dangereuse ou d’une situation physique à provoquer des
dommages. Par exemple la propriété intrinsèque d’une substance dangereuse (inflammable,
explosive, toxique, etc.), d’une situation physique (gaz sous pression, matériau sous tension,
libération d’énergie, etc.) à provoquer des dommages pour la santé, les biens et/ou pour
l’environnement.
C’est donc une caractéristique indissociable de l’élément en question. Ainsi, une falaise
est dangereuse par nature, car sa configuration expose l’homme qui s’y promène à une chute et
donc à des dommages. [1]
1.2.3. Le risque
Le risque est la combinaison de l’aléa et des enjeux : un explosif dans le désert ne
comporte quasiment pas de risques pour les personnes ou les biens, alors que placé dans une
zone urbanisée, il en devient un. Autrement dit, l’homme n’encourt un risque que s’il se
rapproche du danger, s’il se promène au bord de la falaise. Ou pour les exemples de substances
précités, s’il y est exposé ou se situe dans le rayon de leurs effets potentiels à un moment donné.
Le risque fait appel à deux notions distinctes. C’est la combinaison de la probabilité
d’occurrence d’un effet redouté (danger intrinsèque, incident ou accident) dans des
circonstances déterminées. Le risque désigne donc un danger bien identifié associé à
l’occurrence d’un évènement (ou série d’évènements) connu et parfaitement descriptible, dont
il n’est pas certain de se produire, mais dont il est certain qu’il peut se produire (parce qu’il a
déjà été observé).
Le risque industriel majeur est la probabilité qu’un effet spécifique se produise dans
une période donnée ou dans des circonstances déterminées. Les impacts en sont majeurs, c’est-
à-dire qu’ils concernent directement la vie et santé des personnes, engendrent des dégâts
importants sur l’environnement ou les biens. C’est l’événement le plus redouté dans un
établissement industriel. Les conséquences pour le personnel, les citoyens avoisinants,
l’environnement ou les biens peuvent être plus au moins importantes. Ces accidents sont la
conséquence directe de la présence (ou de l’exploitation) de substances et/ou de procédés
4
dangereux susceptibles d’être à l’origine d’inconvénients ou de situations accidentelles : ce sont
les risques technologiques.
La notion d’accident majeur est un événement tel qu’une émission, un incendie ou une
explosion d’importance majeure. L’évènement résultant de développements incontrôlés
survenus au cours de l’exploitation d’un établissement couvert par la présente directive, ceci
entraînant pour la santé humaine ou pour l’environnement un danger grave, immédiat ou
différé, à l’intérieur ou à l’extérieur de l’établissement, et faisant intervenir une ou plusieurs
substances dangereuses. Il se décline en plusieurs manifestations : l’explosion, l’incendie, la
diffusion ou la dispersion, dans l’air, dans le sol ou dans les eaux, de substances dangereuses.
Ces effets sont caractérisés par leur nature et par leur intensité. Les notions sont définies dans
le cadre règlementaire, mais on peut recenser quelques types de risques industriels majeurs et
catégoriser les activités industrielles qui en sont à l’origine.[1]
1.3. ORIGINE DE RISQUES INDUSTRIELS
Le risque industriel peut se manifester par un accident se produisant sur un site industriel
et pouvant entraîner des conséquences graves pour le personnel, les populations, les biens,
l’environnement ou le milieu naturel. Il est lié à l’utilisation, au stockage ou à la fabrication de
substances dangereuses.
Les différents types d’industries à risque (liste non exhaustive) :
• Les industries chimiques, qui produisent ou utilisent des produits chimiques en grande
quantité.
• L’ensemble des industries travaillant les produits pétroliers, depuis les raffineries
jusqu’à la distribution, en passant par le stockage.
• Les stockages de gaz.
• Les sites pyrotechniques de fabrication et de stockage d’explosifs.
• Les silos et installations de stockage de céréales, grains, produits alimentaires ou autre
produit organique dégageant des poussières inflammables.
• Les autres établissements utilisant des substances dangereuses, tels que les sites
pharmaceutiques et sites agroalimentaires utilisant de l’ammoniac en quantités
5
importantes dans le cadre des systèmes de refroidissement, ou encore les sites de
traitements des déchets dangereux.
Ces types d’industries peuvent générer des phénomènes dangereux. Mais le phénomène
dangereux n’implique pas forcément la présence d’un risque : il est question en effet de risque
industriel dès lors qu’un phénomène dangereux est susceptible de menacer des personnes, des
biens et/ou l’environnement. La notion de risque industriel repose sur la combinaison de l’aléa
et des enjeux. Néanmoins, la classification des installations à risque repose sur le potentiel de
dangers, indépendamment de l’évaluation du risque.[1]
1.4. CAUSES DES ACCIDENTS INDUSTRIELS
Les causes potentielles pouvant conduire à un accident industriel sont diverses :
• Une défaillance du système : il peut s’agir d’une défaillance mécanique ou d’une
défaillance liée à un mauvais entretien par exemple (vanne bloquée, capteur défaillant,
etc.).
• Une erreur humaine : le facteur humain peut être lié par exemple à une méconnaissance
des risques, à une erreur de manipulation (mauvais dosage, inattention, etc.), à un défaut
d’organisation, etc.
• Un emballement réactionnel : une réaction chimique mal maîtrisée peut entraîner un
débordement, une montée en pression, la génération de gaz, la génération de produits
corrosifs ou toxiques, etc.
• Des causes externes peuvent engendrer un accident industriel : les risques naturels tels
qu’un séisme ou une inondation, une panne due à un problème d’alimentation électrique
mal gérée, ou encore une cause extérieure comme la chute d’un avion.
• Un incident sur une installation voisine, du même établissement ou non, ayant des
effets sur d’autres installations à risques, on parle alors d’effets dominos entre
équipements, etc.
• La malveillance peut également être à l’origine d’un accident industriel, comme par
exemple un attentat ou une dégradation volontaire d’un outil de production.
Un accident industriel peut être dû à une succession de petits événements qui, isolés, ne
conduiraient pas à une situation accidentelle, mais qui, accumulés les uns aux autres, peuvent
6
conduire à un phénomène dangereux. Chaque combinaison d’événements conduisant à un
phénomène dangereux est appelée « scénario ».[1]
1.5. EFFET D’UN ACCIDENT INDUSTRIEL
Il existe trois types d’effets sur les personnes et les biens. L’intensité des effets varie
en fonction de la violence de l’accident, de la distance, de la durée d’exposition à ces effets et
de la nature et du type de substance dangereuse en question.
1.5.1. Les effets thermiques
Les effets thermiques sont liés à une combustion ou à l’explosion d’une substance
inflammable ; les conséquences pour l’homme sont bien évidemment les brûlures et/ou
l’asphyxie, allant de légères à sévères. L’incendie est plus souvent lié à l’embrasement de
substances inflammables utilisées sur un site, notamment sur les sites de stockage de produits
pétroliers ou assimilés. [2]. La Figure 1.1 montre un incendie survenu dans une centrale
thermique.
Figure 1.1 : Accident sur un site de la jirama à Ambohimanambola [3]
7
1.5.2. Les effets mécaniques
Les effets mécaniques sont liés à une surpression, résultant d’une onde de choc
(déflagration ou détonation), provoquée par une explosion (type boil over ou BLEVE). Les
conséquences des effets mécaniques sont établies par des spécialistes qui calculent la
surpression engendrée par l’explosion (par des équations mathématiques) afin de déterminer
les effets associés : chocs, commotions (lésions aux tympans, poumons, etc.).
- L’explosion
Elle peut intervenir à la suite d’un choc issu d’un explosif, d’une réaction chimique,
d’un échauffement, d’une augmentation de pression, d’une décompression brutale, de
l’inflammation d’un nuage de poussières combustibles ou bien encore d’une fuite, etc. Ce
phénomène entraîne nécessairement des risques de traumatismes directs ou liés à l’onde de
choc. L’explosion provoque en effet une onde de surpression pouvant déstabiliser les structures
matérielles (projections, effondrement des bâtiments) et causer des lésions chez l’homme
(lésions internes au niveau des tympans et des poumons, traumatismes, etc.). La Figure 1.2
montre une explosion sur un site industriel. [1]
Figure 1.2 : Explosion sur un site industriel [2]
8
- Le boil over ou boule de feu
C’est un phénomène qui intervient lorsque de l’eau contenue dans un bac
d’hydrocarbure en partie basse se vaporise sous l’effet de la chaleur. Il s’agit d’une projection
de la masse d’hydrocarbure contenue dans le récipient sous forme d’une boule de feu.
