Informatique embarquée et objets connectés

Programme officiel (B.O.)

B.O. spécial n° 1 du 22 janvier 2019 - SNT Seconde

Contenus	Capacités attendues
Systèmes informatiques embarqués	Identifier des systèmes embarqués dans des objets du quotidien. Comprendre le principe de fonctionnement d'un système embarqué.
Interface homme-machine (IHM)	Décrire les interactions entre l'utilisateur et un objet connecté via une IHM. Réaliser une IHM simple d'un objet connecté.
Capteurs, actionneurs, microcontrôleurs	Identifier les composants d'un système embarqué (capteurs, actionneurs, microcontrôleur). Écrire des programmes simples d'acquisition de données ou de commande d'un actionneur.
Internet des objets (IoT)	Connaître les enjeux de l'IoT en termes de données personnelles et de sécurité.

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1. Les systèmes embarqués

1.1. Définition

Un système embarqué est un système électronique et informatique autonome, spécialisé dans une tâche bien précise. Contrairement à un ordinateur généraliste, il est conçu pour remplir une fonction spécifique, souvent en temps réel.

Un système embarqué comprend généralement :

• Un microcontrôleur (ou microprocesseur) qui exécute le programme.
• De la mémoire pour stocker le programme et les données.
• Des capteurs pour recueillir des informations de l'environnement.
• Des actionneurs pour agir sur l'environnement.
• Une interface de communication (Bluetooth, Wi-Fi, câble...).

1.2. Exemples dans le quotidien

Les systèmes embarqués sont partout autour de nous :

Domaine	Exemples
Transport	ABS et ESP dans les voitures, pilote automatique d'avion, métro sans conducteur
Maison	Machine à laver programmable, thermostat connecté, box Internet
Santé	Pacemaker, pompe à insuline, tensiomètre connecté
Communication	Smartphone, tablette, montre connectée
Loisirs	Console de jeux, drone, enceinte connectée
Industrie	Robots industriels, chaînes de montage automatisées

Saviez-vous ?

Une voiture moderne contient plusieurs dizaines de systèmes embarqués : gestion du moteur, freinage ABS, airbags, GPS, régulateur de vitesse, aide au stationnement, système multimédia...

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2. Les objets connectés et l'Internet des Objets (IoT)

2.1. Qu'est-ce qu'un objet connecté ?

Un objet connecté est un objet du quotidien (montre, bracelet, balance, lampe, thermostat...) équipé de capteurs et capable de communiquer de façon autonome avec d'autres objets ou avec Internet.

La différence avec un simple système embarqué est la connectivité : l'objet connecté peut envoyer et recevoir des données via un réseau.

2.2. L'Internet des Objets (IoT)

L'Internet des Objets (Internet of Things, IoT) désigne le concept d'étendre le réseau Internet au monde physique en y connectant des objets du quotidien. Ces objets collectent des informations sur leur environnement et les transmettent via les réseaux.

Le nombre d'objets connectés a explosé ces dernières années :

Année	Nombre estimé d'objets connectés
2010	4 milliards
2016	15 milliards
2020	50 milliards (estimation)

2.3. Classification des objets numériques

Tous les objets électroniques ne sont pas des objets connectés. On peut distinguer trois grandes catégories :

Périphériques d'ordinateur

Ce sont des appareils qui ne fonctionnent qu'en étant reliés à un ordinateur. Ils n'ont pas d'autonomie propre.

Exemples : clavier, souris, imprimante, scanner, webcam USB.

Interfaces connectées

Ce sont des appareils autonomes dotés d'un écran et d'une connexion réseau. L'utilisateur interagit directement avec eux.

Exemples : smartphone, tablette, montre connectée, console de jeux en ligne.

Objets IoT

Ce sont des objets qui fonctionnent de manière largement autonome, souvent sans intervention humaine directe. Ils se caractérisent par quatre éléments :

1. Un capteur qui mesure l'environnement
2. Un traitement local des données
3. Une communication réseau (Wi-Fi, Bluetooth, LoRa...)
4. Une action en réponse aux données collectées

Exemples : capteur de température connecté, ampoule connectée, thermostat intelligent, détecteur de fumée connecté.

Comment reconnaître un objet IoT ?

