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Cours#

Informatique embarquée et objets connectés
Programme Systèmes informatiques embarqués ; capteurs et actionneurs ; interface homme-machine (IHM) ; objets connectés et réseaux d’objets (IoT) ; algorithme de commande d’un système physique ; enjeux de sécurité et de vie privée.
Idée Des ordinateurs minuscules se cachent dans nos objets et pilotent le monde physique : ils mesurent (capteurs), décident (un programme), agissent (actionneurs). Reliés au réseau, ils deviennent connectés — pratiques, mais pas sans risques.
Objectifs Reconnaître un système embarqué ; distinguer capteur et actionneur ; lire et écrire une boucle de commande simple ; décrire une IHM ; comprendre l’Internet des objets ; mesurer les enjeux de sécurité, de vie privée et d’environnement.

Situation de départ

  1. Le chauffage de votre maison s’allume tout seul quand il fait froid, et s’éteint quand il fait assez chaud. Qui décide, et comment ?

  2. Une caméra de surveillance connectée peut-elle être piratée, et se retourner contre vous ou contre d’autres ?

  3. Votre téléphone pollue-t-il surtout quand vous l’utilisez, ou avant même votre premier appel ?

Pour les curieux (facultatif) — Un peu d’histoire

L’un des tout premiers ordinateurs embarqués est l’Apollo Guidance Computer qui, en 1969, a guidé les astronautes jusqu’à la Lune avec une puissance… ridicule face à un smartphone d’aujourd’hui. Le premier objet connecté de l’histoire serait un grille-pain branché à Internet, présenté pour s’amuser en 1990. L’expression « Internet des objets » (Internet of Things) est lancée en 1999 par Kevin Ashton (Ashton, RFID Journal, 2009). On comptait fin 2024 près de 20 milliards d’objets connectés dans le monde (sans compter smartphones et ordinateurs) — plus de deux fois le nombre d’humains (IoT Analytics, 2024 ; ONU, 2022).


L’ordinateur de guidage d’Apollo


Kevin Ashton (2015)

Sources : K. Ashton, « That “Internet of Things” Thing », RFID Journal, 2009 ; IoT Analytics, State of IoT – Summer 2024, septembre 2024 (18,8 milliards d’objets connectés estimés fin 2024), iot-analytics.com ; ONU (Département des affaires économiques et sociales), World Population Prospects 2022 (8 milliards d’humains en novembre 2022), un.org.

\(\to\) frise chronologique

L’informatique invisible : les systèmes embarqués#

L’ordinateur n’est plus seulement la machine posée sur un bureau. Il a rétréci et s’est glissé dans les objets.

Définition 1

Un système embarqué est un ordinateur intégré dans un objet, dédié à une tâche précise. Il est le plus souvent minuscule, sobre en énergie, et invisible pour l’utilisateur. Le petit processeur qu’il contient s’appelle un microcontrôleur.

Exemple

On en trouve partout : lave-linge, four à micro-ondes, ascenseur, distributeur de billets, montre connectée, régulateur de vitesse d’une voiture, box Internet, feu tricolore, drone, carte bancaire… Une voiture récente en contient à elle seule plusieurs dizaines.

À retenir — Différence avec un ordinateur ordinaire

Un système embarqué ne fait qu’une chose (réguler une température, afficher l’heure…), n’a en général pas d’écran ni de clavier classiques, et doit souvent réagir en temps réel : un airbag ne peut pas « ramer ».

▶ Exercices d'application : exercices 1 et 2 (systèmes embarqués)

Sentir et agir : capteurs et actionneurs#

Pour interagir avec le monde physique, un système embarqué a besoin de deux sortes d’organes.


Une carte micro:bit : capteurs, boutons et LED

Définition 2

Un capteur mesure une grandeur physique (température, lumière, mouvement, pression…) et la transforme en un nombre exploitable par la machine. C’est une entrée.
Un actionneur agit sur le monde physique (chauffer, éclairer, tourner, ouvrir, émettre un son…). C’est une sortie.