- Le BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion)
Le BLEVE peut être défini comme une vaporisation violente à caractère explosif
consécutive à la rupture d’un réservoir contenant un liquide à une température significativement
supérieure à sa température normale d’ébullition, à la pression atmosphérique. Lors de
l’accident majeur de la raffinerie de Feyzin en 1966, il y eut successivement deux BLEVE. Le
premier présentait une boule de feu de 250 m de diamètre et culminait à plus de 400 m de
hauteur.
- L’UVCE (unconfined vapour cloud explosion)
Il s’agit d’une explosion de gaz à l’air libre. Elle comprend généralement le rejet
dans l’atmosphère d’un gaz tel que le GPL, qui se mélange avec de l’oxygène de l’air pour
former un volume inflammable, une inflammation de ce nuage avec un front de flamme qui se
propage. Ce phénomène peut être à l’origine de la formation d’une pression aérienne. L’UVCE
se distingue du flash fire (feu de nuage), car le premier implique des effets de pression.[1]
1.5.3. Les effets toxiques
Les effets toxiques résultent de l’exposition à une substance toxique (chlore,
ammoniac, phosgène, etc.). L’exposition peut se faire par inhalation, par contact cutanée (peau,
yeux, etc.) ou par ingestion. Les effets découlant de cette exposition peuvent être, par exemple,
un œdème du poumon, une atteinte du système nerveux par des brûlures ou d’autres effets à
long-terme comme l’infertilité, les cancers, etc. Les causes d’exposition peuvent être liées soit
au fonctionnement de l’installation (manipulation de substances sur le site) soit à une fuite ou
à une dispersion dans l’air (le nuage toxique), le sol ou les eaux.
Il est important de relever le caractère chronique de certaines expositions : les effets
ou conséquences sont ici étalés dans le temps, la pollution du sol peut en effet perdurer pendant
des années et contaminer gravement les cultures présentes sur ces sols, ou bien encore les
9
nappes phréatiques. Les biotechnologies ou nanotechnologies peuvent également être à
l’origine de ces risques en raison de la dissémination de micropolluants dont les effets à long
terme sur l’homme et l’environnement ne sont pas connus.
Le danger et le risque sont extrêmement liés à la toxicité et à la dangerosité physique
que peuvent présenter les substances présentes, utilisées, transportées ou fabriquées dans les
installations, que cette toxicité soit aiguë ou chronique. Cette idée de toxicité et de danger
physiques trouve toute sa signification aussi bien en matière de risque industriel que pour les
sites et sols pollués, comme pour le transport des matières dangereuses. Il est donc nécessaire
de bien la comprendre. La Figure 1.3 montre un incendie survenu à la zone Filatex à
Ankadimbahoaka, un employé a succombé à la suite de son asphyxie au moment où la fumée à
forte teneur en 𝐶𝑂2 a envahi le local. [1]
Figure 1.3 : L’incendie dans l’enceinte de la zone industrielle Filatex à Ankadimbahoaka. [4]
Ces substances et ces mélanges se dispersent et s’accumulent fréquemment dans
notre environnement, dans les organismes vivants, sans se dégrader, faisant d’eux des polluants
persistants. Ce phénomène est appelé la bioaccumulation. D’autres substances sont
cancérigènes, mutagènes, neurotoxiques ou ont d’autres propriétés préoccupantes pour la santé
ou l’environnement. Les données sanitaires et environnementales sur leurs effets à long terme
ne sont disponibles que partiellement, et seulement pour certaines substances.
10
1.5.4. Les effets domino
À ces effets pris séparément vient s’ajouter un effet multiplicateur des phénomènes
et des impacts nuisibles redoutés : l’effet domino. Ce phénomène se produit dans les sites qui
abritent plusieurs installations ou autres sites et aménagements potentiellement sources de
risques à proximité. C’est l’action d’un phénomène dangereux affectant une ou plusieurs
installations d’un établissement ou tout type d’aménagement qui pourrait déclencher un autre
phénomène sur une installation ou un établissement voisin, pouvant être soit la source soit
conduire à une aggravation générale des effets du premier phénomène. Pour mieux comprendre
le mécanisme, il suffit d’imaginer l’explosion de stocks de matières explosibles situés sur un
site B suite à l’incendie d’un entrepôt de papier situé sur un site A. Ou bien qu’une explosion
sur un site A projette un missile (type matériel) qui provoque une brèche dans un stockage de
substances dangereuses sur un site B. Ces substances se déversant dans un fleuve ou causant
une réaction (chimique) en chaîne déclenchant d’autres phénomènes dangereux sur ce même
site ou un autre site. Les effets peuvent alors être encore plus dévastateurs.
Ce qui veut donc dire que chaque risque (explosion, incendie, dispersion toxique) est
largement susceptible d’en entraîner un, voire plusieurs autres. Toute activité industrielle ou
agricole qui est susceptible de créer des risques ou de provoquer des pollutions ou des
nuisances, notamment pour la sécurité et la santé des riverains est une installation classée pour
la protection de l’environnement (ICPE). Il est évident que chaque type d’activité industrielle
engendre des impacts différents sur l’environnement, la santé et la sécurité. Un abattoir
comporte peu de risque d’explosion. En revanche, il peut présenter un risque relativement
important de pollution des milieux. Sous la dénomination installations classées, on trouve aussi
bien des industries historiques (sidérurgie, métallurgie, chimie organique, etc.) que des
industries plus récentes (biotechnologies, semi-conducteurs, etc.).
Cette notion d’ICPE est également hétérogène en termes de dimensionnement ou de
configuration : des activités comportant des unités très volumineuses (raffineries, sidérurgies,
cimenteries, centrales thermiques, etc.) s’y trouvent, ainsi que des activités réparties en un grand
nombre de petits ateliers, comme un mitage (distribution de carburants, pressing, etc.). Si le
secteur industriel est le plus représenté, l’agriculture et aquaculture, avec les élevages intensifs
(porcs, volailles, salmonicultures, etc.), et les services publics exploités directement par les
collectivités locales ou par d’autres exploitants (décharges et usines d’incinération d’ordures
ménagères, chaufferies) font également partie des installations classées.[1]
11
1.6. ENJEUX DE LA PREVENTION
La notion d’enjeu regroupe l’ensemble des personnes, biens ou autres intérêts tel que
l’environnement qui sont susceptibles d’être affectés par un phénomène naturel ou
technologique.
Les enjeux de la prévention et de la maîtrise des impacts industriels sont donc :
- La protection de la santé des personnes, notamment les travailleurs sur site, mais aussi
les riverains et les citoyens, face aux expositions de toutes natures (explosion, incendie,
exposition à des substances toxiques).
- La préservation de l’environnement face aux impacts réels ou potentiels pendant tout
le cycle de vie de l’installation (rejets dans l’eau, l’air, les sols en fonctionnement
normal ou en cas de défaillance ou accident, utilisation de ressources et d’énergie,
prévention de déchets et polluants, etc.).
- La protection des biens (habitations ou autres aménagements).[1]
1.7. LES QUATRES PILIERS DE LA PREVENTION DES RISQUES
1.7.1. Reduction du risque à la source
Après l’identification de l’ensemble des phénomènes dangereux qui peuvent se
produire dans l’installation. L’exploitant met en œuvre toutes les mesures techniques ou
technologies nécessaires pour atteindre un niveau de risque aussi bas que possible (utilisation
de procédés intrinsèquement sûrs, substitution de substances intrinsèquement dangereuses par
des substances moins dangereuses, remplacement de procédées obsolètes par les meilleures
techniques disponibles, etc.). Les exploitants de sites industriels mettent également en place
tous les dispositifs de protection et d’intervention pour prévenir les accidents (communément
appelés les barrières de prévention), comme la supervision humaine du bon fonctionnement de
l’installation. Les exploitants sont également tenus de limiter les conséquences d’un incident
ou d’un accident et prévoient des systèmes de détection et de protection (dispositifs techniques
visant à limiter l’ampleur des rejets accidentels, des mécanismes de détection de fuite de gaz,
de fumée de pulvérisation d’eau ou d’écrans de vapeur, etc.). Ce sont les barrières de
protection.[2]
12
1.7.2. L’organisation des secours
L’exploitant met également en place des moyens mobilisables internes ou externes
et une organisation de l’alerte et de l’intervention pour s’assurer que ces dispositifs soient
effectifs et maintiennent leur performance dans le temps. Les exploitants de sites industriels et
l’État préparent des schémas d’intervention incluant procédures d’alerte et organisation des
secours pour protéger et évacuer les personnes.
