Informatique embarquée et objets connectés
Montres connectées, thermostats intelligents, voitures autonomes, drones... Les objets du quotidien deviennent de plus en plus "intelligents".
Mais comment fonctionnent ces objets connectés ? Qu'est-ce qui les rend capables de percevoir leur environnement et d'agir dessus ?
Le Programme
| Contenus | Capacités attendues |
|---|---|
| Systèmes informatiques embarqués | Identifier les composants d'un système embarqué |
| Interface homme-machine (IHM) | Décrire les interactions entre l'homme et la machine |
| Capteurs, actionneurs | Identifier les capteurs et actionneurs d'un objet connecté |
| Algorithmes et programmes | Écrire un programme simple de commande d'un système |
Qu'est-ce qu'un système embarqué ?
Définition
Un système embarqué est un système informatique intégré dans un appareil pour réaliser une tâche spécifique. Contrairement à un ordinateur généraliste, il est conçu pour une fonction précise.
Caractéristiques : - Intégré dans un objet (pas visible) - Conçu pour une tâche spécifique - Fonctionne souvent en temps réel - Généralement peu gourmand en énergie
Exemples de systèmes embarqués
| Domaine | Exemples |
|---|---|
| Transport | ABS, GPS, pilote automatique, régulateur de vitesse |
| Maison | Thermostat, alarme, robot aspirateur, box internet |
| Santé | Pacemaker, pompe à insuline, tensiomètre |
| Loisirs | Console de jeux, drone, montre connectée |
| Électroménager | Lave-linge, micro-ondes, réfrigérateur |
Question : Combien de systèmes embarqués possédez-vous chez vous ?
Historique
| Année | Événement |
|---|---|
| 1961 | Premier système embarqué : ordinateur de guidage Apollo |
| 1971 | Premier microprocesseur (Intel 4004) |
| 1980s | Systèmes embarqués dans l'automobile (ABS) |
| 1990s | Téléphones portables |
| 2000s | Smartphones, objets connectés |
| 2010s | Explosion de l'IoT (Internet des Objets) |
L'Internet des Objets (IoT)
Définition
L'IoT (Internet of Things ou Internet des Objets) désigne l'ensemble des objets physiques connectés à Internet, capables de collecter et d'échanger des données.
┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Capteur │────▶│ Internet │────▶│ Application │
│ (mesure) │ │ (cloud) │ │ (smartphone)│
└─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘
Quelques chiffres
- 2024 : Plus de 15 milliards d'objets connectés dans le monde
- 2030 : Estimation de 30 milliards d'objets connectés
- Une maison connectée peut contenir plus de 50 objets IoT
Exemples d'objets connectés
| Objet | Fonctionnalités |
|---|---|
| Montre connectée | Podomètre, fréquence cardiaque, notifications |
| Thermostat intelligent | Régulation automatique, contrôle à distance |
| Enceinte connectée | Assistant vocal, musique, domotique |
| Caméra de surveillance | Détection de mouvement, alerte smartphone |
| Bracelet fitness | Suivi d'activité, sommeil, GPS |
| Ampoule connectée | Contrôle couleur/intensité, programmation |
Architecture d'un système embarqué
Les composants principaux
Un système embarqué est composé de trois éléments essentiels :
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│ SYSTÈME EMBARQUÉ │
│ │
│ ┌──────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ CAPTEURS │───▶│ MICROCONTRÔ- │───▶│ACTIONNEURS│ │
│ │ (entrées)│ │ LEUR │ │ (sorties) │ │
│ └──────────┘ │ (traitement) │ └──────────┘ │
│ └──────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────┘
| Composant | Rôle | Exemples |
|---|---|---|
| Capteurs | Mesurer l'environnement | Température, lumière, mouvement |
| Microcontrôleur | Traiter les informations | Arduino, Raspberry Pi, micro:bit |
| Actionneurs | Agir sur l'environnement | Moteur, LED, buzzer, écran |
Le cycle de fonctionnement
1. PERCEVOIR 2. DÉCIDER 3. AGIR
(capteurs) (programme) (actionneurs)
│ │ │
▼ ▼ ▼
Température Si T > 25°C Allumer
= 28°C alors... ventilateur
Les capteurs
Définition
Un capteur est un dispositif qui mesure une grandeur physique (température, lumière, pression...) et la convertit en signal électrique exploitable par le microcontrôleur.