Un objet IoT se distingue par sa capacité à collecter, traiter et transmettre des données de manière autonome, souvent sans qu'un humain ait besoin d'intervenir. Une ampoule connectée qui s'allume automatiquement quand la luminosité baisse est un objet IoT. Un clavier USB, même très perfectionné, reste un simple périphérique.

2.4. Fonctionnement d'un objet connecté

Le fonctionnement d'un objet connecté suit un cycle en quatre étapes :

Capteur → Microcontrôleur → Cloud / Traitement → Interface (IHM)

1. Les capteurs mesurent des grandeurs physiques (température, luminosité, mouvement, humidité...).
2. Le microcontrôleur traite les données captées et peut déclencher des actions.
3. Les données sont transmises au Cloud via une connexion sans fil pour être stockées et analysées.
4. L'utilisateur consulte et contrôle l'objet via une interface homme-machine (application, écran...).

Le microcontrôleur peut aussi commander des actionneurs (LED, moteur, buzzer...) en fonction des données reçues.

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3. Capteurs et actionneurs

3.1. Les capteurs

Un capteur est un composant électronique qui mesure une grandeur physique de l'environnement et la convertit en signal électrique exploitable par le microcontrôleur.

Capteur	Grandeur mesurée	Exemple d'utilisation
Thermomètre	Température	Thermostat connecté
Photorésistance (LDR)	Luminosité	Éclairage automatique
Accéléromètre	Accélération, inclinaison	Compteur de pas, rotation de l'écran du smartphone
Gyroscope	Orientation	Stabilisation d'image, jeux
Capteur de proximité	Distance	Aide au stationnement
Microphone	Son	Commande vocale
GPS	Position géographique	Navigation
Capteur de pression	Pression atmosphérique	Station météo

3.2. Les actionneurs

Un actionneur est un composant qui transforme un signal électrique en action physique.

Actionneur	Action	Exemple
LED	Émission de lumière	Témoin lumineux, éclairage
Moteur	Mouvement rotatif	Roue de robot, volet roulant
Buzzer	Émission de son	Alarme, signal sonore
Servomoteur	Mouvement angulaire précis	Bras robotique
Écran	Affichage	Montre connectée
Relais	Commutation électrique	Allumer/éteindre un appareil

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4. Le microcontroleur

Le microcontrôleur est le « cerveau » du système embarqué. C'est un petit circuit intégré qui contient un processeur, de la mémoire et des ports d'entrée/sortie, le tout sur une seule puce.

La carte Arduino

La carte Arduino est une plateforme de prototypage électronique très répandue en éducation. Elle permet de connecter facilement des capteurs et des actionneurs et de les programmer.

Composants principaux d'une carte Arduino Uno :

Composant	Rôle
Microcontrôleur	Exécute le programme
Port USB	Transférer le programme depuis l'ordinateur et alimenter la carte
Entrées/sorties numériques	Brancher des actionneurs et capteurs numériques (0 ou 1)
Entrées analogiques	Brancher des capteurs analogiques (valeurs continues)
Alimentation (5V, GND)	Fournir l'électricité aux composants

Exemple de programme Arduino

Programme pour faire clignoter une LED :

void setup() {
    pinMode(13, OUTPUT);  // La broche 13 est une sortie
}

void loop() {
    digitalWrite(13, HIGH);  // Allumer la LED
    delay(1000);             // Attendre 1 seconde
    digitalWrite(13, LOW);   // Éteindre la LED
    delay(1000);             // Attendre 1 seconde
}

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5. L'interface homme-machine (IHM)

5.1. Définition

Une interface homme-machine (IHM) est le moyen par lequel un utilisateur peut interagir avec une machine : la contrôler, lui envoyer des commandes et consulter les informations qu'elle fournit.

5.2. IHM physique et IHM logicielle

On distingue deux types d'IHM :

IHM physique (matérielle)

Ce sont les éléments tangibles que l'on peut toucher ou manipuler pour interagir avec la machine.

Élément	Fonction	Exemple
Boutons poussoirs	Envoyer une commande	Bouton d'allumage, interrupteur
Voyants LED	Indiquer un état	Témoin de charge, LED de veille
Potentiomètres / curseurs	Régler une valeur	Volume d'une enceinte, luminosité
Écran à segments	Afficher des chiffres	Afficheur de micro-ondes, réveil
Clavier physique	Saisir des données	Digicode, clavier d'ordinateur

IHM logicielle (virtuelle)

Ce sont les éléments affichés sur un écran, avec lesquels on interagit via un écran tactile, une souris ou un clavier.