En cas d’accident qui ne touche que l’intérieur de l’établissement, l’exploitant
applique son plan d’opération interne (POI pour toutes les ICPE ainsi que certaines autres
installations en raison de leur activité ou de leur environnement). Et si l’accident dépasse le
cadre de l’installation, le préfet met en œuvre le plan particulier d’intervention (PPI) qui
organise l’intervention des secours.[1]
1.7.3. La maîtrise de l’urbanisation
La maîtrise de l’urbanisation autour des installations dangereuses constitue une
composante majeure de la prévention du risque industriel. Sa nécessité a été réaffirmée à la
suite de nombreux accidents survenus au cours des années 1980 et encore plus après l’accident
d’AZF. [1]
1.7.4. L’information préventive des populations et le retour d’expérience
Une information des populations sur les établissements et les risques potentiels, le
signal d’alerte et la bonne conduite à avoir en cas d’accident doit être réalisée par les élus locaux
dans les zones concernées par le risque technologique majeur, sur la base d’éléments fournis
par les exploitants d’établissements. La réglementation prévoit également des obligations
d’échange d’informations sur le retour d’expérience en matière de maîtrise du (les informations
qui présentent un intérêt technique particulier pour la prévention des accidents majeurs, comme
les quasi-accidents, doivent être notifiés dans une base commune). [1]
13
1.8. CONCLUSION
Les accidents industriels sont parfois causés par une défaillance du système ou par une
erreur humaine. Ces accidents peuvent amener à un incendie ou à l’exposition à des substances
toxiques. Leur prévention est primordiale puisque que des vies, des biens et même
l’environnement sont mis en jeux. La réduction des risques à la source est l’un des piliers de
cette prévention. Le chapitre suivant parlera de l’internet des objets qui peut aider à la
prévention de ces risques.
14
CHAPITRE 2 : INTERNET OF THING
2.1. INTRODUCTION
Un changement technologique majeur arrive dans notre monde, et il est centré autour de
l’Internet of Things (IoT). L’IoT c’est de connecté ce qui ne l’est pas. La plupart des objets de
notre quotidien ne sont pas connecté à un réseau informatique, mais ce paradigme change
rapidement. Auparavant les objets non connectés qui étaient autour de nous ont été fourni avec
l’habilité de communiquer avec les autres objets et personnes, qui à son tour conduit à de
nouveaux services dans notre vie quotidienne.
Avec un taux d’adoption de 62 %, les chefs d’entreprises ont déclaré qu’ils utilisaient
des dispositifs IoT tels que les capteurs chimiques (62 %) et les systèmes de préparation de
commandes (46 %) pour réduire le risque opérationnel et les arrêts de travail. Le secteur
industriel tire le plus grand bénéfice de l’IoT lorsqu’il est utilisé pour surveiller et maintenir les
infrastructures d’exploitation (31 %). [5]
L’IoT est vue comme une évolution d’internet, il a aussi provoqué l’évolution de
l’industrie. En 2016, la Word Economic Forum a soumis l’évolution de l’internet et de l’impact
de l’IoT comme le « Quatrième révolution industriel ».
La première révolution industrielle arrive en Europe à la fin du XVIIème siècle avec
l’application de la vapeur et de l’eau dans la production mécanique. La seconde révolution a
pris place entre le début des années 70 et le XXème siècle, a vue l’introduction de la grille
électrique et de la production de masse.
La troisième révolution vient entre la fin des années 60 et le début des années 70, avec
les ordinateurs et l’électronique qui commencent à faire leur marque dans les usines et autres
systèmes industriels. La quatrième révolution industrielle se passe maintenant, et l’internet des
objets le conduit. [6]
15
La Figure 2.1 résume ces 4 révolutions de l’industrie 1.0 à l’industrie 4.0.
Figure 2.1 : Les quatre révolutions industrielles [6]
2.2. LA GENESE DE l’IoT
L’âge de l’IoT est souvent dit avoir commencé vers 2008. Durant cette période de temps,
le nombre d’appareil connecté à internet a éclipsé la population mondiale. Avec plus d’objets
connecté à internet que de personne dans le monde, l’arrivée d’une nouvelle ère, et l’Internet of
Things était née. Comme montrée dans la Fig. 2.2, l’évolution de l’internet peut être catégoriser
en quatre phases. Chacune de ces phases avait un profond impact sur notre société et notre vie.
[6].
Les phases d’évolution de l’internet :
- La connectique (Connectivity)
L’accès au numérique (Digitize Access) : Cette phase connecte la population aux
emails, aux services web et aux recherches ainsi l’information est facilement accessible.
- L’économie en réseau (Networked Economy)
Le Business numérique (Digitize Business) : Cette phase fait émerger l’e-commerce et
l’amélioration de la chaine d’approvisionnement avec l’engagement d’augmenter
l’efficience dans les processus de production.
16
- Expérience immersive (Immersive experiences)
Numériser l’interaction (Digitize Interactions) : Cette phase étend l’expérience internet
à un courant englobée par les vidéos et les réseaux sociaux. La plupart des applications
ont été déplacées dans le cloud.
- L’Internet des Objets (Internet of Things)
Numériser le monde (Digitize the World) : Cette phase donne la connectivité aux objets
et machines dans le monde qui permet d’accéder à de nouveaux services et expériences.
[6]
Figure 2.2 : Phases d’évolution de l’internet [6]
2.3. DEFINITION
L’IoT ou Internet des Objets en français (IdO) est l’infrastructure mondiale pour la
société de l'information, qui permet de disposer de services évolués en interconnectant des
objets (physiques ou virtuels) grâce aux technologies de l'information et de la communication
interopérables existantes ou en évolution.[7]
17
2.4. CONCEPT
L'Internet des objets (IoT) peut être considéré comme un concept ambitieux ayant des
répercussions sur les technologies et la société. En exploitant les capacités d'identification, de
saisie de données, de traitement et de communication, l'IoT tire pleinement parti des objets pour
offrir des services à toutes sortes d'applications, tout en garantissant le respect des exigences de
sécurité et de confidentialité.
Comme l'illustre la Fig. 2.3, l'IoT donne aux TIC (Technologie de l’Information et de la
Communication) une nouvelle dimension en ce sens que, grâce à lui, la communication est non
seulement possible en tout LIEU et à tout MOMENT, comme c'était déjà le cas, mais aussi avec
n'importe quel OBJET.[7]
Figure 2.3 : La nouvelle dimension introduite par l'Internet des objets [7]
Dans l'IoT, les objets s'entendent d'objets du monde physique (objets physiques) ou du
monde de l'information (objets virtuels), pouvant être identifiés et intégrés dans des réseaux de
communication. Des informations leurs sont associées, qui peuvent être statiques ou
dynamiques. Les objets physiques appartiennent au monde physique et peuvent être détectés,
commandés et connectés.
L'environnement qui nous entoure, les robots industriels, les biens et les équipements
électriques sont autant d'exemples d'objets physiques. Les objets virtuels appartiennent au
18
monde de l’information ; ils peuvent être stocker, traiter et accéder. Ces objets sont par exemple
des contenus multimédias ou des logiciels.[7]
2.5. APERCU TECHNIQUE
La Figure 2.4 montre un aperçu technique de l'IoT.
Figure 2.4 : Aperçu technique de l’IoT [7]
Un objet physique peut être représenté dans le monde de l'information par
l'intermédiaire d'un ou de plusieurs objets virtuels mais un objet virtuel peut tout aussi bien
n'être associé à aucun objet physique. Un dispositif est un équipement doté obligatoirement de
capacités de communication et éventuellement de capacités de détection, d'actionnement, de
saisie de données, de stockage de données et de traitement de données. Il recueille des
informations de différents types, qu'il transmet aux réseaux d'information et de communication
en vue d'un traitement approfondi. Certains dispositifs peuvent également exécuter des
opérations à partir des informations reçues des réseaux d'information et de communication. [7]
19
Les dispositifs communiquent entre eux soit par l'intermédiaire du réseau de
communication, via une passerelle (cas a) ou sans passerelle (cas b), soit de manière directe,
c'est-à-dire sans passer par le réseau de communication (cas c). Il est également possible de
combiner les cas a et c ou les cas b et c. Des dispositifs peuvent par exemple communiquer avec
d'autres dispositifs au moyen d'une liaison directe sur un réseau (cas c) puis d'une liaison sur le
réseau de communication via une passerelle de réseau locale (cas a).