Capteurs (entrées) Actionneurs (sorties)
thermomètre (température) radiateur, ventilateur
photorésistance (luminosité) lampe, LED
détecteur de mouvement moteur (volet, portail)
microphone (son) haut-parleur
capteur d’image (chapitre Photographie numérique) écran

↺ Retour sur l'activité. Dans « La carte qui réagit », le thermomètre de la carte, qui fournissait le nombre affiché, était un capteur ; l’écran de LED, qui montrait le cœur ou la coche, était un actionneur.

Activité — Capteurs ou actionneurs ?

Pour un smartphone, classer en deux colonnes : l’écran tactile, le haut-parleur, l’appareil photo, le vibreur, le micro, la lampe torche, le capteur de luminosité.

▶ Exercices d'application : exercices 3 et 4 (capteurs et actionneurs)

La boucle de commande : mesurer, décider, agir#

Le cœur d’un objet embarqué est un programme qui répète sans fin le même cycle.

Règle 1 — Le cycle acquisition \(to\) décision \(to\) action

Le système acquiert une mesure, décide (avec des conditions), commande un actionneur, puis recommence.

↺ Retour sur l'activité. Le schéma complété à la fin de l’activité est exactement ce cycle : la carte mesurait la température, décidait avec le bloc si… alors… sinon, agissait en affichant une icône, et le bloc toujours la faisait recommencer sans fin.

Exemple — Le thermostat d’une maison connectée

On veut maintenir une pièce à \(19\,^\circ\)C. On dispose d’un capteur lire_temperature() et d’un radiateur, que l’on commande avec allumer_chauffage() et eteindre_chauffage().

while True:                       # boucle sans fin
    t = lire_temperature()        # ENTREE : le capteur -> un nombre
    if t < 19:
        allumer_chauffage()       # SORTIE : on commande un actionneur
    else:
        eteindre_chauffage()
    attendre(60)                  # on re-teste chaque minute

On reconnaît le cycle : lire la température, décider (if), agir sur le radiateur, recommencer.

À retenir — Deux nouveautés : while True et les fonctions de la carte

  • La boucle while True: se répète « tant que True est vrai ». Or True est toujours vrai : la boucle ne s’arrête jamais. Au chapitre Les bases de Python, une boucle sans fin était un piège, car le programme ne se terminait pas. Ici, c’est voulu : un objet embarqué doit surveiller et réagir tant qu’il est allumé. Son microcontrôleur n’exécute que ce programme, de la mise sous tension jusqu’à ce qu’on coupe le courant ; il n’a rien d’autre à faire.

  • lire_temperature(), allumer_chauffage(), attendre(60)… ne sont pas des fonctions de Python : dans un vrai objet, elles sont fournies avec la carte électronique, et on les appelle comme print ou input, sans savoir comment elles fonctionnent à l’intérieur. Une fonction lire_…() renvoie la mesure du capteur ; allumer_…() ou eteindre_…() commande un actionneur ; attendre(n) met le programme en pause pendant n secondes. Comme aucune carte n’est branchée à votre ordinateur, ces programmes s’écrivent sur papier.

À retenir — C’est un algorithme comme un autre

La « décision » n’est qu’une suite de conditions et de boucles — ce que vous savez déjà écrire (chapitre Les bases de Python), avec en plus la boucle sans fin while True. Un volet qui se ferme quand la nuit tombe, un arrosage qui se déclenche quand la terre est sèche : même boucle, autres capteurs et actionneurs.

Activité — Compléter une boucle de commande

Un éclairage automatique allume une LED quand la luminosité lum devient faible (en dessous de 30). Recopier et compléter :

while True:
    lum = lire_luminosite()
    if ... :                      # (a) condition
        allumer_led()             # (b)
    else:
        eteindre_led()
    attendre(1)

▶ Exercices d'application : exercices 5 à 10 (la boucle de commande : arrosage automatique, alarme, thermostat)

L’interface homme-machine (IHM)#

Comment un humain dialogue-t-il avec un objet ? Par son interface.

