Qu'est-ce que l'informatique embarquée en SNT ?

L'informatique embarquée désigne les systèmes informatiques intégrés à un objet (voiture, montre, lave-linge, robot) et dédiés à une tâche précise. Un microcontrôleur y lit des capteurs, applique un algorithme de contrôle et commande des actionneurs, souvent avec peu d'énergie et des contraintes de temps de réaction.

Quelle est la différence entre un capteur et un actionneur ?

Un capteur transforme une grandeur physique (température, lumière, distance, appui sur un bouton) en signal électrique que le programme peut lire. Un actionneur fait l'inverse : il transforme un ordre du programme en action physique, comme faire tourner un moteur, allumer une LED ou émettre un son.

Quelle différence entre un système embarqué et un objet connecté ?

Tout objet connecté contient un système embarqué, mais l'inverse est faux. Un objet connecté possède en plus un moyen de communication (Wi-Fi, Bluetooth, réseau mobile ou radio) qui lui permet d'échanger des données avec d'autres appareils ou avec Internet.

Comment programmer un objet connecté en SNT ?

En classe de 2nde, on utilise souvent une carte micro:bit programmée en Python. Le programme tourne dans une boucle infinie while True : il lit un capteur (bouton, température, luminosité), compare la mesure à un seuil avec un if, puis commande un actionneur (LED, écran, broche reliée à un moteur).

Quels sont les enjeux des objets connectés ?

Les objets connectés collectent des données souvent personnelles (position, santé, habitudes), ce qui pose la question de leur protection, encadrée par le RGPD. Ils posent aussi des questions de sécurité informatique, de consommation d'énergie et de ressources, et de dépendance au réseau.

Sciences numériques et technologie (SNT) 2ⁿᵈᵉ

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Objets connectés

Systèmes embarqués, capteurs et actionneurs, interfaces homme-machine, programmation d'un objet, enjeux (SNT de 2nde)

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 : L'essentiel, Capteurs, actionneurs et chaîne d'information, Algorithmes de contrôle, Interfaces homme-machine (IHM). 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).

L'essentiel

Système informatique embarqué. Ensemble électronique et informatique (microcontrôleur, mémoire, programme) intégré à un objet et dédié à une tâche précise : réguler un four, freiner une voiture, guider un robot. Il fonctionne souvent sans clavier ni grand écran, avec peu d'énergie, et doit réagir vite.

Objet connecté. Système embarqué capable d'échanger des données avec d'autres appareils ou avec Internet (Wi-Fi, Bluetooth, réseau mobile, réseau radio basse consommation).

Capteur et actionneur. Un capteur transforme une grandeur physique (température, lumière, distance, appui) en signal électrique lu par le programme. Un actionneur transforme un ordre du programme en action physique (moteur, LED, haut-parleur, résistance chauffante).

Interface homme-machine (IHM). Ensemble des moyens par lesquels l'utilisateur agit sur l'objet (boutons, écran tactile, voix) et reçoit ses informations (affichage, son, vibration).

Repères historiques.
• 1967 : l'ordinateur de guidage des missions Apollo (AGC), l'un des premiers systèmes embarqués, vole sur la mission sans équipage Apollo 4 (premier essai en vol en 1966).
• 1971 : Intel commercialise le 4004, premier microprocesseur.
• 1984 : lancement de l'Airbus A320 (premier vol en 1987), premier avion de ligne à commandes de vol électriques entièrement numériques.
• 1998 : la ligne 14 du métro parisien (Météor), entièrement automatique, circule sans conducteur.
• 1999 : Kevin Ashton intitule « Internet of Things » une présentation : l'expression « Internet des objets » se répand.
• 2007 : le premier iPhone réunit dans un seul objet de nombreux capteurs et plusieurs moyens de communication.
• Aujourd'hui : environ 18,5 milliards d'objets connectés en service en 2024 selon le cabinet IoT Analytics, loin des 50 milliards que l'on annonçait pour 2020.

Capteurs, actionneurs et chaîne d'information

Tout objet embarqué suit la même chaîne : acquérir → traiter → communiquer → agir.