L'IoT prend en charge des applications très diverses, ayant trait par exemple aux "systèmes
de transport intelligents", aux "réseaux électriques intelligents", à la "cyber santé" ou au
"logement intelligent". Les applications IoT peuvent être installées sur des plates-formes
propriétaires mais aussi sur une ou plusieurs plates-formes de service/d'application communes
dotées de capacités génériques.
Les réseaux de communication transfèrent aux applications et aux autres dispositifs les
données saisies par les dispositifs, de même que les instructions que les applications adressent
à ceux-ci. Ils sont à même d'assurer le transfert des données de manière fiable et efficace. La
Figure 2.5 présente les différents types de dispositifs ainsi que les relations entre ceux-ci et les
objets physiques. [7]
Figure 2.5 : Les différents types de dispositifs et leurs relations avec les objets physiques [7]
L'exigence minimale en ce qui concerne les dispositifs IoT est la prise en charge des
capacités de communication. Il existe différentes catégories de dispositifs, à savoir : le transport
de donnée, la saisie de données, la détection et l’actionnement, et les généraux.
20
- Dispositifs de transport de données : il s'agit de dispositifs rattachés à un objet physique
pour assurer une connexion indirecte entre celui-ci et les réseaux de communication.
- Dispositifs de saisie de données : il s'agit de dispositifs de lecture/écriture à même
d'interagir avec des objets physiques. L'interaction peut être indirecte, par
l'intermédiaire de dispositifs de transport de données, ou directe, via des porteuses de
données rattachées aux objets physiques. Dans le premier cas, le dispositif de saisie de
données lit les informations sur un dispositif de transport de données et peut aussi,
éventuellement, y écrire les informations fournies par les réseaux de communication.
- Dispositifs de détection et d’actionnement : il s'agit de dispositifs capables de détecter
ou de relever des informations concernant leur environnement immédiat et de les
convertir en signaux électro-numériques. Ils peuvent également convertir les signaux
électro numériques reçus des réseaux d'information en opérations. En règle générale, les
dispositifs de détection et d'actionnement des réseaux locaux communiquent entre eux
à l'aide de technologies filaires ou hertziennes et se connectent aux réseaux de
communication via des passerelles.
- Dispositifs généraux : il s'agit de dispositifs dotés de capacités de traitement et de
communication, qui sont à même d'interagir avec les réseaux de communication au
moyen de technologies filaires ou hertziennes. Cette catégorie de dispositifs recouvre
les équipements et appareils utilisés dans différents domaines d'application de l'IoT
(machines industrielles, appareils électroménagers, smartphones, etc.).[7]
2.6. EXEMPLE DE SYSTEME IoT
L’exemple montré sur la Fig. 2.6 montre le fonctionnement d’une application de l’IoT.
Une lampe pilotée par un microcontrôleur est connectée à une application mobile à l’aide d’un
routeur. L’application mobile contient une interface qui permet à l’utilisateur d’allumer ou
d’éteindre la lampe. Le rôle de chacun des dispositifs est :
- Lampe : elle joue le rôle d’objet physique.
- Microcontrôleur : il joue le rôle de dispositif général qui à la fois sert de moyen de
communication entre l’objet physique et le réseau mais aussi de dispositif
21
d’actionnement qui convertit les signaux reçus des réseaux d'information en opérations
pour allumer et éteindre la lampe.
- Routeur : il joue le rôle de dispositif de transport de donnée qui va permettre de
communiquer les commandes venant de l’application mobile au microcontrôleur.
- Application Mobile : il joue le rôle d’interface avec l’utilisateur avec qui celui-ci pourra
contrôler la lampe à distance via de simples commandes.
Figure 2.6 : Exemple d’application de l’IoT
2.7. CARACTERISTIQUES FONDAMENTALES
Les caractéristiques fondamentales de l'IoT sont les suivantes : l’interconnectivité, les
services liés aux objets, l’hétérogénéité, les changements dynamiques, et les très grandes
échelles.
- Interconnectivité : dans l'IoT, tout objet peut être connecté à l'infrastructure mondiale
de l'information et de la communication.
Lampe
Microcontrôleur
Routeur
Application Mobile
22
- Services liés aux objets : l'IoT est à même de fournir des services liés aux objets tenant
compte des exigences inhérentes à ceux-ci (par exemple protection de la sphère privée
et cohérence sémantique entre les objets physiques et les objets virtuels qui leurs sont
associés). Pour que de tels services puissent être fournis dans le respect de ces exigences,
les technologies utilisées seront amenées à changer, aussi bien dans le monde physique
que dans le monde de l'information.
- Hétérogénéité : les dispositifs utilisés dans l'IoT sont hétérogènes puisqu'ils ne font pas
appel aux mêmes plates-formes matérielles ni aux mêmes réseaux. Ils peuvent interagir
avec d'autres dispositifs ou plates-formes de service par l'intermédiaire de réseaux
différents.
- Changements dynamiques : l'état des dispositifs (par exemple veille/réveil,
connecté/déconnecté) change de façon dynamique, de même que le contexte dans lequel
ces dispositifs fonctionnent (emplacement, vitesse, etc.). Par ailleurs, le nombre de
dispositifs peut lui aussi évoluer de façon dynamique.
- Très grande échelle : les dispositifs qui devront être gérés et qui communiqueront entre
eux seront au moins dix fois plus nombreux que ceux connectés à l'Internet à l'heure
actuelle. Le rapport entre les communications établies par des dispositifs et celles
établies par des personnes deviendra nettement plus favorable aux premières. La gestion
des données générées et leur interprétation pour les besoins des applications seront
d'autant plus critiques. Cette question est en lien avec la sémantique et le traitement
efficace des données.[7]
2.8. MODELE DE REFERENCE
En 2014, le comité architectural de l’loT World Forum (IoTWF) (mené par Cisco, IBM,
Rockwell Automation, et autres) publie un modèle de référence architecturale de l’IoT en sept
couches. Quand des variétés de modèles de référence de l’IoT existe, un mis en avant par
l’IoTWF offre un propre, simple perspective sur l’IoT.
23
La Figure 2.7 détaille le modèle de référence de l’IoT publié par l’IoTWF.
Figure 2.7 : Modèle de référence de l’IoT publié par l’IoTWF [6]
Tandis que la Fig. 2.8 présente un modèle de référence simplifié de l'IoT. Ce modèle
comprend quatre couches auxquelles sont associées des capacités de gestion et de sécurité. Ces
quatre couches sont les suivantes : la couche application, la couche de prise en charge des
services et des applications, la couche réseau, et la couche dispositif.[7]
Figure 2.8 : Modèle de référence simplifié de l’IoT [7]
24
2.8.1. Couche application
La couche application contient les applications IoT.
- Ville intelligente : maison, building, transport, service public, environnement.
- Industrie : logistique, agriculture, élevage, processus industriel.
- Santé : assistance médicale, diagnostique.[6]
2.8.2. Couche de prise en charge des services et des applications
La couche de prise en charge des services et des applications contient deux ensembles
de capacités : capacités de prise en charge génériques et capacités de prise en charge
spécifiques.
- Capacités de prise en charge génériques : il s'agit de capacités communes pouvant être
utilisées par différentes applications IoT, par exemple de capacités de traitement ou de
stockage de données. Des capacités de prise en charge spécifiques peuvent également
faire appel à ces capacités génériques, par exemple pour créer de nouvelles capacités
spécifiques.
- Capacités de prise en charge spécifiques : il s'agit de capacités particulières répondant
aux besoins d'applications diversifiées. Elles peuvent en effet être constituées de
différents ensembles de capacités bien précis afin d'assurer des fonctions de prise en
charge différentes pour des applications IoT distinctes. [7]
2.8.3. Couche réseau
Cette couche comprend deux types de capacités, à savoir : des capacités de liaison et des
capacités de transport.