Définition 3

L’interface homme-machine (IHM) est l’ensemble des moyens par lesquels l’utilisateur commande la machine et reçoit des informations d’elle :

  • entrées (l’humain vers la machine) : bouton, écran tactile, molette, voix, geste…

  • sorties (la machine vers l’humain) : écran, LED, son, vibration…

Règle 2 — Une bonne IHM

Une IHM réussie est simple, compréhensible et donne un retour : quand on appuie sur un bouton, un voyant, un bip ou un affichage confirme que l’action a été prise en compte. Une mauvaise IHM laisse l’utilisateur dans le doute (« a-t-il compris ? »).

Exemple

Sur un lave-linge : la molette et les boutons sont l’entrée, l’écran et le bip de fin sont la sortie. Sur un assistant vocal, l’entrée est la voix et la sortie est… la voix aussi.

▶ Exercices d'application : exercices 11 à 13 (l’interface homme-machine)

Les objets connectés et l’Internet des objets#

Un système embarqué qui, en plus, se relie au réseau devient un objet connecté.

Définition 4

Un objet connecté est un objet équipé de capteurs et/ou d’actionneurs qui échange des données par un réseau (Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G…). L’ensemble de ces objets forme l’Internet des objets (IoT, Internet of Things).

Exemple

Montre qui envoie votre rythme cardiaque au téléphone ; thermostat réglable à distance ; enceinte connectée ; caméra de surveillance ; capteurs de pollution d’une ville « intelligente » ; balance qui mémorise votre poids dans le nuage.

Pour les curieux (facultatif) — Le nuage n’est jamais loin

Beaucoup d’objets connectés envoient leurs mesures vers des serveurs (le cloud, chapitre Les données structurées et leur traitement), où elles sont stockées et analysées. Ces montagnes de données alimentent des services (statistiques, recommandations) mais posent aussi la question : qui les détient ?

▶ Exercices d'application : exercice 14 (objets connectés)

Sécurité et vie privée#

Un objet connecté est un petit ordinateur relié à Internet : il peut donc, comme tout ordinateur, être attaqué.

Quand des caméras attaquent Internet (Mirai, 2016)

En 2016, un logiciel malveillant nommé Mirai a pris le contrôle de centaines de milliers d’objets connectés (jusqu’à environ 600 000 à son pic ; Antonakakis et al., 2017) (caméras, magnétoscopes numériques…) dont les propriétaires n’avaient jamais changé le mot de passe par défaut (souvent admin/admin). Transformés en armée de « robots », ces objets ont saturé de grands sites (déni de service, chapitre Internet) et rendu inaccessibles, pendant des heures, Twitter, Netflix, Spotify… La leçon : un objet mal sécurisé met en danger bien plus que son propriétaire.

Source : M. Antonakakis et al., « Understanding the Mirai Botnet », USENIX Security Symposium, 2017.

Règle 3 — Deux enjeux à retenir

  • Sécurité : un objet connecté est une porte d’entrée sur le réseau (et sur votre maison). Réflexes : changer le mot de passe par défaut, faire les mises à jour.

  • Vie privée : un objet connecté est un capteur qui observe (caméra), écoute (micro) ou vous suit (montre, GPS). Ses données sont des données personnelles (chapitre Les données structurées et leur traitement), protégées dans l’Union européenne par le RGPD.

À retenir — Et à Monaco ?

Les données d’un objet connecté y sont protégées par la loi n° 1.565 (2024), sous le contrôle de l’APDP : ce sont les mêmes grands droits qu’avec le RGPD (voir l’encadré « Et à Monaco ? » du chapitre Les réseaux sociaux).

