À propos de cette page
Ce cours de sciences numériques et technologie (snt) en seconde sur « Objets connectés » suit le programme officiel de sciences numériques et technologie (snt) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Qu'est-ce qu'un objet connecté ?, Architecture d'un objet connecté, Capteurs et actionneurs, Microcontrôleurs et informatique embarquée. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en sciences numériques et technologie (snt).
Au programme
1 · Qu'est-ce qu'un objet connecté ?
2 · Architecture d'un objet connecté
3 · Capteurs et actionneurs
4 · Microcontrôleurs et informatique embarquée
5 · Protocoles de communication sans fil
6 · L'Internet des objets (IoT) : architecture et données
7 · Sécurité, vie privée et enjeux sociétaux
1Qu'est-ce qu'un objet connecté ?
Un objet connecté est un objet physique (montre, ampoule, thermomètre, voiture…) auquel on a ajouté des composants électroniques pour lui permettre de collecter des données, de les traiter et de les transmettre via un réseau.
Définition. Un objet connecté est un dispositif physique intégrant au moins un capteur, un microcontrôleur (ou microprocesseur) et un module de communication, lui permettant d'interagir avec son environnement et de s'intégrer à un réseau numérique.
On regroupe tous ces objets sous le terme IoT (Internet of Things, Internet des objets). En 2024, on recense plus de 15 milliards d'objets connectés dans le monde, un chiffre qui devrait dépasser 30 milliards d'ici 2030.
Quelques exemples d'objets connectés
| Domaine | Objet connecté | Fonction principale |
|---|
| Santé | Montre connectée (smartwatch) | Mesure la fréquence cardiaque, les pas, le sommeil |
| Maison | Thermostat intelligent | Régule la température, réduit la consommation d'énergie |
| Agriculture | Capteur d'humidité du sol | Déclenche automatiquement l'irrigation |
| Industrie | Capteur de vibration sur machine | Détecte les pannes avant qu'elles surviennent |
| Ville | Poubelle connectée | Signale quand elle est pleine pour optimiser la collecte |
Astuce. Pour qu'un objet soit « connecté », il doit posséder trois fonctions : percevoir (capteurs), traiter (microcontrôleur) et communiquer (réseau). Un simple réveil à quartz ne coche aucune de ces cases !
2Architecture d'un objet connecté
Tout objet connecté s'organise autour de blocs fonctionnels qui interagissent entre eux.
Architecture générale. Un objet connecté comprend :
- Capteurs : mesurent des grandeurs physiques (température, lumière, mouvement…).
- Microcontrôleur : traite les données et pilote l'objet.
- Actionneurs : agissent sur le monde physique (moteur, LED, haut-parleur…).
- Module de communication : transmet les données (Wi-Fi, Bluetooth, LoRa…).
- Source d'énergie : batterie, panneau solaire, récupération d'énergie ou branchement secteur.
Modèle de traitement en couches
Les données suivent un chemin logique depuis le terrain jusqu'au stockage :
- Collecte : le capteur mesure une grandeur physique et la convertit en signal électrique numérique.
- Traitement local : le microcontrôleur lit ce signal, l'analyse et décide une action (allumer une LED, envoyer une alerte…).
- Transmission : les données sont envoyées vers un serveur ou une application mobile via un réseau sans fil.
- Stockage et analyse : les données sont stockées dans le cloud et analysées (statistiques, intelligence artificielle…).
Exemple. Une montre connectée mesure la fréquence cardiaque (capteur optique), le microcontrôleur compare la valeur à un seuil, si la valeur est anormale il envoie une notification via Bluetooth vers le smartphone, qui transmet l'alerte au médecin via Internet.
3Capteurs et actionneurs
Les capteurs et les actionneurs sont les interfaces entre le monde physique et le monde numérique.
Les capteurs
Capteur. Un capteur est un transducteur qui convertit une grandeur physique (température, pression, lumière, son, position…) en un signal électrique utilisable par le microcontrôleur.
| Type de capteur | Grandeur mesurée | Applications |
|---|
| Thermomètre numérique | Température (°C) | Thermostat, météo, médical |
| Capteur de lumière (LDR) | Éclairement (lux) | Éclairage automatique, appareil photo |
| Accéléromètre | Accélération ($m/s^2$) | Smartphone, airbag, podomètre |
| GPS | Position géographique | Navigation, suivi de colis |
| Capteur CO₂ | Concentration en $CO_2$ (ppm) | Qualité de l'air, ventilation |
| Gyroscope | Vitesse angulaire (°/s) | Drone, stabilisation de caméra |
Les actionneurs
Actionneur. Un actionneur convertit un signal électrique en une action physique : il agit sur l'environnement en réponse aux ordres du microcontrôleur.
