Chapitre 7 — SNT — Informatique embarquée et objets connectés

SNT Seconde — Chapitre 7 : Informatique embarquée et objets connectés

📋 Sommaire

Programme officiel (BO)
Les systèmes informatiques embarqués
Capteurs, actionneurs et chaîne d'information
Les algorithmes de contrôle
Interface homme-machine et objets connectés
Ateliers Python
Exercices corrigés
QCM
Fiche de synthèse

Programme officiel — SNT, Seconde générale et technologique 🔗 Source officielle (education.gouv.fr — BO spécial n°1 du 22 janvier 2019)

Thème « Informatique embarquée et objets connectés » — Contenus et capacités attendues

Systèmes informatiques embarqués : Identifier des algorithmes de contrôle des comportements physiques à travers les données des capteurs, l'IHM et les actions des actionneurs dans des systèmes courants.
Interface homme-machine (IHM) : Réaliser une IHM simple d'un objet connecté.
Commande d'un actionneur, acquisition des données d'un capteur : Écrire des programmes simples d'acquisition de données ou de commande d'un actionneur.

1. Les systèmes informatiques embarqués

Définition — Système embarqué

Un système informatique embarqué est un ordinateur, souvent minuscule (un microcontrôleur), intégré à un objet pour en contrôler le fonctionnement : voiture, lave-linge, montre, ascenseur, pacemaker, avion, robot aspirateur…

Il fonctionne en autonomie, en temps réel, avec peu d'énergie et de mémoire, et l'utilisateur n'a souvent pas conscience de sa présence. Un objet connecté est un système embarqué qui communique par un réseau (Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G, LoRa) avec d'autres objets ou avec Internet.

Date	Repère
1967	L'Apollo Guidance Computer guide les vaisseaux Apollo : l'un des premiers systèmes embarqués.
1971	Premier microprocesseur (Intel 4004) : un ordinateur tient sur une puce.
1978	L'ABS (antiblocage des roues) équipe des voitures de série : un calculateur pilote les freins.
2007	Les smartphones réunissent de nombreux capteurs (GPS, accéléromètre, caméra) et un ordinateur puissant.
Aujourd'hui	Une voiture récente contient plus de 50 calculateurs ; on compte environ 15 milliards d'objets connectés dans le monde.

2. Capteurs, actionneurs et chaîne d'information

Définition — Capteur et actionneur

Un capteur mesure une grandeur physique (température, lumière, distance, vitesse, pression, présence) et la transforme en une donnée numérique : c'est l'acquisition.
Un actionneur transforme une commande du programme en action physique : moteur, résistance chauffante, lampe (LED), haut-parleur, vanne, électroaimant.
Le microcontrôleur exécute un programme qui lit les capteurs, décide et commande les actionneurs.

Système	Capteurs	Actionneurs	IHM
Thermostat connecté	température, présence	chaudière (marche/arrêt)	écran, molette, application
Éclairage public	luminosité, détecteur de mouvement	lampes	aucune pour le passant ; réglages à distance
Voiture (ABS)	vitesse de chaque roue	freins (valves hydrauliques)	voyant sur le tableau de bord
Vélo à assistance électrique	force sur les pédales, vitesse	moteur électrique	boutons et écran du guidon
Robot aspirateur	distance (obstacles), vide (escaliers), choc	roues, brosses, aspiration	bouton, application, voix

3. Les algorithmes de contrôle

Propriété — La boucle de contrôle

Le programme d'un système embarqué tourne en permanence dans une boucle infinie :

lire les capteurs (acquisition) ;
décider à l'aide de conditions (algorithme de contrôle) ;
commander les actionneurs ;
attendre un court instant, puis recommencer.

# Schema du programme d'un thermostat (simulation)
consigne = 19
mesures = [17.5, 18.2, 18.9, 19.4, 20.1, 19.6, 18.8]   # valeurs lues par le capteur

for temperature in mesures:          # sur l'objet : while True
    if temperature < consigne:
        chauffage = "ALLUME"
    else:
        chauffage = "eteint"
    print(f"{temperature} degres -> chauffage {chauffage}")

Définition — Régulation avec hystérésis

Avec une seule consigne, le chauffage s'allumerait et s'éteindrait sans arrêt autour de 19 °C, ce qui use la chaudière. On utilise une hystérésis : on allume en dessous de consigne − h, on éteint au-dessus de consigne + h, et entre les deux on ne change rien.