Étape	Rôle	Exemple : thermostat connecté
Acquérir	un capteur mesure	sonde de température
Traiter	le microcontrôleur applique l'algorithme	comparaison avec la consigne
Communiquer	envoi ou réception de données	consigne réglée depuis une application
Agir	un actionneur exécute l'ordre	relais qui alimente le radiateur

Capteurs	Actionneurs
bouton-poussoir, sonde de température, photorésistance, accéléromètre, microphone, capteur à ultrasons, détecteur de présence	LED, écran, moteur, servomoteur, haut-parleur, relais, électrovanne

Analogique et numérique. Un capteur analogique fournit une tension qui varie continûment. Le microcontrôleur la transforme en nombre entier grâce à un convertisseur analogique-numérique (CAN). Sur une carte micro:bit, read_analog() renvoie un entier de 0 à 1 023 : le CAN travaille sur 10 bits, soit

2^{10} = 1024

valeurs, 0 correspondant à 0 V et 1 023 à 3,3 V.
Un capteur tout-ou-rien (bouton, détecteur de présence) ne donne que deux états : read_digital() renvoie 0 ou 1.

Algorithmes de contrôle

Algorithme de contrôle. Il répète sans fin quatre actions : lire les capteurs, comparer les mesures à une consigne, commander les actionneurs, attendre un court instant. En Python, c'est une boucle infinie while True:.

Régulation tout-ou-rien à seuil unique. Si la température est inférieure à 18 °C, le chauffage est allumé ; sinon, il est éteint. Simple, mais autour de 18 °C le chauffage s'allume et s'éteint sans arrêt.

Hystérésis (deux seuils). On allume si T < 17 °C, on éteint si T > 19 °C, et entre les deux on garde l'état précédent. Le chauffage commute beaucoup moins souvent, ce qui ménage le relais et le confort.

Des algorithmes partout. L'ABS d'une voiture relâche le frein si une roue se bloque ; un éclairage public s'allume à la tombée de la nuit ; un métro automatique ajuste sa vitesse selon la distance au train qui le précède ; un régulateur de vitesse accélère ou freine pour tenir la consigne.

Contrainte de temps réel. Un système embarqué doit souvent répondre dans un délai imposé : une réponse juste mais trop tardive est une erreur. L'ABS doit relâcher le frein dès qu'une roue commence à se bloquer, alors qu'une station météo peut attendre plusieurs minutes avant d'envoyer sa mesure. Ces contraintes imposent des méthodes de programmation spécifiques.

Interfaces homme-machine (IHM)

Entrées (l'utilisateur agit)	Sorties (l'objet informe)
boutons, écran tactile, molette, commande vocale, geste détecté par un accéléromètre	écran, matrice de LED, son, vibration, notification sur smartphone

IHM locale ou déportée. L'IHM est locale quand elle est sur l'objet (boutons d'une montre). Elle est déportée quand elle passe par un autre appareil : l'application d'une ampoule connectée sur smartphone, ou une page web.

Réaliser une IHM simple. À chaque action de l'utilisateur, associer une réaction immédiate et visible (retour d'information), avec peu de commandes, faciles à comprendre, utilisables par tous (contraste, son en plus de l'affichage).

Programmer un objet en Python

Avec la carte micro:bit, le programme commence par from microbit import *.

Instruction	Effet
`button_a.is_pressed()`	True si le bouton A est enfoncé à cet instant
`button_a.was_pressed()`	True si A a été pressé depuis le dernier appel
`temperature()`	température en °C (nombre entier)
`display.read_light_level()`	luminosité de 0 (noir) à 255
`pin1.read_analog()`	entier de 0 à 1 023
`pin0.write_digital(1)`	met la broche 0 à l'état haut (0 pour l'état bas)
`display.show(...)`, `display.scroll(...)`	affiche une image, un chiffre ou un texte
`sleep(500)`	pause de 500 millisecondes

Exemple : veilleuse. La LED reliée à la broche 0 s'allume quand il fait sombre.

from microbit import *
while True:
    if display.read_light_level() < 30:
        pin0.write_digital(1)
    else:
        pin0.write_digital(0)
    sleep(500)

Capteur : la matrice de LED utilisée comme capteur de lumière. Actionneur : la LED sur la broche 0. La mesure est refaite toutes les 0,5 s.

Enjeux des objets connectés

Données personnelles. Position, rythme cardiaque, horaires de présence au domicile, voix : ces données renseignent sur une personne identifiable. Le RGPD impose d'informer l'utilisateur, de limiter la collecte au nécessaire et de protéger ces données.