Activité — Enquête sur un objet connecté

Choisir un objet connecté du quotidien (maison, lycée, sport…). 1. Quels capteurs et actionneurs possède-t-il ? 2. Quelles données envoie-t-il, et à qui ? 3. Citer un risque de sécurité et un risque de vie privée, puis un geste pour s’en protéger.

▶ Exercices d'application : exercices 15 et 16 (sécurité : mots de passe par défaut ; vie privée)

L’impact environnemental des objets connectés#

Un objet connecté consomme un peu d’électricité… mais c’est surtout sa fabrication qui pèse. Les chiffres ci-dessous sont des ordres de grandeur, tirés d’études publiques. C’est ici que l’on fait le calcul complet pour un smartphone ; les thèmes Localisation et Réseaux sociaux y renvoient.

Le poids du numérique en France

  • Fabriquer avant d’utiliser. La fabrication représente environ 80 % des émissions de gaz à effet de serre de nos équipements numériques : avant même sa première utilisation, un appareil a déjà produit l’essentiel de son empreinte. Source : ADEME–Arcep, étude publiée en 2022 (données 2020).

  • Un parc énorme. En 2020, la France comptait environ 800 millions d’équipements numériques (dont 70 millions de smartphones), et les usages numériques produisaient près de 300 kg de déchets par an et par personne. Source : ADEME–Arcep, 2022 (données 2020).

  • Une tendance à la hausse. Si rien ne change, les émissions du numérique augmenteraient d’environ 45 % d’ici 2030 et seraient multipliées par 3 d’ici 2050 (par rapport à 2020), notamment à cause de la multiplication des objets connectés. Source : ADEME–Arcep, 2022 (scénario tendanciel).

  • Aujourd’hui. Le numérique représente 4,4 % de l’empreinte carbone de la France (29,5 millions de tonnes de CO\(_2\)e) et 11 % de sa consommation d’électricité. Répartition : terminaux (téléphones, ordinateurs, écrans, objets connectés…) 50 %, centres de données 46 %, réseaux 4 %. Ces chiffres ne tiennent pas encore compte de l’essor de l’IA générative. Source : ADEME–Arcep, mise à jour publiée en janvier 2025 (données 2022).

  • Le cas du smartphone. Un smartphone émet environ 80 kg de CO\(_2\)e sur toute sa vie, dont 99 % (environ 79 kg) lors de sa fabrication ; l’usage et la fin de vie ne pèsent qu’environ 1 % en France, où l’électricité est peu carbonée. Ce bilan suppose une durée d’utilisation de 2,5 ans, soit environ 32 kg de CO\(_2\)e par année d’utilisation. Source : ADEME, outil Impact CO2 (impactco2.fr), fiche « smartphone » (données ADEME–Arcep 2025), consultée en 2026.

Sources : ADEME–Arcep, Évaluation de l’impact environnemental du numérique en France et analyse prospective, 2022 (données 2020 : part de la fabrication, parc d’équipements, déchets, scénario 2030–2050), arcep.fr ; ADEME–Arcep, Évaluation de l’impact environnemental du numérique en France, mise à jour de janvier 2025 (données 2022 : 4,4 %, 29,5 Mt CO\(_2\)e, 11 % de l’électricité, répartition 50/46/4 %), ademe.fr ; ADEME, outil Impact CO2, fiche « smartphone », consultée en 2026 (80 kg CO\(_2\)e, 99 % à la fabrication, 2,5 ans d’utilisation), impactco2.fr.

Activité — Un objet connecté, pour quoi faire ?

À partir du document ci-dessus :

  1. À l’aide du cas du smartphone, expliquer pourquoi, pour limiter l’impact d’un objet connecté, il vaut mieux le garder longtemps plutôt que de chercher seulement à l’éteindre.

  2. Choisir un objet connecté (ampoule, prise, montre, enceinte…). Est-il vraiment utile ? Quel objet non connecté pourrait rendre le même service ?