AnimationSimulation d'un thermostat

Règle la consigne avec le curseur (IHM), observe la température mesurée (capteur) et l'état du chauffage (actionneur). Ouvre la fenêtre pour créer une perturbation, et compare avec et sans hystérésis.

Chargement de l'animation…

Exemple — Des algorithmes partout

ABS : si une roue ralentit beaucoup plus vite que les autres (elle va se bloquer), le calculateur relâche brièvement son frein, des dizaines de fois par seconde ; le conducteur garde le contrôle de la direction.
Vélo à assistance électrique : le moteur aide proportionnellement à la force exercée sur les pédales, et la loi impose de couper l'assistance au-delà de 25 km/h.
Éclairage automatique : la lampe s'allume s'il fait sombre et si un mouvement est détecté, puis s'éteint après une minute sans mouvement.

4. Interface homme-machine et objets connectés

Définition — IHM

L'interface homme-machine (IHM) est l'ensemble des moyens qui permettent à un humain de dialoguer avec un système : boutons, écran tactile, voyants, molette, commande vocale, et pour un objet connecté, une application sur smartphone ou une page web.

Une bonne IHM est simple, donne un retour à l'utilisateur (un voyant s'allume, un message s'affiche) et empêche les erreurs dangereuses (confirmation avant une action importante).

AnimationCommander une lampe connectée depuis son téléphone

Suis les messages échangés quand on appuie sur le bouton « Allumer » de l'application.

Chargement de l'animation…

Propriété — Enjeux des objets connectés

Sécurité : un objet mal protégé (mot de passe par défaut jamais changé, logiciel pas mis à jour) peut être piraté. En 2016, le réseau de machines piratées Mirai, formé de centaines de milliers de caméras et de box, a rendu inaccessibles de grands sites web.
Vie privée : montres, enceintes et caméras collectent des données intimes (santé, voix, présence au domicile).
Environnement : fabrication, consommation électrique permanente, déchets électroniques difficiles à recycler.
Mais aussi des bénéfices : sécurité routière, économies d'énergie, médecine, aide aux personnes dépendantes.

5. Ateliers Python

Les ateliers se font directement dans la page : modifie le code dans l'éditeur, clique sur ▶ Exécuter et observe la sortie. Suis les étapes dans l'ordre ; le coup de pouce et la solution ne sont à ouvrir qu'après avoir cherché.

Atelier 1 — L'éclairage automatiqueconditions, and, fonctions

Objectif : Écrire l'algorithme de commande d'une lampe d'extérieur à partir de deux capteurs : luminosité et détecteur de mouvement.

Exécuter : la fonction commande renvoie toujours "eteinte". Le programme teste quatre situations.
Compléter : la lampe doit s'allumer si la luminosité est inférieure à 50 lux et qu'un mouvement est détecté.
Ajouter un mode « forcé » : un interrupteur de l'IHM (force = True) allume la lampe quoi que disent les capteurs.

eclairage.py

def commande(lux, mouvement):
    # a completer
    return "eteinte"

situations = [(500, True), (20, False), (20, True), (49, True)]
for lux, mouvement in situations:
    print(f"lux={lux}, mouvement={mouvement} -> lampe {commande(lux, mouvement)}")

Sortie

💡 Coup de pouce

if lux < 50 and mouvement: return "allumee". Pour le mode forcé, ajouter un paramètre force et tester if force or (lux < 50 and mouvement):.

✅ Une solution

def commande(lux, mouvement, force=False):
    if force or (lux < 50 and mouvement):
        return "allumee"
    return "eteinte"

situations = [(500, True), (20, False), (20, True), (49, True)]
for lux, mouvement in situations:
    print(f"lux={lux}, mouvement={mouvement} -> lampe {commande(lux, mouvement)}")
print("Mode force :", commande(500, False, True))

Atelier 2 — Acquisition d'une station météolistes, min, max, moyenne

Objectif : Traiter les mesures d'un capteur de température : minimum, maximum, moyenne, et alerte de gel.