Sûreté et sécurité. La sûreté, c'est l'absence d'erreur de fonctionnement : elle est vitale quand l'objet agit sur le monde physique (freins, avion, réseau électrique), d'où des certifications lourdes en avionique et dans le ferroviaire. La sécurité, c'est la résistance aux attaques. Un objet mal protégé (mot de passe par défaut, absence de mise à jour, données non chiffrées) peut être piraté, espionné ou détourné. En 2016, le logiciel malveillant Mirai a pris le contrôle de centaines de milliers de caméras et de box Internet en essayant une courte liste de mots de passe d'usine, puis s'en est servi comme « robots » (un botnet) pour saturer des sites web par des attaques par déni de service.

Voiture autonome. Elle combine des systèmes embarqués (moteur, freins, navigation) et de l'intelligence artificielle qui analyse en temps réel les données de capteurs variés : caméras, radars, lidars. La norme SAE J3016 distingue six niveaux d'automatisation, de 0 (conduite entièrement manuelle) à 5 (aucun conducteur dans toutes les situations) ; le niveau 5 n'est encore atteint par aucun véhicule.

Énergie et ressources. Chaque objet consomme des métaux et de l'énergie à sa fabrication ; sur batterie, émettre souvent réduit l'autonomie.

Dépendance. Si le réseau, le serveur du fabricant ou la batterie tombe en panne, l'objet peut devenir inutilisable : il faut prévoir un mode de secours.

Méthodes

Méthode 1 — Analyser un objet embarqué

Repérer ce que l'objet mesure : ce sont les capteurs.
Repérer ce qu'il produit (mouvement, lumière, son) : ce sont les actionneurs.
Décrire la règle qui relie mesures et actions (l'algorithme).
Préciser s'il communique, avec quoi et par quel moyen.

Exemple rédigé. Portail automatique : capteurs = récepteur de la télécommande, cellule photoélectrique qui détecte un obstacle, fins de course ; actionneurs = moteur, feu clignotant. Algorithme : à la réception du signal, le moteur ouvre jusqu'au fin de course ; pendant la fermeture, si la cellule détecte un obstacle, le moteur s'arrête. Communication : radio avec la télécommande.

Méthode 2 — Écrire un algorithme de contrôle à seuil

Nommer le capteur, sa fonction de lecture et l'actionneur commandé.
Écrire la condition exacte (< ou <=) avec le seuil.
Prévoir les deux cas : if pour agir, else pour arrêter.
Placer le tout dans while True: avec une pause.

Exemple rédigé. Arrosage automatique : un capteur d'humidité du sol sur la broche 1 donne une valeur d'autant plus faible que la terre est sèche ; la pompe est sur la broche 2. On arrose si la valeur est inférieure à 350.

from microbit import *
while True:
    if pin1.read_analog() < 350:
        pin2.write_digital(1)
    else:
        pin2.write_digital(0)
    sleep(1000)

Méthode 3 — Convertir une valeur lue en tension

Identifier la plage : 0 à 1 023 pour 0 à 3,3 V.
Appliquer la proportionnalité : U = N × 3,3 / 1 023.
Pour la conversion inverse : N = U × 1 023 / 3,3, arrondi à l'entier.

Exemple rédigé. Le programme lit N = 868. Alors U = 868 × 3,3 / 1 023 = 2 864,4 / 1 023 = 2,8 V.

Pièges et erreurs classiques

Bouton = capteur. Un bouton-poussoir est un capteur tout-ou-rien, pas un actionneur. Un écran ou une LED sont des actionneurs.

Objet connecté ≠ Internet. Un objet qui dialogue seulement en Bluetooth avec un téléphone est déjà connecté.

Unités. sleep() attend en millisecondes : sleep(1) dure un millième de seconde. read_analog() renvoie un entier, pas des volts.

Python. Oublier les deux-points ou l'indentation après if ; confondre = (affectation) et == (comparaison) ; écrire une commande hors du if alors qu'elle devait être dans le else.

Seuil strict. « T < 18 » est faux pour T = 18 : vérifier le cas d'égalité.

En bref

Système embarqué = informatique intégrée à un objet, dédiée à une tâche ; objet connecté = système embarqué qui communique.
Chaîne : capteurs (acquérir) → microcontrôleur (traiter) → communication → actionneurs (agir).
Un CAN 10 bits donne un entier de 0 à 1 023 ; U = N × 3,3 / 1 023.
Algorithme de contrôle = boucle infinie : lire, comparer, commander, attendre ; l'hystérésis évite les commutations incessantes.
IHM : entrées et sorties, réaction immédiate et visible.
Enjeux : données personnelles (RGPD), sécurité, énergie, dépendance au réseau.

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