  3. Citer trois raisons qui obligent à remplacer un objet connecté trop tôt (penser aux mises à jour qui s’arrêtent, à la réparabilité, à la batterie…).

  4. Un objet connecté reste souvent en veille, relié au réseau jour et nuit. Proposer deux gestes de sobriété pour les objets et le smartphone (durée d’utilisation, qualité vidéo, lecture automatique, extinction…).

▶ Exercices d'application : exercice 17 (l’empreinte d’un smartphone), exercice 18 (critiquer une réponse d’IA), exercice 19 (Python au service du thème)

Pour les curieux (facultatif) — Liens avec d’autres chapitres

  • Déjà vu : la boucle de commande s’écrit avec les while et if du chapitre Les bases de la programmation Python, et les données de l’objet voyagent en paquets sur Internet, grâce à une adresse IP.

  • Tout se rejoint : le capteur d’image d’un appareil photo et le récepteur GPS sont aussi des capteurs, et les mesures envoyées dans le nuage sont souvent des données personnelles (chapitre Les données structurées et leur traitement).

  • Plus loin : en spécialité NSI de Première, on programme soi-même capteurs, actionneurs et IHM.

Bilan — la carte mémoire#

Les mots importants du thème sont définis dans le lexique.

Notion À retenir
Système embarqué ordinateur (microcontrôleur) intégré à un objet, pour une tâche.
Capteur mesure une grandeur physique \(\to\) un nombre (entrée).
Actionneur agit sur le monde physique (sortie).
Boucle de commande acquisition (capteur) \(\to\) décision (programme) \(\to\) action (actionneur) \(\to\) recommencer.
IHM moyens de commander la machine et d’en recevoir un retour.
Objet connecté système embarqué relié au réseau ; ensemble \(=\) IoT.
Nuage les objets envoient souvent leurs données vers des serveurs distants.
Sécurité objet \(=\) porte d’entrée ; changer le mot de passe, mettre à jour.
Vie privée objet \(=\) capteur ; données personnelles ; RGPD (UE), loi n° 1.565 (Monaco).
Environnement smartphone \(\approx 80\) kg CO\(_2\)e, dont 99 % à la fabrication : garder, réparer, se passer du superflu.

Retour à la situation de départ

  1. Un système embarqué (§ I) répète sans fin une boucle de commande : le capteur mesure la température, le programme décide (if t < 19), l’actionneur, le radiateur, agit, puis tout recommence (§ II et III).

  2. Oui : un objet connecté est un petit ordinateur relié à Internet, donc une porte d’entrée. En 2016, Mirai a piraté des centaines de milliers d’objets restés avec leur mot de passe par défaut pour saturer de grands sites (§ VI). Réflexes : changer ce mot de passe, faire les mises à jour.

  3. Avant : environ 99 % des 80 kg de CO\(_2\)e d’un smartphone sont émis à sa fabrication (§ VII). Le geste le plus efficace est donc de le garder longtemps.

Débat argumenté

Un débat, proposé en fin de chapitre, accompagne ce thème : « Faut-il équiper sa maison de caméras et d’enceintes connectées ? » (documents, rôles, tableau d’arguments et trace écrite, environ 50 min).

Savoir-faire à maîtriser#

À la fin du chapitre, je sais…

Savoir-faire : je me positionne

  • reconnaître un système embarqué dans un objet du quotidien ;

  • distinguer un capteur d’un actionneur et donner des exemples de chacun ;

  • dérouler une boucle de commande « mesurer \(\rightarrow\) décider \(\rightarrow\) agir » (ex. thermostat) ;

  • décrire le rôle d’une interface homme-machine (IHM) ;

  • expliquer ce qu’est un objet connecté et l’Internet des objets ;

  • citer les risques de sécurité et de vie privée des objets connectés, et les textes qui protègent les données (RGPD, loi monégasque n° 1.565) ;

  • expliquer pourquoi la fabrication pèse le plus dans l’impact environnemental d’un objet connecté.