- Les capacités de réseautique assurent les fonctions de contrôle pertinentes concernant
la connectivité au réseau, telles que le contrôle d'accès et le contrôle des ressources de
transport, la gestion de la mobilité ou l'authentification, l'autorisation et la comptabilité
;
25
- Les capacités de transport sont destinées essentiellement à assurer la connectivité
nécessaire pour le transport des informations propres à chaque service ou application
IoT ainsi que pour le transport des informations de contrôle et de gestion relatives à
l'IoT.[7]
2.8.4. Couche dispositif
Les capacités de la couche dispositif peuvent être réparties de manière logique en deux
catégories :
• Capacités des dispositifs
Les capacités des dispositifs sont entre autres les suivantes :
- Interaction directe avec le réseau de communication : les dispositifs sont à même de
collecter des informations et de les télécharger sur le réseau de communication de
manière directe (c'est-à-dire sans avoir recours pour ce faire aux capacités des
passerelles) et peuvent recevoir des informations (par exemple des commandes)
provenant directement de celui-ci.
- Interaction indirecte avec le réseau de communication : les dispositifs sont à même de
collecter des informations et de les télécharger sur le réseau de communication de
manière indirecte (c'est-à-dire en ayant recours pour ce faire aux capacités des
passerelles). De même, ils peuvent recevoir des informations (par exemple des
commandes) provenant indirectement du réseau de communication. [7]
- Etablissement de réseaux ad hoc : les dispositifs peuvent être en mesure de créer des
réseaux ad hoc dans certains cas de figure nécessitant une modularité accrue et un
déploiement accéléré.
- Veille et réveil : les capacités des dispositifs peuvent inclure des mécanismes de mise
en veille et de réveil permettant de réaliser des économies d'énergie.[7]
26
• Capacités des passerelles
Les capacités des passerelles sont entre autres les suivantes :
- Prise en charge d'interfaces multiples : au niveau de la couche dispositif, les capacités
des passerelles prennent en charge des dispositifs connectés à l'aide de différentes
technologies filaires ou hertziennes, par exemple à l'aide d'un bus gestionnaire de réseau
de communication, du protocole ZigBee, du Bluetooth ou du WiFi. Au niveau de la
couche réseau, les capacités des passerelles peuvent communiquer par divers moyens,
notamment en utilisant le réseau téléphonique public commuté, les réseaux de deuxième
ou de troisième génération, les réseaux Ethernet ou les lignes d'abonné numérique.
- Conversion de protocole : les capacités des passerelles s'avèrent nécessaires dans deux
cas de figure, le premier étant lorsque des protocoles différents sont utilisés pour les
communications au niveau de la couche dispositif. Le second lorsque des protocoles
différents sont utilisés pour les communications impliquant à la fois la couche dispositif
et la couche réseau. [7]
La portée des principales technologies de communication utilisés dans l’IoT :
- Courte portée
L’exemple classique filaire est le câble série. Les technologies sans fil à courte portée
sont souvent considérées comme une alternative à la câble série, supportant une distance 10 m
au maximum entre deux appareils. Les exemples de technologies sans fils à coutes portée sont :
IEEE 802.15.1 ou Bluetooth et IEEE 802.15.7 Visible Light Communications (VLC). Ces
méthodes de communications à courte portée sont minoritaires dans les installations IoT.
- Moyenne portée
Cette catégorie est la principale des technologies d’accès de l’IoT. Ayant la portée de
dix à cent mètre, plusieurs spécifications et implémentations sont disponibles. La distance
maximale est généralement moins d’un mille entre deux appareils, bien que la technologie de
la radio fréquence n’a pas de distance maximale réelle définie, tant que le signal radio est
transmis et reçu dans l’étendu de la spécification. Les exemples de technologies sans fil à
27
moyenne distance inclus l’IEEE 802.11 Wi-Fi, IEEE 802.15.4, and 802.15.4g WPAN. Les
technologies filaires comme l’IEEE 802.3 Ethernet et IEEE 1901.2 Narrowband Power Line
Communication (PLC) peut aussi être classifié comme moyenne portée, dépendant de leur
caractéristique physique.
- Longue portée
Les distances plus grandes que 1 mille entre deux appareils a besoin des technologies à
longue portée. Les exemples sans fils sont les cellulaires (2G, 3G, 4G, 5G) et différentes
applications extérieures de l’IEEE 802.11 Wi-Fi et les technologies Low-Power Wide-Area
(LPWA). Les communications en LPWA ont l’habilité de se communiquer au-delà d’une vaste
zone sans consommer plus d’énergie. Ces technologies sont idéals pour les dispositifs IoT
utilisant des batteries. Trouver principalement dans les réseaux industriels, IEEE 802.3 par la
fibre optique et l’IEEE 1901 Broadband PLC sont aussi classifiés comme longue portée mais
ne sont pas réellement considérer dans les technologies d’accès de l’IoT. [6]
2.8.5. Capacité de gestion
Tout comme dans les réseaux de communication traditionnels, les capacités de gestion
de l'IoT couvrent les dérangements, la configuration, la comptabilité, la qualité de
fonctionnement et la sécurité, c'est-à-dire qu'elles assurent la gestion de ces différents aspects.
Les capacités de gestion de l'IoT peuvent être classées en capacités génériques et capacités
spécifiques. Les capacités de gestion génériques essentielles dans l'IoT sont notamment les
suivantes :
- gestion de dispositif (activation/désactivation à distance, diagnostic, mise à jour
logiciel/micrologiciel, gestion du mode de fonctionnement);
- gestion de la topologie du réseau local;
- gestion du trafic et de l'encombrement (détection des débordements sur le réseau,
réservation de ressources pour les flux de données à temps critique ou vitaux, etc.).
Les capacités de gestion spécifiques sont étroitement liées aux besoins propres à une
application donnée, par exemple pour le contrôle des lignes électriques utilisées dans
les réseaux électriques intelligents.[7]
28
2.8.6. Capacité de sécurité
Les capacités de sécurité sont de deux ordres : génériques ou spécifiques. Les capacités
de sécurité génériques sont indépendantes des applications.
Elles comprennent :
- au niveau de la couche application: l'autorisation, l'authentification, la confidentialité
des données d'application et la protection de leur intégrité, la protection de la sphère
privée, les audits de sécurité et les anti-virus;
- au niveau de la couche réseau: l'autorisation, l'authentification, la confidentialité des
données utiles et des données de signalisation et la protection de l'intégrité de la
signalisation;
- au niveau de la couche dispositif: l'authentification, l'autorisation, la validation de
l'intégrité du dispositif, le contrôle d'accès, la confidentialité des données et la protection
de l'intégrité.[7]
2.9. CONCLUSION
Le secteur industriel tire beaucoup de bénéfice en utilisant l’IoT. Ce dernier connecte
les objets entre eux et donne les informations recueillis par ces objets. Avec l’IoT, il est possible
de communiquer avec n’importe quel objet, à n’importe quel moment et à n’importe où. L’IoT
s’applique aujourd’hui dans presque tous les domaines et surtout actuellement dans l’industrie.
Le chapitre suivant montrera comment l’IoT est essentiel dans la réalisation du projet.
29
CHAPITRE 3 : REALISATION
3.1. INTRODUCTION
Le projet consiste à la réalisation d’un système IoT. Il sera à la fois capable de mesurer
la température, le taux d’humidité, le taux de méthane et le taux de dioxyde de carbone. Pour
cela, des capteurs seront utilisés afin de prévenir les risques industriels.
3.2. SCHEMA DE FONCTIONNEMENT
Le principe de fonctionnement de notre appareil est décrit par la Fig. 3.1.
Figure 3.1 : Principe de fonctionnement
- Dispositif de détection
Dans cette partie, les capteurs mesurent la température, le taux d’humidité, le taux de
méthane et le taux de dioxyde de carbone. Il y a aussi le microcontrôleur qui joue le rôle
de dispositif générale de traitement de l’information et sert de dispositif de
communication.
Dispositif de
détection
Transport des
données
Traitement des
données
Application Web
30
- Transport de données
Cette partie traite le transport des données du microcontrôleur au dispositif de traitement
de données vers l’internet.
- Traitement de données
Dans cette partie, les données venant du microcontrôleur sont traitées par le broker en
ligne et ensuite envoyées vers le serveur.
- Application Web
L’interface utilisateur qui va permettre de visualiser les données venant du capteur et
donner une alerte en envoyant un email en cas de risques industriels dans IoTView.
3.3. LES GRANDEURS MESURES
3.3.1. La température
La température est une grandeur physique mesurée à l’aide d’un thermomètre et étudiée
en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,
provenant du transfert thermique entre le corps humain et son environnement.