Types de capteurs
| Capteur | Mesure | Applications |
|---|---|---|
| Température | Chaleur (°C) | Thermostat, météo |
| Luminosité | Intensité lumineuse (lux) | Éclairage automatique |
| Mouvement (PIR) | Présence/déplacement | Alarme, éclairage |
| Distance (ultrason) | Distance (cm) | Radar de recul, robot |
| Humidité | Taux d'humidité (%) | Arrosage automatique |
| Accéléromètre | Accélération, inclinaison | Smartphone, manette |
| GPS | Position géographique | Navigation, tracking |
| Microphone | Son | Assistant vocal |
| Caméra | Image | Reconnaissance faciale |
Capteurs analogiques vs numériques
| Type | Signal | Exemple |
|---|---|---|
| Analogique | Valeur continue (0 à 1023) | Potentiomètre, capteur de lumière |
| Numérique | 0 ou 1 (ON/OFF) | Bouton, détecteur de mouvement |
Les actionneurs
Définition
Un actionneur est un dispositif qui convertit un signal électrique en action physique (mouvement, lumière, son...).
Types d'actionneurs
| Actionneur | Action | Applications |
|---|---|---|
| LED | Émet de la lumière | Indicateurs, éclairage |
| Moteur | Crée un mouvement | Robot, volet roulant |
| Servomoteur | Mouvement précis (angle) | Bras robotique, direction |
| Buzzer | Émet un son | Alarme, notifications |
| Écran LCD | Affiche du texte/images | Interface utilisateur |
| Relais | Commute un circuit | Domotique (lampes, prises) |
| Électrovanne | Contrôle un flux (eau, gaz) | Arrosage, chauffage |
Interface Homme-Machine (IHM)
Définition
L'IHM (Interface Homme-Machine) désigne l'ensemble des moyens permettant à un humain d'interagir avec une machine.
Types d'interfaces
| Interface | Entrée (humain → machine) | Sortie (machine → humain) |
|---|---|---|
| Visuelle | Caméra, écran tactile | Écran, LED |
| Sonore | Microphone | Haut-parleur, buzzer |
| Tactile | Boutons, clavier, tactile | Vibrations |
| Gestuelle | Capteurs de mouvement | - |
| Vocale | Reconnaissance vocale | Synthèse vocale |
Exemples d'IHM au quotidien
| Objet | Entrées | Sorties |
|---|---|---|
| Smartphone | Écran tactile, micro, caméra | Écran, haut-parleur, vibreur |
| Distributeur bancaire | Clavier, carte, écran tactile | Écran, billets, ticket |
| Borne de commande (fast-food) | Écran tactile | Écran, ticket |
| Console de jeux | Manette, micro, caméra | TV, son, vibrations |
Critères d'une bonne IHM
- Intuitive : facile à comprendre sans manuel
- Ergonomique : confortable à utiliser
- Accessible : utilisable par tous (handicap, âge...)
- Réactive : temps de réponse rapide
- Cohérente : comportement prévisible
Le microcontrôleur
Définition
Un microcontrôleur est un petit ordinateur sur une seule puce, contenant : - Un processeur (CPU) - De la mémoire (RAM et ROM) - Des entrées/sorties (GPIO)
Exemples de cartes de développement
| Carte | Caractéristiques | Usage |
|---|---|---|
| Arduino Uno | Simple, robuste, grande communauté | Débutants, prototypage |
| micro:bit | Capteurs intégrés, Bluetooth, simple | Éducation (collège/lycée) |
| Raspberry Pi | Mini-ordinateur complet, Linux | Projets avancés |
| ESP32 | WiFi/Bluetooth intégré, puissant | IoT, projets connectés |
La carte micro:bit
La micro:bit est une carte éducative très utilisée en SNT :
┌─────────────────────────┐
│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │ ← Matrice LED 5x5
│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │
│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │
│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │
│ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ │
│ │
│ [A] [B] │ ← Boutons A et B
│ (USB) │
│ ┌───────────┐ │
└────┴───────────┴────────┘
Capteurs intégrés : - Accéléromètre (détecte les mouvements) - Boussole (orientation) - Thermomètre - Capteur de lumière (via les LED) - Microphone (v2)
Programmer un système embarqué
Langages de programmation
| Langage | Niveau | Utilisé pour |
|---|---|---|
| Scratch/Blockly | Débutant (blocs) | micro:bit, Arduino |