La liste mesures contient une température par heure, de 0 h à 23 h. Exécuter le programme.
Afficher la température minimale, maximale et la moyenne arrondie à 0,1 °C.
Afficher les heures où la température est négative ou nulle (alerte gel), avec la condition t <= 0.
Défi : un capteur peut renvoyer une valeur aberrante (ici 85). Ignorer les valeurs supérieures à 50 dans les calculs.

acquisition.py

mesures = [1.2, 0.8, 0.1, -0.4, -1.1, -1.5, -0.9, 0.3, 2.4, 4.1, 5.8, 7.2,
           8.5, 9.1, 85, 8.6, 7.4, 5.9, 4.6, 3.8, 3.1, 2.5, 2.0, 1.6]

print(len(mesures), "mesures")
for heure in range(len(mesures)):
    print(f"{heure} h : {mesures[heure]}")

Sortie

💡 Coup de pouce

Construire d'abord une liste valides contenant les mesures inférieures ou égales à 50 (t <= 50), puis utiliser min(valides), max(valides) et sum(valides) / len(valides).

✅ Une solution

mesures = [1.2, 0.8, 0.1, -0.4, -1.1, -1.5, -0.9, 0.3, 2.4, 4.1, 5.8, 7.2,
           8.5, 9.1, 85, 8.6, 7.4, 5.9, 4.6, 3.8, 3.1, 2.5, 2.0, 1.6]

valides = []
for t in mesures:
    if t <= 50:
        valides.append(t)
print(f"{len(mesures) - len(valides)} valeur(s) aberrante(s) ignoree(s)")
print("Minimum :", min(valides))
print("Maximum :", max(valides))
print("Moyenne :", round(sum(valides) / len(valides), 1))
for heure in range(len(mesures)):
    if mesures[heure] <= 0:
        print(f"Alerte gel a {heure} h : {mesures[heure]}")

Atelier 3 — Simuler un thermostat avec hystérésisboucle for, variables d'état

Objectif : Simuler minute par minute la température d'une pièce chauffée par un thermostat, et compter les mises en marche du chauffage.

Exécuter : chaque minute, la pièce perd un peu de chaleur, et en gagne 0,3 °C si le chauffage est allumé. Le thermostat compare à la consigne.
Compter le nombre de fois où le chauffage s'allume (passage de False à True).
Remplacer la règle par une hystérésis de 0,5 °C : allumer si t < consigne - 0.5, éteindre si t > consigne + 0.5, sinon ne rien changer.
Comparer le nombre de mises en marche avec et sans hystérésis.

thermostat.py

consigne = 19
t = 16.0
chauffage = False

for minute in range(60):
    if t < consigne:
        chauffage = True
    else:
        chauffage = False
    if chauffage:
        t = t + 0.3
    t = t - 0.02 * (t - 8)      # pertes vers l'exterieur a 8 degres
    if minute % 5 == 0:
        print(f"{minute} min : {t:.1f} degres, chauffage {chauffage}")

Sortie

💡 Coup de pouce

Garder l'ancien état dans avant = chauffage avant la décision, puis if chauffage and not avant: allumages = allumages + 1. Pour l'hystérésis, utiliser if … elif … sans else.

✅ Une solution

def simuler(h):
    consigne = 19
    t = 16.0
    chauffage = False
    allumages = 0
    for minute in range(60):
        avant = chauffage
        if t < consigne - h:
            chauffage = True
        elif t > consigne + h:
            chauffage = False
        if chauffage and not avant:
            allumages = allumages + 1
        if chauffage:
            t = t + 0.3
        t = t - 0.02 * (t - 8)
    return allumages, round(t, 1)

print("Sans hysteresis (allumages, temperature finale) :", simuler(0))
print("Hysteresis 0,5 degre :", simuler(0.5))

Atelier 4 — L'assistance d'un vélo électriquefonctions, conditions, calculs

Objectif : Programmer la commande du moteur d'un vélo à assistance électrique en respectant la réglementation.