Élément	Fonction	Exemple
Boutons virtuels	Déclencher une action	Bouton « Valider » dans une application
Menus déroulants	Choisir une option	Menu de réglages d'un smartphone
Jauges / graphiques	Visualiser des données	Courbe de température dans une appli domotique
Curseurs virtuels	Ajuster une valeur	Réglage du thermostat sur une application
Notifications	Alerter l'utilisateur	Alerte de détection de mouvement

Le saviez-vous ?

Un même objet connecté peut combiner les deux types d'IHM. Par exemple, un thermostat intelligent possède à la fois un écran tactile et des boutons sur l'appareil (IHM physique) et une application mobile pour le piloter à distance (IHM logicielle).

5.3. Concevoir une IHM

La conception d'une IHM pour un objet connecté suit trois étapes :

1. Design : concevoir l'apparence de l'interface (boutons, affichages, dispositions).
2. Programmation : coder le comportement de l'interface (que se passe-t-il quand on appuie sur un bouton ?).
3. Test : vérifier le fonctionnement sur un émulateur puis sur l'appareil réel.

App Inventor

MIT App Inventor est un environnement de création d'applications Android par programmation visuelle (blocs). Il permet de créer des IHM pour objets connectés en communiquant via Bluetooth avec un microcontrôleur Arduino.

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6. Enjeux et risques de l'IoT

6.1. Avantages

• Confort : domotique, maison intelligente, commande à distance.
• Santé : suivi médical en continu, alertes automatiques.
• Sécurité : caméras connectées, détecteurs de fumée intelligents.
• Économie d'énergie : thermostats adaptatifs, éclairage automatique.

6.2. Risques

Risque	Description
Données personnelles	Les objets connectés collectent en permanence des données sur nos habitudes, notre santé, nos déplacements.
Piratage	Un objet connecté mal sécurisé peut être piraté : caméra espionnée, serrure connectée ouverte à distance...
Dépendance	Panne d'Internet ou du Cloud = objets inutilisables.
Obsolescence	Le fabricant peut cesser de mettre à jour le logiciel, rendant l'objet vulnérable ou inutilisable.
Impact environnemental	Fabrication (métaux rares), consommation électrique, déchets électroniques.

Sécuriser ses objets connectés

• Changer les mots de passe par défaut.
• Mettre à jour régulièrement le logiciel (firmware).
• Désactiver les fonctionnalités inutiles (caméra, micro, géolocalisation).
• Vérifier les données collectées et les autorisations accordées.

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7. La voiture autonome : un objet connecté complexe

La voiture autonome est l'un des exemples les plus impressionnants d'objet connecté. Elle illustre parfaitement la convergence entre systèmes embarqués, capteurs multiples, intelligence artificielle et connectivité.

7.1. Les capteurs d'une voiture autonome

Une voiture autonome utilise de nombreux capteurs pour « percevoir » son environnement :

Capteur	Principe de fonctionnement	Rôle
Caméras	Captent des images de l'environnement	Détection des panneaux, feux, piétons, lignes de marquage au sol
Radars	Émettent des ondes radio et analysent leur réflexion	Mesure de la distance et de la vitesse des véhicules environnants
Lidars	Émettent des faisceaux laser et mesurent leur temps de retour	Création d'une carte 3D précise de l'environnement (portée : jusqu'à 200 m)
Ultrasons	Émettent des ondes sonores à haute fréquence	Détection d'obstacles proches (stationnement, manoeuvres à basse vitesse)
GPS	Reçoit des signaux de satellites	Localisation géographique du véhicule

7.2. Le système de décision

Le « cerveau » de la voiture autonome repose sur l'intelligence artificielle, et plus précisément sur des réseaux de neurones artificiels. Ces programmes sont entraînés sur des millions d'images et de situations de conduite pour apprendre à :

• Reconnaître un piéton, un cycliste, un autre véhicule
• Interpréter les panneaux de signalisation et les feux tricolores
• Anticiper le comportement des autres usagers de la route
• Prendre des décisions de conduite (freiner, accélérer, tourner)