| Python | Intermédiaire | micro:bit, Raspberry Pi |
| C/C++ | Avancé | Arduino, systèmes embarqués |
Structure d'un programme embarqué
Un programme embarqué suit généralement cette structure :
1. INITIALISATION
- Configurer les capteurs
- Configurer les actionneurs
2. BOUCLE PRINCIPALE (répétée indéfiniment)
- Lire les capteurs
- Traiter les données
- Commander les actionneurs
Exemple en Python (micro:bit)
from microbit import *
# Boucle principale
while True:
# Lire le capteur de température
temperature = temperature()
# Afficher la température
display.scroll(str(temperature))
# Décision
if temperature > 25:
display.show(Image.SAD) # Trop chaud
else:
display.show(Image.HAPPY) # Température OK
sleep(1000) # Attendre 1 seconde
Exemple avec les boutons
from microbit import *
compteur = 0
while True:
# Si le bouton A est pressé
if button_a.was_pressed():
compteur = compteur + 1
display.show(compteur)
# Si le bouton B est pressé
if button_b.was_pressed():
compteur = 0
display.clear()
Activité : Programmer la micro:bit
✏️ À faire sur makecode.microbit.org :
- Créez un programme qui affiche votre prénom au démarrage
- Ajoutez une fonctionnalité : quand on appuie sur A, afficher un smiley content
- Quand on appuie sur B, afficher un smiley triste
- Bonus : utiliser l'accéléromètre pour détecter quand on secoue la carte
Enjeux et risques de l'IoT
Sécurité
| Risque | Description | Exemple |
|---|---|---|
| Piratage | Prise de contrôle à distance | Caméra espionnée, serrure déverrouillée |
| Botnet | Objets utilisés pour des attaques | Attaque DDoS via des caméras |
| Données personnelles | Vol d'informations | Habitudes, localisation |
Bonnes pratiques : - Changer les mots de passe par défaut - Mettre à jour les firmwares - Sécuriser son réseau WiFi
Vie privée
Les objets connectés collectent énormément de données :
| Objet | Données collectées |
|---|---|
| Montre connectée | Rythme cardiaque, sommeil, position |
| Enceinte connectée | Conversations, requêtes vocales |
| Aspirateur robot | Plan de votre maison |
| Thermostat | Présence/absence, habitudes |
Question : Seriez-vous prêt à partager ces données avec des entreprises ?
Impact environnemental
- Consommation électrique permanente
- Durée de vie limitée (obsolescence)
- Difficulté de recyclage (composants électroniques)
- Extraction de ressources (métaux rares)
Activités pratiques
Activité 1 : Identifier les composants
✏️ Choisissez un objet connecté de votre quotidien et identifiez : 1. Les capteurs qu'il utilise 2. Les actionneurs qu'il possède 3. L'interface homme-machine 4. Les données qu'il collecte
Activité 2 : Simulateur micro:bit
✏️ Sur makecode.microbit.org : 1. Créez un "dé électronique" qui affiche un nombre aléatoire de 1 à 6 quand on secoue la carte 2. Créez un "thermomètre" qui affiche la température et un symbole selon qu'il fait chaud ou froid
Activité 3 : Domotique
✏️ Imaginez une maison connectée : 1. Listez 5 objets connectés utiles 2. Pour chacun, décrivez les capteurs et actionneurs 3. Réfléchissez aux avantages et inconvénients
Pour aller plus loin
- 🎓 micro:bit - Site officiel
- 💻 MakeCode - Éditeur en ligne
- 📖 Arduino - Tutoriels
- 🎥 C'est pas sorcier - Robots
- 📖 CNIL - Objets connectés
Synthèse
Complétez le texte suivant :
Un système _______ est un système informatique intégré dans un objet pour réaliser une tâche spécifique.
Il est composé de trois éléments : les ___ qui mesurent l'environnement, le __ qui traite les informations, et les ____ qui agissent sur l'environnement.
L'_______ (Interface Homme-Machine) permet à l'utilisateur d'interagir avec le système.
L'_______ des Objets (IoT) désigne l'ensemble des objets physiques connectés à Internet.
Les objets connectés posent des questions de ___ (piratage) et de vie _____ (collecte de données).
Auteur : Florian Mathieu
Licence CC BY NC
Ce cours est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International.