L'exposition à la chaleur peut être à l'origine de troubles chez les salariés. En effet la
température de l'homme doit demeurer constante (homéothermie) quelle que soit son ambiance
thermique. De plus, il est considéré qu’au-delà de 30 °C pour un salarié sédentaire, et 28°C
pour un travail nécessitant une activité physique, la chaleur peut constituer un risque pour les
salariés. Et que le travail par fortes chaleurs et notamment au-dessus de 33 °C présente des
dangers comme la rougeur, le syncope de chaleur, l’épuisement et la déshydratation. [8]
3.3.2. L’Humidité
L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance
(linge, pain, produit chimique, etc.). Les conséquences de l’humidité sur la santé ne laissent
aucun doute : des recherches ont démontré que les conséquences peuvent être infectieuses et
toxiques. En réalité, l’humidité en tant que telle n’est pas nocive pour la santé. Cependant, des
taux d’humidité supérieurs à 70 % favorisent la présence et le développement de moisissures et
31
d’acariens qui sont responsables d’allergies et provoquent un certain nombre de troubles sur la
santé.
Les maladies respiratoires sont souvent en relation directe avec une mauvaise
ventilation de l’habitat. L’humidité est donc très nocive pour notre santé et peut causer de
nombreuses pathologies tels que la rhinite, l’asthme, la bronchite et l’irritation des yeux.[9]
3.3.3. Le Méthane
Le méthane est un composé chimique, il est assez abondant dans le milieu naturel. Il est
un combustible à fort potentiel, gazeux dans les conditions normales de température et de
pression. Le méthane est naturellement présent dans l'atmosphère terrestre, mais les apports
anthropiques ont plus que doublé sa concentration depuis la révolution industrielle.
Le méthane n'est pas toxique en concentration au-dessous de la limite inférieure
d'explosivité de 5 % (50 000 ppm). De fortes concentrations de méthane peuvent déplacer
l'oxygène et provoquer l'asphyxie. La teneur en oxygène de l'atmosphère ne doit jamais
descendre à moins de 18 %, sinon il en résultera des effets nocifs. Lorsqu'il est présent en
concentration de 14 % (140 000 ppm), le méthane abaisse le taux d'oxygène dans l'air à 18 %.
Il ne devrait pas provoquer l'inconscience (narcose) due à la dépression du système central
nerveux avant d'atteindre des concentrations beaucoup plus élevées (30 % ou 30 0000 ppm),
qui sont bien au-dessus de la limite inférieure d'explosivité et des concentrations qui provoquent
l'asphyxie.
Les effets d'un manque d'oxygène sont :
- à 12-16 % – accélération de la respiration et du pouls, légère incoordination musculaire;
- à 10-14 % – troubles émotionnels, épuisement anormal, difficultés respiratoires;
- à 6-10 % – nausées, vomissements, perte de motricité, effondrement et perte de
connaissance possible;
- à moins de 6 % – convulsions, essoufflement, collapsus pulmonaire possible et mort.
Il peut aussi causer des incendies ou des explosions en cas d’étincelles ou autres
évènements. [10]
32
3.3.4. Le Dioxyde de carbone
La mesure du taux de dioxyde de carbone est une chose nouvelle. Cependant, le dioxyde
de carbone est présent depuis toujours dans l'air et plus particulièrement dans l'air expiré. Les
différentes études et recherches sur l'impact du taux de dioxyde de carbone ont conduit à deux
conclusions évidentes.
La première conclusion indique clairement que la qualité de l'air et en particulier le
dioxyde de carbone a un impact sur l'humain, dans un premier temps lié au confort puis à la
sécurité. Un taux de dioxyde de carbone trop important peut entraîner une mort rapide. Les
différentes expérimentations réalisées ont permis de définir un certain nombre de paliers à
respecter. Le premier symptôme d'un taux de dioxyde de carbone élevé est une impression de
fatigue intellectuelle. En effet, il suffit parfois, au cours d'une réunion dans un espace fermé,
d'aller « prendre l'air » comme le dit l'expression courante, pour retrouver tout son dynamisme.
L'explication est simple. Les personnes présentes dans la salle de réunion augmentent de
manière très rapide le taux CO2 dans l'air, raréfiant ainsi l'oxygène. Ainsi, en respirant, nous
apportons moins d'oxygène à notre corps. Cela se traduit par un endormissement du corps
humain. Le symptôme de fatigue intellectuelle débute (pour les personnes les plus sensibles)
aux alentours de 1000 ppm. Le tableau I rassemble les différents paliers connus et usités à ce
jour. [11]
Tableau I : Différents paliers de niveau de CO2 [11]
Concentration Effet sur l’homme -Seuil
380 – 480 ppm Taux normal de l’atmosphère
600 – 800 ppm Taux correct en lieux fermés
1000 – 1100 ppm Taux tolérable en lieux fermés
5000 ppm Limite haute pour 8h
6000 – 30000 ppm Exposition très courte
3 à 8 % Augmentation fréquence cardiaque
Au-delà de 10% Nausée, vomissement, évanouissement
Au-delà de 20% Evanouissement rapide, décès
33
3.4. DISPOSITIF DE DETECTION
La structure générale du dispositif de détection est montrée sur la Fig. 3.2, la Fig. 3.3
montre une image des capteurs, du CAN (Convertisseur Analogique numérique) et du SoC
(System on Chip) et la Fig. 3.4 montre une image du boîtier du dispositif. La sortie des capteurs
de fumée et de méthane passe tous les deux dans un CAN parce qu’ils ont une sortie analogique.
Figure 3.2 : Structure du dispositif de détection
Figure 3.3 : Composants principales du dispositif
Capteur de
Température
Capteur
d’Humidité
Capteur de CO2
Capteur de
méthane
SoC
CAN
34
Figure 3.4 : Boîtier du dispositif
3.4.1. Le SoC
Le SoC utilisé est un NodeMCU ESP-32S. NodeMCU est une plate-forme open
source IoT, matérielle et logicielle, qui est basée sur un System on Chip ou
SoC WiFi ESP8266/ESP32 fabriqué par Espressif Systems.
Le terme « NodeMCU » se réfère par défaut au firmware plutôt qu'aux kits de développement.
Le firmware, permettant nativement l'exécution de scripts écrits en Lua.
Ce SoC est doté d’un microcontrôleur ESP-32 WROOM et d’une antenne WiFi intégré.
Ainsi il traite à la fois les données venant des capteurs et envoi ces données à l’aide de l’antenne
WiFi.[12]
35
La Figure 3.5 montre une image du SoC.
Figure 3.5 : NodeMCU ESP-32S [12]
3.4.2. Le capteur de température et d’humidité
Pour la détection de la température et de l’humidité, c’est le DHT 22 qui est utilisé. Le
capteur donne 16 bits pour l'humidité relative, exprimée en dixièmes et codé en binaire. Par
exemple, si les 2 premiers bytes sont 0000 0010 1001 0010 = 0x0292. La conversion en décimal
donne 658, l'humidité est 65.8%.
Si les 2 bytes suivant pour la température sont 1000 0000 0110 0101, le 1er bit à un
indique que la température est négative et sa valeur absolue suit : 0000 0000 0110 0101 =
0x0065 La conversion en décimal donne 101, donc la température est de -10,1 degrés. Le
capteur peut détecter les températures entre -40 et 80°C et les taux d’humidités entre et 100%.
Une image du capteur est montrée sur la Fig. 3.6.[13]
Figure 3.6 : Capteur DHT 22 [13]
36
3.4.3. Le CAN
L’ADS 1015 est utilisé pour le CAN. Il a une résolution de 12 bits et fonctionne avec
une alimentation de 2 à 5.5V. La Figure 3.7 montre une image du CAN. [14]
Figure 3.7 : ADS 1015 [14]
3.4.4. Le capteur de dioxyde de carbone
Le capteur MQ-135 est utilisé pour capter le dioxyde de carbone. Il peut détecter le
𝐶𝑂2 entre 10 à 1000 ppm, la Fig. 3.8 montre une image du capteur. [15]
Figure 3.8 : Capteur MQ-135 [15]
37
3.4.5. Le capteur de méthane
Le capteur MQ-4 est utilisé pour capter les gaz inflammables et ainsi peut être utilisé
pour détecter le méthane ainsi que le propane et le butane. Il peut détecter ces gaz dans une
plage de 300 à 10000ppm, la Fig. 3.9 montre une image du capteur. [16]
Figure 3.9 : Capteur MQ-4 [16]
3.5. TRANSPORT DE DONNEE
Le dispositif détection est connecté à internet à l’aide de la liaison wifi. Le transport de
donnée utilise une protocole spéciale adapté pour les objets connectés, le MQTT (Message
Queuing Telemetry Transport). La Figure 3.10 montre le transport des données.
