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Exercices — Informatique embarquée

SNT — Thème 5

Exercices — Informatique embarquée et objets connectés

Capteurs, actionneurs, IoT et enjeux numériques

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Systèmes embarqués du quotidien

★☆☆ Facile

Pour chaque appareil ci-dessous, indiquer s’il contient un système embarqué et, si oui, décrire brièvement sa fonction.

AppareilSystème embarqué ?Fonction(s)
Téléphone portable
Lampe de bureau classique (ampoule + interrupteur)
Machine à laver
Montre analogique à aiguilles (mécanique)
Voiture moderne
Pacemaker cardiaque
  1. Compléter le tableau.
  2. Quelle est la différence fondamentale entre un ordinateur personnel et un système embarqué ?
  3. Pourquoi dit-on que les systèmes embarqués doivent souvent fonctionner « en temps réel » ? Donner un exemple concret où ce serait critique.
Correction
  1. Téléphone : oui (processeur, gestion appels, capteurs…). Lampe classique : non (pas de traitement informatique). Machine à laver : oui (gestion des programmes, capteurs température/niveau d’eau). Montre mécanique : non (mécanisme purement physique). Voiture : oui (~100 microcontrôleurs : ABS, airbags, GPS, injection…). Pacemaker : oui (surveillance du rythme cardiaque, stimulation électrique).
  2. Un ordinateur personnel est polyvalent (on peut y exécuter n’importe quel programme). Un système embarqué est dédié à une ou quelques tâches précises, avec des contraintes de taille, d’énergie et de fiabilité.
  3. « Temps réel » signifie que le système doit répondre en un temps garanti, pas forcément très court. Exemple critique : l’airbag doit se déclencher en moins de 30 millisecondes après un choc — un délai plus long rendrait le dispositif inutile.
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Capteurs et actionneurs

★☆☆ Facile

On considère le système de régulation automatique d’une serre agricole connectée.

CAPTEURS • Thermomètre • Hygromètre • Capteur CO₂ • Capteur luminosité MICRO- CONTRÔLEUR Arduino / Raspberry Pi ACTIONNEURS • Pompe irrigation • Ventilateur • Chauffage • Éclairage LED

Système embarqué de gestion d’une serre agricole

  1. Pour chaque capteur, indiquer quelle grandeur physique il mesure et dans quelle unité.
  2. Pour chaque actionneur, décrire quelle action physique il réalise sur l’environnement de la serre.
  3. Écrire en langage naturel l’algorithme que suivrait le microcontrôleur pour décider d’activer la pompe d’irrigation.
  4. Pourquoi connecter ce système à Internet (IoT) ? Quels avantages cela apporte-t-il à l’agriculteur ?
Correction
  1. Thermomètre → température (°C). Hygromètre → taux d’humidité (%). Capteur CO₂ → concentration en CO₂ (ppm). Capteur de luminosité → éclairement (lux).
  2. Pompe d’irrigation → injecte de l’eau dans le sol. Ventilateur → renouvelle l’air, régule la température et le CO₂. Chauffage → élève la température. Éclairage LED → compense le manque de lumière naturelle.
  3. Algorithme : Lire la valeur du capteur d’humidité. Si l’humidité est inférieure à un seuil (ex : 40%), alors activer la pompe pendant X secondes. Sinon, ne rien faire. Répéter toutes les 10 minutes.
  4. Avantages IoT : l’agriculteur peut surveiller et contrôler sa serre à distance depuis son smartphone ; recevoir des alertes automatiques (gelée, sécheresse) ; analyser les données sur le long terme pour optimiser les cultures ; automatiser complètement certaines tâches.
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QCM — IoT et technologies

★☆☆ Facile

1. Quelle technologie de communication est la plus adaptée pour un capteur de relevé de compteur électrique installé dans une cave, transmettant peu de données mais devant fonctionner plusieurs années sur batterie ?

  • Wi-Fi
  • 4G
  • LoRaWAN
  • Bluetooth

2. En 2016, le botnet Mirai a causé une panne massive d’Internet en infectant :

  • Des ordinateurs de bureau sous Windows
  • Des caméras de surveillance et routeurs connectés
  • Des serveurs de banques
  • Des smartphones Android

3. Un microcontrôleur regroupe sur une seule puce :

  • Uniquement un processeur
  • Un processeur, de la mémoire et des interfaces d’entrée/sortie
  • Un écran, un clavier et un processeur
  • Une connexion Wi-Fi et une batterie
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Analyser un système embarqué

★★☆ Intermédiaire

Un thermostat intelligent connecté (type Nest) fonctionne de la façon suivante :