7.3. Les niveaux d'autonomie

L'industrie automobile classe l'autonomie des véhicules en 6 niveaux :

Niveau	Description	Exemple
0	Aucune automatisation : le conducteur contrôle tout	Voiture classique sans aide à la conduite
1	Assistance à la conduite : aide sur la direction OU la vitesse	Régulateur de vitesse adaptatif
2	Automatisation partielle : aide sur la direction ET la vitesse	Pilote automatique sur autoroute (le conducteur doit rester attentif)
3	Automatisation conditionnelle : le véhicule gère tout dans certaines conditions	Conduite autonome en embouteillage (le conducteur peut se désengager temporairement)
4	Haute automatisation : conduite autonome dans un périmètre défini	Navettes autonomes dans une zone urbaine limitée
5	Automatisation complète : aucune intervention humaine nécessaire	Véhicule entièrement autonome en toutes circonstances (pas encore atteint)

7.4. Enjeux et questions éthiques

Sécurité informatique

Que se passe-t-il si le système informatique d'une voiture autonome est piraté ? Un attaquant pourrait théoriquement prendre le contrôle de la direction, des freins ou de l'accélérateur. La cybersécurité automobile est donc un enjeu majeur.

Responsabilité en cas d'accident

Si une voiture autonome provoque un accident, qui est responsable ? Le constructeur automobile ? L'éditeur du logiciel ? Le propriétaire du véhicule ? Ces questions juridiques sont encore en cours de débat dans de nombreux pays.

Validation des algorithmes

Comment s'assurer qu'un algorithme de conduite est suffisamment fiable pour être déployé sur les routes ? Faut-il qu'il soit plus performant qu'un conducteur humain moyen ? Comment tester tous les cas de figure possibles ?

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8. La domotique

La domotique désigne l'ensemble des techniques permettant d'automatiser et de piloter les équipements d'un bâtiment : chauffage, éclairage, volets, alarme, électroménager...

Un système domotique se compose de :

• Capteurs : détecteurs de mouvement, de température, de luminosité...
• Actionneurs : volets motorisés, ampoules connectées, vannes de chauffage...
• Centrale : contrôleur qui reçoit les informations des capteurs et commande les actionneurs selon des règles programmées.
• IHM : application smartphone ou tablette pour contrôler le système à distance.

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9. Le protocole MQTT : la communication des objets IoT

9.1. Pourquoi un protocole spécifique ?

Les objets IoT sont souvent de petits appareils avec peu de mémoire et une connexion réseau limitée. Ils ont besoin d'un protocole de communication léger et efficace. Le protocole MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) a été conçu spécialement pour cela.

9.2. Le modèle Publisher / Subscriber

MQTT fonctionne selon un modèle publication / abonnement (publish / subscribe), très différent du modèle client-serveur classique du Web.

Trois rôles interviennent :

• Le publisher (éditeur) : un appareil qui publie (envoie) des données.
• Le subscriber (abonné) : un appareil qui s'abonne pour recevoir certaines données.
• Le broker (courtier) : un serveur intermédiaire qui reçoit les messages des publishers et les redistribue aux subscribers concernés.

  Capteur température ──publish──→ ┌──────────┐ ──notify──→ Application mobile
         (publisher)               │  BROKER  │        (subscriber)
  Capteur humidité   ──publish──→ └──────────┘ ──notify──→ Écran tableau de bord
         (publisher)                                   (subscriber)

9.3. Les topics (sujets)

Les messages MQTT sont organisés par topics (sujets), structurés de manière hiérarchique avec des barres obliques / :

Topic	Signification
maison/salon/temperature	Température du salon
maison/salon/luminosite	Luminosité du salon
maison/cuisine/temperature	Température de la cuisine
maison/jardin/humidite	Humidité du jardin
ecole/salle101/co2	Taux de CO2 de la salle 101

Un subscriber peut s'abonner à un topic précis (maison/salon/temperature) ou utiliser un joker (maison/salon/#) pour recevoir tous les messages concernant le salon.

Exemple concret

Un capteur de température dans le salon publie 22.5 sur le topic maison/salon/temperature. Le thermostat connecté, abonné à ce topic, reçoit la valeur via le broker et décide d'éteindre le chauffage car la consigne de 22 °C est dépassée. L'application mobile, également abonnée, affiche la température actualisée sur l'écran du propriétaire.