La fonction puissance_moteur(force, vitesse, niveau) doit renvoyer la puissance du moteur en watts. Exécuter le programme.
Règle 1 : pas d'assistance si le cycliste ne pédale pas (force nulle).
Règle 2 : la puissance vaut force × coefficient, avec un coefficient de 1, 2 ou 3 selon le niveau choisi sur l'IHM (éco, normal, sport).
Règle 3 : la puissance est limitée à 250 W, et l'assistance est coupée au-delà de 25 km/h (réglementation européenne).

velo.py

def puissance_moteur(force, vitesse, niveau):
    # a completer
    return 0

essais = [(0, 15, 2), (60, 12, 1), (60, 12, 3), (120, 20, 3), (80, 26, 3)]
for force, vitesse, niveau in essais:
    p = puissance_moteur(force, vitesse, niveau)
    print(f"force {force} N, {vitesse} km/h, niveau {niveau} -> {p} W")

Sortie

💡 Coup de pouce

Tester d'abord les cas où le moteur est coupé : if force == 0 or vitesse > 25: return 0. Ensuite p = force * niveau, puis if p > 250: p = 250 (ou min(p, 250)).

✅ Une solution

def puissance_moteur(force, vitesse, niveau):
    if force == 0 or vitesse > 25:
        return 0
    p = force * niveau
    if p > 250:
        p = 250
    return p

essais = [(0, 15, 2), (60, 12, 1), (60, 12, 3), (120, 20, 3), (80, 26, 3)]
for force, vitesse, niveau in essais:
    p = puissance_moteur(force, vitesse, niveau)
    print(f"force {force} N, {vitesse} km/h, niveau {niveau} -> {p} W")

Atelier 5 — L'IHM d'une lampe connectéeinput(), while, menus

Objectif : Réaliser une IHM textuelle simple pour piloter deux actionneurs (une lampe et un ventilateur) et lire un capteur.

Exécuter : un menu s'affiche et input() attend le choix de l'utilisateur. Taper 1, puis 4.
Compléter les choix 2 (allumer ou éteindre le ventilateur) et 3 (afficher la température du capteur).
Afficher l'état des deux actionneurs après chaque commande : c'est le retour d'information de l'IHM.
Ajouter un message d'erreur si le choix n'existe pas.

ihm.py

lampe = False
ventilateur = False
temperature = 23.5          # valeur lue par le capteur (simulee)

choix = ""
while choix != "4":
    print("1. Lampe  2. Ventilateur  3. Temperature  4. Quitter")
    choix = input("Votre choix : ")
    if choix == "1":
        lampe = not lampe
        print("Lampe allumee" if lampe else "Lampe eteinte")
    # a completer
print("Au revoir")

Sortie

💡 Coup de pouce

not ventilateur inverse l'état. Pour l'affichage d'état, écrire après les if : print(f"Etat : lampe={lampe}, ventilateur={ventilateur}"). L'erreur se traite dans un else final (attention au choix 4).

✅ Une solution

lampe = False
ventilateur = False
temperature = 23.5          # valeur lue par le capteur (simulee)

choix = ""
while choix != "4":
    print("1. Lampe  2. Ventilateur  3. Temperature  4. Quitter")
    choix = input("Votre choix : ")
    if choix == "1":
        lampe = not lampe
    elif choix == "2":
        ventilateur = not ventilateur
    elif choix == "3":
        print(f"Temperature : {temperature} degres")
    elif choix != "4":
        print("Choix inconnu")
    print(f"Etat : lampe={lampe}, ventilateur={ventilateur}")
print("Au revoir")

6. Exercices corrigés

Chaque exercice est corrigé. Utilise le bac à sable pour écrire et tester tes programmes.

bac_a_sable.py

# Ecris ton programme ici, puis clique sur Executer

Sortie

Exercice 1 — Capteur, actionneur ou IHM ?

Classer chaque élément d'un robot aspirateur : moteur des roues ; capteur de choc ; bouton « Start » ; capteur de vide (escaliers) ; brosse rotative ; application de programmation ; capteur de niveau de batterie ; haut-parleur qui annonce « Batterie faible ».

✅ Corrigé

Capteurs : capteur de choc, capteur de vide, capteur de niveau de batterie. Actionneurs : moteur des roues, brosse rotative, haut-parleur. IHM : bouton « Start », application ; le haut-parleur sert aussi d'IHM puisqu'il informe l'utilisateur.