  • Il mesure la température ambiante toutes les minutes
  • Il connaît les habitudes des occupants (heures de présence, température préférée)
  • Il commande le chauffage et/ou la climatisation
  • Il envoie les données à un serveur distant via Wi-Fi
  • L’utilisateur peut le contrôler depuis une application smartphone
  1. Identifier les capteurs et actionneurs de ce système.
  2. Quelles données personnelles ce thermostat collecte-t-il ? En quoi ces données sont-elles sensibles ?
  3. Citer deux avantages et deux inconvénients de ce type de système par rapport à un thermostat classique.
  4. Si le serveur distant est piraté, quelles informations un attaquant pourrait-il obtenir ?
Correction
  1. Capteurs : thermomètre, détecteur de présence (infrarouge ou géolocalisation du smartphone). Actionneurs : commande du chauffage (chaudière, radiateurs) et/ou climatisation.
  2. Données collectées : température de chaque pièce à chaque moment, heures de présence/absence des occupants, habitudes de vie, géolocalisation des smartphones. Sensibilité : ces données permettent de savoir précisément quand le logement est vide (risque de cambriolage), les habitudes quotidiennes des occupants, voire leur état de santé (rester au lit plus longtemps).
  3. Avantages : économies d’énergie (chauffage uniquement quand nécessaire), confort (température idéale à l’arrivée), contrôle à distance. Inconvénients : dépendance au réseau Wi-Fi et aux serveurs distants, collecte de données personnelles, coût plus élevé, obsolescence si l’entreprise arrête son service.
  4. Un attaquant pourrait obtenir : le planning de présence du logement, les habitudes de vie détaillées, potentiellement contrôler le chauffage à distance (causant inconfort ou augmentation des factures), accéder aux autres appareils du réseau domestique.
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Concevoir un objet connecté

★★☆ Intermédiaire

On souhaite concevoir un distributeur automatique de croquettes connecté pour chats, permettant de nourrir l’animal même en l’absence de son propriétaire.

  1. Lister les capteurs dont ce système aurait besoin et justifier chaque choix.
  2. Lister les actionneurs nécessaires.
  3. Décrire l’algorithme de fonctionnement de base (en langage naturel).
  4. Quelle technologie de communication choisiriez-vous ? Justifier.
  5. Quelles données ce système génère-t-il ? Y a-t-il des risques liés à leur collecte ?
Correction
  1. Capteurs possibles : horloge/timer (pour déclencher aux heures de repas) ; capteur de poids (pour mesurer la quantité de croquettes distribuées et le niveau restant) ; caméra (pour vérifier que le chat mange) ; capteur infrarouge (détecter la présence du chat).
  2. Actionneurs : moteur pour faire tourner la vis d’Archimède qui déverse les croquettes ; buzzer pour appeler le chat ; écran pour afficher les informations.
  3. Algorithme : Si l’heure correspond à un repas programmé, alors activer le moteur pendant 3 secondes pour distribuer une dose. Vérifier le niveau du réservoir : si inférieur à 20%, envoyer une notification au propriétaire. Toutes les 10 minutes, vérifier si le chat a mangé grâce au capteur de poids.
  4. Wi-Fi : idéal car l’appareil est fixe à la maison, débit suffisant pour envoyer des photos/vidéos, et l’alimentation électrique est disponible (pas de contrainte de batterie).
  5. Données générées : horaires des repas, quantité mangée, photos du chat. Risques limités mais : une caméra dans le domicile peut capter d’autres choses ; les données sur les habitudes de vie de l’animal révèlent indirectement les horaires du propriétaire.
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Impact environnemental et sécurité

★★★ Difficile

En 2024, on recense environ 15 milliards d’objets connectés dans le monde. Ce chiffre devrait doubler d’ici 2030.

  1. Calculer le nombre moyen d’objets connectés par habitant si la population mondiale est de 8 milliards de personnes.
  2. Si chaque objet connecté consomme en moyenne 2 W en veille permanente, estimer la puissance totale consommée par l’ensemble des objets connectés. Exprimer le résultat en gigawatts (GW). Comparer à la puissance d’une centrale nucléaire (~1 GW).
  3. La vulnérabilité principale des objets IoT est souvent l’utilisation de mots de passe par défaut. Expliquer pourquoi ce problème est difficile à résoudre à grande échelle.
  4. Proposer trois mesures concrètes qu’un fabricant d’objets connectés pourrait prendre pour améliorer la sécurité de ses produits.
  5. Un pays peut-il interdire certains objets connectés sur son territoire pour des raisons de sécurité nationale ? Citer un exemple réel.
Correction
  1. 15 milliards ÷ 8 milliards = 1,875 objet par habitant en moyenne (environ 2 objets connectés par personne).
  2. 15 × 10⁹ objets × 2 W = 30 × 10⁹ W = 30 GW. Cela représente l’équivalent de 30 centrales nucléaires fonctionnant en permanence uniquement pour alimenter les objets connectés en veille.
  3. Problème difficile car : des milliards d’appareils sont déjà déployés avec des mots de passe par défaut ; les utilisateurs ne sont souvent pas informés ou pas capables de les changer ; les fabricants ne prévoient pas de mécanisme de mise à jour facile ; certains objets n’ont pas d’interface pour changer le mot de passe.
  4. Mesures possibles : forcer l’utilisateur à définir un mot de passe unique à la première utilisation ; activer les mises à jour automatiques de sécurité ; chiffrer toutes les communications ; désactiver les services réseau inutiles par défaut.
  5. Oui. Exemple réel : les États-Unis ont interdit les équipements réseau de Huawei (Chine) pour des raisons de sécurité nationale, craignant que des backdoors permettent une surveillance par le gouvernement chinois. Plusieurs pays européens ont pris des mesures similaires.