Les capteurs et objets connectés : cours de Bac pro CIEL

Autour de toi, des objets mesurent en permanence : un détecteur de fumée, une montre, un compteur d'eau, un thermostat. Chacun contient un petit système électronique qui perçoit le monde réel, décide à l'aide d'un microcontrôleur, puis communique ou agit. Dans la filière CIEL, tu es amené à installer, configurer, programmer et surtout sécuriser ce type de matériel. Ce cours relie donc trois blocs que tu connais déjà : les composants électroniques, les signaux analogiques et numériques, et les microcontrôleurs.

Le fil conducteur est une chaîne d'information : une grandeur physique est mesurée, convertie en signal électrique, numérisée, traitée, puis transmise sur un réseau. À chaque maillon, une question technique se pose : quelle précision ? quelle consommation ? quelle distance ? quel débit ? Savoir répondre à ces questions, c'est savoir choisir et dimensionner un objet connecté.

On classe les capteurs selon la grandeur qu'ils observent. Voici les familles qu'on rencontre le plus souvent dans les ressources officielles et dans les installations réelles.

Le capteur de température. Il relève la température de l'air ambiant ou celle d'un objet ¹. On le trouve dans un thermostat, une chaîne du froid, un onduleur dont on surveille l'échauffement. Sa sortie varie de façon continue : c'est le cas typique d'une grandeur analogique.

Les capteurs de détection d'objet. Les technologies infrarouges, les ultrasons et les radars permettent de repérer un objet. Quand il est détecté, le capteur émet un signal électrique correspondant ¹. Ici, la sortie est souvent de type tout ou rien (objet présent ou absent), donc proche d'un signal numérique.

Le capteur à ultrasons. Il émet des ondes sonores et mesure ce qui lui revient, ce qui renseigne sur la distance entre lui et un objet situé dans son champ ¹. Tu verras plus loin comment on transforme cette mesure en distance par un calcul.

Un microcontrôleur ne comprend que des nombres. Entre le capteur et lui, le signal subit plusieurs opérations que tu as vues dans le chapitre sur les signaux analogiques et numériques.

Cette définition met en avant deux familles de constituants. Les capteurs remontent de l'information. Les actionneurs (relais, moteur, électrovanne, buzzer, voyant) produisent un effet physique sur ordre. Un thermostat connecté montre bien les deux : un capteur de température renseigne, un relais commande la chaudière.

Prenons le détecteur de fumée connecté, qu'évoquent les ressources officielles ². Il contient un capteur de fumée, une électronique de traitement, un buzzer (actionneur local) et un module radio qui prévient un smartphone ou une centrale. Si le détecteur tombe en panne de batterie sans prévenir, la fonction de sécurité disparaît : on comprend pourquoi son autonomie est une exigence de premier rang.

Les données ne restent pas toujours locales. Une plateforme de gestion peut les collecter, les héberger, les traiter et les afficher. Certaines plateformes permettent même de choisir des objets et des capteurs dans un catalogue, quel que soit le protocole de communication utilisé (LoRa, SMS, MQTT, REST) ⁴. Pour toi, retiens que l'objet n'est qu'un maillon : derrière, il existe un service qui exploite ce qu'il envoie.

La connexion des objets entre eux et avec le Web repose sur de nombreuses technologies. On va des réseaux à très bas débit, comme LoRa et Sigfox, jusqu'aux liaisons à haut débit : Wi-Fi, 4G, 5G ou satellite. Un réseau filaire reste parfois utilisé ⁴. Certaines constellations de satellites autorisent même une liaison directe entre un capteur et un smartphone, ou avec le Web ⁴.

Prenons le bas débit. Objenious, par exemple, a choisi de ne couvrir que ces objets : ils transmettent des messages très courts, à propos de l'environnement, de la position ou de l'usage de biens, grâce à leurs capteurs ⁴. Un envoi ne pèse que quelques octets, et il part soit à intervalles réguliers, soit quand un événement survient. La qualité la plus recherchée est donc la sobriété énergétique : certains capteurs sont installés en des endroits peu accessibles, et y remplacer ou recharger une batterie est une opération délicate ⁵.

Le NB-IoT en est un exemple. Il n'a besoin que de 180 kHz de bande passante, ce qui lui permet de s'installer dans un canal GSM de 200 kHz. Il convient à de grands parcs de capteurs fixes qui échangent peu de données, comme les compteurs d'eau ou d'électricité connectés, ou l'agriculture ⁵.

Ces deux grandeurs sont liées. Pour émettre plus loin, la radio doit souvent dépenser davantage d'énergie ; pour tenir plus longtemps, on réduit la puissance, on espace les envois, on passe le microcontrôleur en veille entre deux mesures. Les objets envoient des messages réguliers, par exemple pour signaler une présence, ou sporadiques, comme une alarme ². Le profil d'envoi change donc la consommation moyenne.

Dans ta formation, la sécurité n'est pas une option ajoutée en fin de projet. Chaque objet relié à un réseau constitue un point d'entrée possible : plus il y a d'objets, plus il y a de surface à protéger. Les raisonnements ci-dessous sont des démarches d'analyse, à appliquer à toute installation.

L'autonomie limitée crée une contrainte supplémentaire : un chiffrement lourd consomme de l'énergie, et un objet très économe n'a pas toujours la puissance de calcul nécessaire. Le choix d'une protection relève donc d'un compromis entre sécurité, consommation et coût, que tu documentes dans ton dossier technique.

Au baccalauréat professionnel, on te demande souvent d'analyser un système réel à partir d'un dossier technique. Voici une démarche utilisable à chaque fois.