Où utilise-t-on MQTT ?

Le protocole MQTT est utilisé dans de nombreux domaines : domotique (maison connectée), agriculture connectée (surveillance de l'humidité du sol, des conditions météo), industrie (suivi des machines, maintenance prédictive), villes intelligentes (gestion du trafic, qualité de l'air).

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10. Repères historiques

L'informatique embarquée a connu une évolution spectaculaire : partie de systèmes volumineux et coûteux réservés aux domaines militaire et spatial, elle s'est progressivement miniaturisée et démocratisée jusqu'à se glisser dans les objets les plus courants de notre quotidien.

Date	Événement	Signification
1967	Mission Apollo : premier ordinateur embarqué spatial	L'ordinateur de guidage Apollo (AGC) pesait 32 kg et disposait de seulement 74 Ko de mémoire. Il a permis de guider les astronautes jusqu'à la Lune. C'est le premier véritable ordinateur embarqué de l'histoire.
1971	Premier microprocesseur Intel 4004	Cette puce révolutionnaire intègre pour la première fois un processeur complet sur un seul circuit intégré. Elle ouvre la voie à la miniaturisation des systèmes embarqués.
1984	Airbus A320 : commandes de vol électriques (fly-by-wire)	Premier avion civil dont les commandes de vol sont entièrement gérées par des systèmes informatiques embarqués, remplaçant les câbles mécaniques par des signaux électroniques.
1998	Ligne 14 du métro parisien (Meteor) : métro automatique	Premier métro entièrement automatisé à Paris, sans conducteur. Des capteurs et des systèmes embarqués gèrent la conduite, les arrêts et la sécurité des passagers.
1999	Kevin Ashton invente le terme « Internet des Objets »	Ce chercheur britannique propose l'expression Internet of Things lors d'une présentation chez Procter & Gamble, imaginant un monde où les objets physiques communiquent entre eux via Internet.
2005	Nabaztag : lapin connecté en Wi-Fi	Précurseur des objets connectés grand public, ce petit lapin pouvait lire des messages, annoncer la météo et réagir à des informations reçues par Internet.
2007	Premier iPhone (Apple) : le smartphone moderne	En réunissant téléphone, appareil photo, GPS, accéléromètre et connexion Internet dans un seul objet à écran tactile, l'iPhone a popularisé le concept d'objet connecté universel.

De l'espace au salon

En 60 ans, on est passé d'un ordinateur de 32 kg envoyé sur la Lune à des puces minuscules intégrées dans nos montres, nos ampoules et nos réfrigérateurs. Cette évolution a été rendue possible par la miniaturisation des composants électroniques et la baisse des coûts de production.

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11. Tableau récapitulatif

Notion	Définition
Système embarqué	Système électronique autonome spécialisé dans une tâche précise
Objet connecté	Objet équipé de capteurs et capable de communiquer via Internet
IoT	Internet des Objets : extension d'Internet au monde physique
Capteur	Composant qui mesure une grandeur physique (température, lumière...)
Actionneur	Composant qui transforme un signal électrique en action physique (LED, moteur...)
Microcontrôleur	Circuit intégré programmable qui pilote capteurs et actionneurs
Arduino	Plateforme de prototypage électronique pour l'apprentissage
IHM	Interface homme-machine : moyen d'interaction entre utilisateur et machine
IHM physique	Éléments matériels d'interaction (boutons, voyants, curseurs)
IHM logicielle	Éléments virtuels d'interaction affichés sur écran (application, menus)
Domotique	Automatisation et pilotage des équipements d'un bâtiment
Voiture autonome	Véhicule équipé de capteurs et d'IA pour se déplacer sans conducteur
Lidar	Capteur laser mesurant les distances pour créer une carte 3D de l'environnement
MQTT	Protocole de communication léger pour les objets IoT (publication / abonnement)
Broker	Serveur intermédiaire qui redistribue les messages MQTT aux abonnés
Topic	Sujet hiérarchique utilisé pour organiser les messages MQTT
Périphérique	Appareil fonctionnant uniquement relié à un ordinateur (clavier, souris...)
Objet IoT	Objet autonome qui capte, traite et transmet des données sans intervention humaine