Figure 3.10 : Transport des données
Dispositif de
détection MQTT
serveur
Application
Web
Internet
WiFi
MQTT MQTT
Base de données
38
Le dispositif envoi les données à l’aide du protocole MQTT à internet à l’aide de la
liaison WiFi, les données sont d’abord traitées dans le serveur MQTT puis envoyé à
l’application Web ensuite stockés dans la base de données.
MQTT est idéal pour répondre aux besoins suivants :
- Particulièrement adapté pour utiliser une très faible bande passante,
- Idéal pour l’utilisation sur les réseaux sans fils,
- Faible consommateur en énergie,
- Très rapide, il permet un temps de réponse supérieur aux autres standards du web
actuel,
- Nécessite peu de ressources processeurs et de mémoires.[17]
3.5.1. Fonctionnement du protocole
MQTT est un service de publication/abonnement TCP/IP (Transmission Control
Protocol/Internet Protocol) simple et extrêmement léger. Il a été créé par Stanford-Clark et
Arlen Nipper et fonctionne sur le principe client/serveur.
Le serveur, nommé broker, va collecter des informations que les publishers (les Objet
communicants) vont lui transmettre. Certaines informations collectées par le broker seront
renvoyées à certains publishers ayant préalablement fait la demande au broker.
. Les messages sont envoyés par les publishers sur un canal appelé topic. Ces messages
peuvent être lus par les subscribers (abonnés). Les topics (ou canaux d’informations) peuvent
avoir une hiérarchie qui permet de sélectionner finement les informations que l’on désire.
MQTT intègre en natif la notion de QoS (Quality of Service). En effet le publisher à la
possibilité de définir la qualité de son message.
Trois niveaux sont possibles :
- Un message de QoS niveau 0 « At most once » sera délivré tout au plus une fois. Ce qui
signifie que le message est envoyé sans garantie de réception.
- Un message de QoS niveau 1 « At least once » sera livré au moins une fois. Le client
transmettra plusieurs fois s’il le faut jusqu’à ce que le Broker lui confirme qu’il a était
transmis sur le réseau.
39
- Un message de QoS niveau 2 « exactly once » sera obligatoirement sauvegardé par
l’émetteur et le transmettra toujours tant que le récepteur ne confirme pas son envoi sur
le réseau.[17]
3.5.2. Exemple
Le topic ‘/home/salon/temperature’ communiquera les températures du salon si un
object connecté s’y abonne (la sonde de température présente dans le salon publiera
régulièrement la température relevée sur ce topic).
Si un publisher s’abonne au topic ‘/home/salon/#’ il recevra toutes les données du salon
(on peut imaginer : luminosité, humidité, température, etc.). S’il s’abonne au topic ‘/home/#’,
il collectera toutes les données des sondes de la maison. Une illustration est montrée sur la Fig.
3.11.[17]
Figure 3.11 : Exemple MQTT [17]
40
3.6. TRAITEMENT DES DONNEES
Les données venant du capteur sont d’abord traitées par un broker MQTT online. Le
broker utilisé ici est le Broker de CloudMQTT.
Les paramètres du broker utilisé sont :
- Adresse serveur : soldier.cloudmqtt.com
- Utilisateur : wygjdhck
- Mot de passe : JtljNigKy
- Port : 14027
- Limit de connexion : 5
Le broker est en plan Cute Cat alors les clients sont limités à 5 et la vitesse de connexion
est d’environ 5 ko/s. La Figure 3.12 illustre les détails du broker.
Figure 3.12 : Détails du broker CloudMQTT
Ensuite les données sont traitées par un server NodeJs. NodeJs est un runtime Javascript
construit sur un Chrome V8 Javascript Engine. Ils sont après stockés dans une base de données
MongoDB. MongoDB est un système de gestion de base de données orienté document,
répartissable sur un nombre quelconque d’ordinateurs et ne nécessite pas de schéma prédéfini
des données.
41
Schéma de fonctionnement
La Figure 3.13 montre le fonctionnement du système de traitement de donnée.
Figure 3.13 : Fonctionnement du système de traitement de donnée
Les données arrivent dans le serveur, celui-ci les traitements et les inserts dans la base
de données. Le serveur peut aussi recherche des informations que ce dernier à stocker dans la
base.
3.7. APPLICATION WEB
L’application Web « IoTView » permet de visualiser les données venant du dispositif
de détection. Il montre en temp réel les données venant des capteurs et aussi l’historique de ces
derniers. La Figure 3.14 montre la vue principale de l’interface et la Fig. 3.15 montre ses
composants.
Pour le développement de cette application, les technologies suivantes ont été utilisé :
- Bootstrap : Framework HTML/CSS (HyperText Markup Language/Cascading Style
Sheet) permettant de développer le design de l’application.
- Angular : Framework Javascript permettant de développer la partie Front-end de
l’application.
- NodeJs : Langage basé sur Javascript permettant de développer le Back-end de
l’application.
- WebSocket : Protocole utilisé pour la visualisation en temps réel des données.
Serveur NodeJs Base de données
MongoDB Données
Insertion
Recherche
42
Figure 3.14 : Vue principale de l’application Web
Les composants de l’interface :
- En jaune se trouve le menu de l’application où l’utilisateur peut accéder à l’information
à propos du site et au contact des développeurs.
- En rouge se trouve les données en forme de chiffre de la température, de l’humidité, du
taux de méthane et du dioxyde decarbone. Les données sur ce composant sont en temps
réel.
- En vert se trouve la courbe d’historique de donnée, où l’utilisateur peut visualiser les
données avec leur temps d’acquisition.
- En bleu se trouve l’adresse email de l’utilisateur où l’alerte est envoyé en cas de risque.
43
Figure 3.15 : Explication des composants de l’application.
3.8. Application
L’appareil de détection a été testé dans un lieu fermé (une chambre au campus de
Vontovorona) et les résultats de la première mesure sont les suivant :
- Température : 25 °C
- Humidité : 50 %
- 𝐶𝑂2 : 334 ppm
- Méthane : 3 400 ppm
Avec ces résultats, il est constaté que le dispositif marche bien. Car compte tenu des
résultats, les valeurs sont adéquates par rapport au milieu mesuré.
Pour le test, les seuils suivants ont été placés :
- Température : 30 °C
- Humidité : 70 %
- 𝐶𝑂2: 400 ppm
- Méthane : 4 000 ppm
44
Ces seuils font seulement l’objet de test car la création de haute température, la
production de beaucoup de 𝐶𝑂2 ou de méthane ainsi que trop d’humidité n’est pas commode.
Lors du test en dépassant le seuil du taux de méthane, un email a été envoyé à l’utilisateur. La
Figure 3.16 montre l’envoi d’un email à l’utilisateur.
Figure 3.16 : Envoi d’alerte par email
3.9. CONCLUSION
Le système mesure principalement le température, l’humidité, le taux de méthane et de
dioxyde de carbone. Le système suit le modèle IoT. Le NodeMCU ESP-32S est le cœur du
système. Pour les capteurs, le DHT22 est utilisé pour à la fois mesurer la température et
l’humidité. Le MQ-135 pour détecter le taux de dioxyde de carbone et le MQ-4 pour le taux de
méthane. Le MQTT a été utilisé pour protocole de transport de donnée avec la liaison WiFi. La
visualisation des données se fait grâce à l’application web IoTView. L’application envoi un
email à l’utilisateur s’il perçoit qu’une valeur dépasse les limites.
45
CONCLUSION
Il a été vu qu’il existe plusieurs risques au sein de l’industrie, des explosions, des fuites
de produit chimique peuvent survenir. Ces risques peuvent entrainer des pertes considérables
tant au niveau matériel, environnemental, qu’humaine. Afin de prévenir les dangers, une
surveillance accrue de l’environnement d’un site serait un atout considérable. Par exemple, la
détection de gaz pourrait permettre d’éviter une explosion.