Exemples d'actionneurs :
- Moteur électrique : fait tourner une roue, ouvre une porte.
- LED / écran : affiche une information lumineuse.
- Haut-parleur / buzzer : émet un son ou une alerte.
- Pompe : déclenche l'arrosage automatique.
- Résistance chauffante : maintient une température.
Attention ! Un capteur convertit le monde physique → numérique (entrée). Un actionneur fait l'inverse : numérique → monde physique (sortie). Ne pas les confondre !
4Microcontrôleurs et informatique embarquée
Le microcontrôleur est le « cerveau » de l'objet connecté. Il exécute un programme qui lit les capteurs, prend des décisions et pilote les actionneurs.
Microcontrôleur. Un microcontrôleur est un circuit intégré unique qui regroupe :
- Un processeur (CPU) : exécute les instructions du programme.
- De la mémoire flash : stocke le programme (non volatile).
- De la mémoire RAM : espace de travail temporaire.
- Des ports d'entrée/sortie (E/S) : interfaces avec les capteurs et actionneurs.
- Des interfaces de communication : UART, SPI, I2C, USB…
Informatique embarquée
On parle d'informatique embarquée (ou embedded systems) quand un système informatique est intégré dans un objet dédié à une tâche spécifique. Contrairement à un ordinateur généraliste, un système embarqué :
- a des ressources limitées (peu de RAM, faible puissance de calcul) ;
- doit souvent fonctionner en temps réel (réagir rapidement aux événements) ;
- doit consommer très peu d'énergie (pour fonctionner sur batterie).
Exemples de microcontrôleurs populaires
| Carte / Puce | Usage courant | Points forts |
|---|
| Arduino Uno | Prototypage, éducation | Simple, grande communauté |
| Raspberry Pi Pico | IoT léger, programmable en Python | Bon rapport prix/puissance |
| ESP32 | IoT avec Wi-Fi et Bluetooth intégrés | Polyvalent, très répandu |
| STM32 | Industrie, automobile | Haute performance, certifié |
Exemple. Un Arduino Uno contrôlant une serre automatique exécute en boucle le programme suivant :
Lire température → Si température > 30 °C → Activer ventilateur → Sinon → Ventilateur éteint
Ce cycle se répète plusieurs fois par seconde, sans intervention humaine.
Astuce. La consommation énergétique est cruciale pour les objets connectés alimentés par batterie. Les microcontrôleurs modernes possèdent des modes « veille » (sleep) qui réduisent la consommation à quelques microampères quand l'objet n'est pas actif.
5Protocoles de communication sans fil
Les objets connectés communiquent sans fil selon des protocoles adaptés à leurs besoins en portée, débit et consommation d'énergie.
Protocole de communication. Un protocole est un ensemble de règles définissant comment deux dispositifs échangent des données : format des messages, fréquences utilisées, mécanismes d'erreur, etc.
Comparatif des principaux protocoles IoT
| Protocole | Portée | Débit | Consommation | Usage typique |
|---|
| Wi-Fi | ~100 m | Très élevé (>100 Mbit/s) | Élevée | Caméra IP, assistant vocal |
| Bluetooth LE | ~50 m | Moyen (1–3 Mbit/s) | Très faible | Montre, capteur médical |
| Zigbee | ~100 m (maillage) | Faible (250 kbit/s) | Très faible | Domotique, ampoule connectée |
| LoRa / LoRaWAN | Jusqu'à 15 km | Très faible (<50 kbit/s) | Extrêmement faible | Agriculture, compteur d'eau |
| 4G / 5G | Illimitée (réseau cellulaire) | Très élevé | Élevée | Voiture connectée, caméra mobile |
| NFC | ~10 cm | Faible (424 kbit/s max) | Quasi nulle | Paiement sans contact, badge |
Astuce. Le choix du protocole dépend du compromis entre trois facteurs souvent antagonistes : portée, débit et consommation d'énergie. On ne peut pas tout avoir en même temps : un protocole longue portée sera généralement lent et consommera peu.