Exercice 2 — L'algorithme d'un portail automatique

Un portail s'ouvre quand on appuie sur la télécommande. Il se referme 30 secondes après son ouverture complète, sauf si une cellule détecte un obstacle : la fermeture s'arrête alors et le portail se rouvre.
1. Identifier les capteurs, les actionneurs et l'IHM.
2. Écrire l'algorithme en langage naturel.

✅ Corrigé

1. Capteurs : récepteur de la télécommande, cellule photoélectrique, fins de course (portail ouvert ou fermé). Actionneur : moteur (et souvent un feu clignotant). IHM : télécommande, feu clignotant.
2. Répéter indéfiniment : si la télécommande est appuyée, ouvrir jusqu'à la fin de course « ouvert » ; attendre 30 s ; fermer ; pendant la fermeture, si la cellule détecte un obstacle, arrêter et rouvrir ; s'arrêter à la fin de course « fermé ».

Exercice 3 — Lire un programme de commande

Le programme d'un arrosage automatique contient la condition if humidite < 30 and (heure <= 8 or heure >= 20): suivie de la commande de la vanne d'arrosage.
1. Expliquer en français le rôle de chaque partie de la condition.
2. L'arrosage se déclenche-t-il dans les cas suivants : humidité 25 % à 7 h ; 25 % à 14 h ; 60 % à 21 h ; 10 % à 22 h ?

✅ Corrigé

1. L'arrosage ne se déclenche que si le sol est sec (humidité inférieure à 30 %) et qu'il est tôt le matin ou le soir (pour limiter l'évaporation).
2. 7 h, 25 % : arrosage ; 14 h : pas d'arrosage (heure chaude) ; 21 h, 60 % : pas d'arrosage (sol humide) ; 22 h, 10 % : arrosage.

def arrosage(humidite, heure):
    if humidite < 30 and (heure <= 8 or heure >= 20):
        return "arrosage"
    return "pas d'arrosage"

for h, t in [(25, 7), (25, 14), (60, 21), (10, 22)]:
    print(f"{h} % a {t} h : {arrosage(h, t)}")

Exercice 4 — Moyenne glissante

Un capteur de distance d'un robot renvoie des mesures bruitées : [52, 49, 51, 80, 50, 48, 47, 45, 44, 42] (en cm). Pour lisser, le robot utilise la moyenne des 3 dernières mesures.
Écrire un programme qui affiche la moyenne glissante à partir de la 3^e mesure. Le robot doit freiner dès que la distance lissée passe sous 46 cm : à quelle mesure freine-t-il ?

✅ Corrigé

Moyennes : 50,7 ; 60,0 ; 60,3 ; 59,3 ; 48,3 ; 46,7 ; 45,3. Le robot freine à la 9^e mesure (moyenne 45,3 cm). La valeur aberrante 80 a été atténuée par la moyenne mais retarde un peu la détection.

mesures = [52, 49, 51, 80, 50, 48, 47, 45, 44, 42]
for i in range(2, len(mesures)):
    moyenne = (mesures[i - 2] + mesures[i - 1] + mesures[i]) / 3
    print(f"mesure {i + 1} : {moyenne:.1f} cm")
    if moyenne < 46:
        print("Freinage !")
        break

Exercice 5 — Sécurité des objets connectés

Une famille installe une caméra connectée pour surveiller son salon. Elle garde le mot de passe d'origine admin et ne fait jamais les mises à jour.
1. Quels risques cela fait-il courir ?
2. Proposer quatre bonnes pratiques.

✅ Corrigé

1. N'importe qui connaissant le mot de passe par défaut peut regarder les images du salon (vie privée, cambriolage) ; la caméra peut être intégrée à un réseau de machines piratées comme Mirai pour attaquer d'autres sites.
2. Changer le mot de passe par un mot de passe long et unique ; faire les mises à jour ; désactiver l'accès à distance s'il est inutile ; placer les objets sur un réseau Wi-Fi séparé ; couvrir ou couper la caméra quand on est à la maison ; choisir un fabricant qui publie des mises à jour de sécurité.