L’IoT est très présente dans notre vie quotidienne. L’interconnexion de diverses entités
avec l’IoT peut se faire grâce à l’établissement de protocole bien défini. Le protocole le plus
utilisé dans ce domaine est le MQTT qui a été créé par Stanford-Clark et Arlen Nipper. MQTT
est un standard rapide et adapté au sans fil. Surtout pour la liaison appareil de mesure et
application Web, MQTT est le protocole adéquat.
Pour la surveillance environnementale, les grandeurs essentiels sont la température,
l’humidité, le taux de dioxyde de carbone et le taux de méthane, pour un milieu industriel. La
surveillance se fait à l’aide de mesure par des capteurs. Les capteurs sont caractérisés par leur
sensibilité. La température présente un risque au-delà de 33°C, l’humidité au-delà 70 %, le
méthane au-delà de 50000 ppm et le CO2 au-delà de 6000 ppm.
Le système conçu permet d’alerter l’utilisateur en cas de dépassement de seuil défini
pour chaque paramètre environnemental. Pour cela, les mesures effectuées par les capteurs sont
traites au sein d’un microcontrôleur afin d’être envoyé vers un serveur via internet. Pour
pouvoir exploiter les données du serveur, une interface utilisateur a été créé permettant de
visualiser l’évolution des caractéristiques environnementaux. Il a aussi pour tâche d’alerter les
utilisateurs en envoyant un email à ce dernier.
Notre système a été créé afin d’interconnecter une application web avec un dispositif de
surveillance. Pour la surveillance d’un grand site industriel, il se peut que plusieurs dispositifs
doivent être utilisés. Pour cela, il faudra aussi implémenter un système de multi-utilisateurs et
multi-dispositifs avec l’application web.
46
ANNEXE
ANNEXE 1: Historique
De nombreux accidents industriels ont fait des milliers de victimes dans le monde. Les
plus marquants ont été :
- Feyzin, France, 4 janvier 1966 : industrie pétrolière
Un incendie, provoqué par un véhicule circulant près du site alors qu’une importante fuite de
gaz non contrôlée était en cours, a entraîné les explosions successives de deux sphères de
stockage de propane. L’accident a fait 18 morts et 84 blessés, dont 49 ont été hospitalisés.
- Flixborough, Grande-Bretagne, 1er juin 1974 : industrie chimique
Une explosion de cyclohexane (50 tonnes), un hydrocarbure facilement inflammable, a entraîné
la mort de 28 personnes à l’intérieur du site, et 36 autres sont blessées. A l’extérieur du site, les
dommages et le nombre de blessés sont considérables : 53 blessés graves et des centaines de
personnes légèrement atteintes, 1 821 habitations et 167 commerces ou usines plus ou moins
gravement endommagés, 3 000 riverains évacués. Les dommages seront évalués à 378 millions
de dollars
- Bhopal, Inde, 3 décembre 1984 : Union Carbide, usine de pesticides
Une explosion de l’usine a dégagé 40 tonnes de gaz toxiques (isocyanate de méthyle) dans
l’atmosphère de la ville, tuant 8 000 personnes durant la première nuit. Le nombre total de
victimes est estimé entre 16 000 et 30 000.
- 21 septembre 2001 Explosion de l’usine d’engrais Azote Fertilisants (AZF), Toulouse,
France
L’explosion de nitrate d’ammonium cause des dégâts considérables, aggravés par la proximité
de l’usine avec Toulouse : 30 morts, plus de 2000 blessés et de nombreux dégâts matériels. La
proximité des habitations et des usines dangereuses devient clairement inacceptable. La loi de
2003 en est une conséquence directe.
47
- Novembre. 2012 Incendie et explosion dans une usine de panneaux d’isolation à Saint-
Julien-du-Sault, France
Dégagement de gaz et de cyanure d’hydrogène dépassant le double de la valeur limite
d’exposition, entraînant l’évacuation de la zone et le confinement de 500 riverains.
- Août 2012 Explosion dans une raffinerie à Amuay, Venezuela
48 morts, 151 blessés et 520 maisons endommagées par l’onde de choc.
- 31 Août 2017 Explosion dans une centrale thermique à Ambohimanambola,
Madagascar
Détonation sur un site d’installation des infrastructures électrique de la Jirama, une cuve
contenant du fuel a explosé. Deux employés ont trouvé la mort et quatre autres ont été blessés.
- 13 Novembre 2018 Incendie à la zone industrielle Filatex Ankadimbahoaka,
Madagascar
1 mort et des dégâts estimés à des milliards d’ariary. L’employé a succombé à la suite de son
asphyxie au moment où la fumée à forte teneur en CO2 a envahi le local.[1][3][4]
48
ANNEXE 2 : Datasheet NodeMCU ESP32S
La Figure A.1 montre les pins du NodeMCU ESP32S et le tableau A.1 ses caractéristiques.
Figure A.1 : Pins du NodeMCU-32S [12]
Tableau A.1 : Caractéristiques NodeMCU-32S [12]
49
ANNEXE 3 : MQ135
Le tableau A.2 montre les caractéristiques du MQ-135.
Tableau A.2 : Caractéristiques MQ-135 [15]
50
ANNEXE 4 : MQ-4
Le tableau A.3 montre les caractéristiques du MQ-4.
Tableau A.3 : Caractéristiques MQ-4 [16]
51
ANNEXE 5 : DHT 22
Le tableau A.4 montre les caractéristiques du DHT22.
Tableau A.4 : Caractéristiques DHT22 [13]
52
REFERENCES
[1] : Ministère de l’écologie, du développement et de l’aménagement durable, La maitrise des
risques industriels en France, France Nature Environnement, juillet 2019
[2] : http://www.fne.asso.fr/documents/brochure-3.pdf, juillet 2019
[3] : http://www.midi-madagasikara.mg/a-la-une/2017/08/31/faits-divers/jirama-
ambohimanambola-lexplosion-dune-centrale-thermique-fait-deux-morts-et-quatre-blesses,
juin 2019
[4] : http://www.laverite.mg/societe/incendie-zone-filatex, juillet 2019
[5] : https://www.arubanetworks.com/assets/fr/ca/eo/HPE/_Aruba_IoT_Research_Report.pdf,
juillet 2019
[6] : David Hanes, IoT Fundamentals, Cisco Press, Juin 2017
[7] : https://www.itu.int/rec/T-REC-Y.2060-201206-I, juillet 2019
[8] : https://fr.wikipedia.org/wiki/Temperature, septembre 2019
[9] : https://fr.wikipedia.org/wiki/Humidite, septembre 2019
[10] : https://fr.wikipedia.org/wiki/Methane, septembre 2019
[11] : http://www.thindustrie.com/content/category/2applications, juillet 2019
[12] : https://einstronic.com/wp-content/uploads/2017/06/NodeMCU-32S-Catalogue.pdf, juin
2019
[13] : https://www.didel.com/DHT22.pdf, juillet 2019
[14] : https://learn.adafruit.com/adafruit-4-channel-adc-breakouts, septembre 2019
[15] : https://www.olimex.com/Products/Components/Sensors/Gas/SNS-
MQ135/resources/SNS-MQ135.pdf, juin 2019
[16] : https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-4Ver1.3Manual.pdf, juillet
2019
53
[17] : http://www.digitaldimension.solutions/blog/avis-d-experts/2015/02/mqtt-un-protocole-
dedie-pour-liot, juin 2019
i
Titre : Implémentation d’un système IoT pour la prévention de risques
industriels
Auteurs : RAVAONIRINA Ranjaniaina
Nombres de pages : 53
Nombres de figures : 28
Nombres de tableau : 5
RESUME
Ce travail de mémoire présente l’implémentation d’un système IoT pour la prévention
de risques industriels. Il est capable de collecter les valeurs de la température, de l’humidité, du
taux de méthane et du taux de dioxyde carbone. Il transmet ensuite les données vers un centre
de données local. Ensuite, les données sont affichées sur une application web. La réalisation
fait intervenir deux démarches en parallèle : un développement matériel et un développement
logiciel. Un appareil de détection permettant de mesurer les grandeurs à risques ainsi qu’une
application web permettant la visualisation de ces derniers.
Mots clés : IoT, température, méthane, humidité, dioxyde de carbone, application web, risque,
industrie, MQTT, prévention.
DIRECTEUR DE MEMOIRE : RANDRIAMAROSON Rivo Mahandrisoa
Contact :
- Email : [email protected]
- Téléphone : 034 20 423 71