Exemple. Une station météo dans un champ à 5 km du bâtiment principal utilise LoRa : elle n'envoie que quelques octets de données par heure, la batterie dure ainsi plusieurs années. Une caméra de surveillance dans le même bâtiment utilise le Wi-Fi car elle envoie des flux vidéo continus à haut débit.
6L'Internet des objets (IoT) : architecture et données
L'Internet des objets (IoT) est l'interconnexion de tous ces objets connectés au sein d'une infrastructure commune utilisant Internet.
Architecture en trois couches
Architecture IoT. L'IoT s'organise en trois couches :
- Couche perception : les objets (capteurs, actionneurs) qui interagissent avec le monde physique.
- Couche réseau : l'infrastructure de communication (Wi-Fi, LoRa, 4G, Internet…) qui relie les objets aux serveurs.
- Couche application : les serveurs, bases de données et applications qui stockent, analysent et affichent les données.
Volume de données généré
Les objets connectés génèrent des quantités massives de données (Big Data). Ces données doivent être :
- Stockées : dans des serveurs distants (cloud computing).
- Traitées : filtrage, agrégation, analyse statistique.
- Visualisées : tableaux de bord, alertes, graphiques.
Exemple. Une ville intelligente (smart city) équipe ses rues de capteurs de pollution, de trafic, de stationnement et d'éclairage. Ces données sont envoyées en temps réel à un serveur central qui optimise les feux de circulation, adapte l'éclairage public et informe les automobilistes des places disponibles.
Interopérabilité
Un défi majeur de l'IoT est l'interopérabilité : faire communiquer des objets de marques et de protocoles différents. Des standards comme Matter (domotique) ou MQTT (protocole de messagerie léger) tentent d'harmoniser l'écosystème.
7Sécurité, vie privée et enjeux sociétaux
La multiplication des objets connectés pose des défis importants en matière de sécurité informatique et de protection de la vie privée.
Risques de sécurité
Attention ! Les objets connectés sont souvent des cibles faciles pour les cyberattaques :
- Mots de passe par défaut : beaucoup d'objets sont livrés avec des identifiants triviaux (admin/admin) que les utilisateurs ne changent pas.
- Mises à jour absentes : les fabricants ne fournissent pas toujours de correctifs de sécurité.
- Interception des données : les communications non chiffrées peuvent être écoutées (sniffing).
- Botnet IoT : des milliers d'objets infectés peuvent être utilisés pour lancer des attaques DDoS massives.
Enjeux liés à la vie privée
Les objets connectés collectent des données personnelles très sensibles :
- Données de santé (fréquence cardiaque, sommeil, activité physique).
- Localisation GPS en continu.
- Habitudes domestiques (heure de réveil, usage des appareils).
- Conversations (assistants vocaux).
En Europe, le RGPD (Règlement Général sur la Protection des Données) encadre la collecte et l'usage de ces données : consentement explicite, droit d'accès et d'effacement, limitation de la durée de conservation.
Enjeux environnementaux
Les objets connectés ont aussi un impact écologique :
- Consommation électrique des serveurs cloud qui traitent les données.
- Obsolescence : les objets deviennent inutilisables quand le fabricant cesse de proposer un service.
- Déchets électroniques (e-waste) : difficiles à recycler.
Astuce. Pour sécuriser un objet connecté :
- Changer le mot de passe par défaut.
- Maintenir le firmware à jour.
- Isoler les objets connectés sur un réseau Wi-Fi séparé (réseau invité).
- Vérifier la politique de confidentialité du fabricant.
★À retenir
En bref :
• Un objet connecté = capteurs + microcontrôleur + module de communication + actionneur.
• Le microcontrôleur est le cerveau : il lit les capteurs, traite les données et pilote les actionneurs en boucle continue.
• Les capteurs convertissent le monde physique en signal numérique ; les actionneurs font l'inverse.
• Chaque protocole sans fil est un compromis entre portée, débit et consommation (Wi-Fi, BLE, LoRa, Zigbee, NFC…).
• L'IoT repose sur 3 couches : perception → réseau → application (cloud).
• Les objets connectés posent des risques de sécurité (mots de passe, failles) et de vie privée (RGPD, données sensibles).
• L'impact environnemental (énergie, déchets) est un enjeu croissant.