Exercice 6 — Consommation en veille

Un foyer possède 12 objets connectés qui consomment chacun 2 W en permanence, même quand on ne les utilise pas.
1. Calculer l'énergie consommée en un an (en kWh).
2. Avec un prix de 0,25 € par kWh, quel est le coût annuel ?
3. Pour 30 millions de foyers, comparer à la production annuelle d'un réacteur nucléaire (environ 7 TWh).

✅ Corrigé

1. 12 × 2 = 24 W ; 24 × 24 × 365 = 210 240 Wh ≈ 210 kWh.
2. 210 × 0,25 ≈ 53 € par an.
3. 30 000 000 × 210 kWh ≈ 6,3 × 10⁹ kWh = 6,3 TWh : presque la production annuelle d'un réacteur nucléaire.

kwh = 12 * 2 * 24 * 365 / 1000
print(kwh, "kWh par an")
print(round(kwh * 0.25), "euros par an")
print(kwh * 30000000 / 1e9, "TWh pour 30 millions de foyers")

7. QCM — Teste tes connaissances

Pour chaque question, une seule réponse est correcte. Clique sur tes réponses puis sur Valider mes réponses.

Question 1. Un système embarqué est…

Réponse b. Microcontrôleur intégré à une voiture, un lave-linge, une montre…

Question 2. Lequel de ces éléments est un capteur ?

Réponse c. Un capteur mesure une grandeur physique ; les trois autres sont des actionneurs.

Question 3. Lequel de ces éléments est un actionneur ?

Réponse b. Un actionneur agit sur le monde physique : ici, il chauffe.

Question 4. L'IHM d'un système, c'est…

Réponse b. Boutons, écran, voyants, application, commande vocale…

Question 5. La boucle de contrôle d'un système embarqué consiste à…

Réponse a. C'est la boucle acquérir, traiter, agir.

Question 6. Que produit ce programme ?

t = 18.5
consigne = 19
if t < consigne:
    print("chauffage allume")
else:
    print("chauffage eteint")

Réponse a. 18,5 est inférieur à 19.

Question 7. Que produit ce programme ?

lux = 50
mouvement = True
print(lux < 50 and mouvement)

Réponse b. lux < 50 est faux (50 n'est pas strictement inférieur à 50), donc la conjonction est fausse.

Question 8. Une hystérésis dans un thermostat sert à…

Réponse b. On allume sous consigne − h, on éteint au-dessus de consigne + h.

Question 9. Le système ABS d'une voiture…

Réponse a. Il garde la roue en rotation pour que le conducteur puisse diriger la voiture.

Question 10. L'assistance d'un vélo électrique doit être coupée au-delà de…

Réponse b. C'est la réglementation européenne des vélos à assistance électrique.

Question 11. Pour sécuriser un objet connecté, il faut d'abord…

Réponse b. Les mots de passe par défaut sont connus de tous les pirates.

Question 12. Ordre de grandeur du nombre d'objets connectés dans le monde :

Réponse c. Environ 15 milliards, soit à peu près deux par habitant.

📋 Grille de réponses

1 : b ; 2 : c ; 3 : b ; 4 : b ; 5 : a ; 6 : a ; 7 : b ; 8 : b ; 9 : a ; 10 : b ; 11 : b ; 12 : c.

8. Fiche de synthèse

À retenir — Système embarqué

Ordinateur (microcontrôleur) intégré à un objet, autonome et en temps réel. Un objet connecté communique en plus par un réseau.

À retenir — Capteurs et actionneurs

Les capteurs mesurent (acquisition), le programme décide, les actionneurs agissent (moteur, LED, résistance).

À retenir — Algorithme de contrôle

Boucle infinie : lire, décider avec des conditions, commander, recommencer. L'hystérésis évite les marches/arrêts incessants.

À retenir — Exemples

Thermostat, ABS, vélo électrique (coupure à 25 km/h), éclairage automatique, robot aspirateur.

À retenir — IHM

Boutons, écrans, voyants, application, voix : simple, avec retour d'information et protection contre les erreurs.

À retenir — Enjeux

Sécurité (mot de passe par défaut, mises à jour, Mirai), vie privée, consommation et déchets, mais aussi sécurité routière et santé.