Exercices: Domotique, IoT et intelligence artificielle

Expliquer ce qu'est la domotique à l'aide de trois exemples concrets de maison intelligente (volets qui descendent au crépuscule, chauffage qui se met en marche avant votre arrivée, lumières qui répondent à la voix) et dire ce que ces trois exemples ont en commun.

La figure montre une maison avec plusieurs dispositifs domotiques reliés entre eux par un élément central, masqué par un point d'interrogation.

Répondre :

1. a) Nommer l'élément masqué qui se trouve au centre de l'installation.

1. b) Expliquer quelles informations cet élément reçoit des capteurs et quels ordres il envoie aux actionneurs.

1. c) Classer les dispositifs indiqués sur la figure en capteurs et actionneurs.

Classer ces dispositifs domotiques en capteur ou actionneur, et justifier deux d'entre eux : un détecteur de mouvement, un volet roulant motorisé, une caméra, une prise connectée qui coupe ou fournit le courant et un détecteur de fuite d'eau.

Expliquer ce qu'est l'internet des objets (objets du quotidien connectés au réseau : bracelets d'activité, réfrigérateurs, enceintes, ampoules) et ce que ces objets peuvent faire grâce à la connexion et qu'ils ne pouvaient pas faire auparavant.

Citer quatre avantages d'une maison domotique — confort, économies d'énergie, sécurité et accessibilité pour les personnes âgées ou à mobilité réduite — et développer l'un d'eux à l'aide d'un exemple concret.

Expliquer avec vos propres mots comment apprend un système d'intelligence artificielle : de même qu'un jeune enfant apprend ce qu'est un chien en voyant beaucoup de chiens différents, le système apprend à partir d'exemples. De quoi a-t-il besoin en grande quantité pour bien apprendre ?

Décrire la chaîne complète lorsque vous demandez quelque chose à un assistant vocal : voix → conversion en texte → compréhension de l'ordre → action → réponse. Indiquer à quelle étape une erreur peut survenir en cas de bruit ou d'accent peu courant.

Dire si ces affirmations sont vraies ou fausses et justifier chaque réponse : (a) l'internet des objets n'existe qu'à l'intérieur des maisons ; (b) un dispositif « intelligent » décide toujours mieux qu'une personne ; (c) les capteurs d'une maison domotique enregistrent des données même si personne ne les regarde ; (d) une ampoule connectée peut recevoir des ordres depuis un autre pays.

La figure montre comment apprend une intelligence artificielle domestique : pendant des semaines, elle enregistre quand les lumières s'allument, quand les volets descendent et la température de la maison.

Expliquer ce que le système aura appris pour faire la prédiction masquée (anticiper les habitudes : par exemple, chauffer la maison juste avant l'arrivée de la famille), pourquoi il a besoin de nombreux exemples de jours différents et quel risque présente l'enregistrement aussi détaillé de la vie d'un foyer.

Comparer un thermostat programmable (qui suit des horaires fixes) et un thermostat intelligent (qui apprend quand vous êtes à la maison). Expliquer quelles données utilise le second, quelle économie il réalise en ne chauffant pas une maison vide et ce qui se passe si vos habitudes changent brusquement, comme pendant les vacances.

Vous voulez entraîner un système à distinguer le chien du chat de la famille sur la caméra du salon. Expliquer quels exemples vous lui donneriez (de nombreuses photos étiquetées de chacun, dans différentes postures et sous différents éclairages), ce que le système en apprendrait et pourquoi il se tromperait si vous ne lui montriez que des photos prises de jour.

Un « scénario » domotique appelé « quitter la maison » éteint les lumières, baisse les volets et active l'alarme en une seule commande. Expliquer ce qu'est un scénario, quel avantage il y a à regrouper des actions et concevoir un autre scénario appelé « nuit » comportant au moins quatre actions ordonnées.

Une enceinte intelligente est toujours à l'écoute de son mot d'activation et une caméra d'intérieur filme le salon. Analyser quelles données sortent de cette maison et où elles vont (les serveurs du fabricant), ce que signifie « le micro ne s'active qu'avec le mot-clé » et quels réglages vous vérifieriez avant de les installer.

Une maison comporte dix appareils connectés qui consomment en moyenne $2\ \text{W}$ chacun en veille, $24$ heures par jour. Calculer la consommation quotidienne et annuelle en kWh et son coût annuel à $0{,}15\ \text{€}$ le kWh, et évaluer si ce « péage permanent » est justifié selon l'usage qu'on en fait.

Internet est coupé dans une maison domotique. Analyser quelles fonctions continuent de fonctionner (celles que décide la centrale en local : horaires, scénarios de base) et lesquelles s'arrêtent (ordres depuis le téléphone hors de la maison, assistants vocaux dans le cloud), et expliquer ce que signifie concevoir un système « résistant aux pannes de réseau ».

Votre famille achète une ampoule d'une marque, une prise d'une autre et une enceinte d'une troisième, et elles ne se comprennent pas entre elles. Expliquer ce qu'est un standard ou protocole commun, pourquoi les marques mettent du temps à l'adopter et ce que vous regarderiez sur la boîte avant d'acheter le dispositif suivant.

Votre grand-mère de 78 ans vit seule. Elle se réveille habituellement entre 7 h 30 et 8 h 30 pour prendre son petit-déjeuner et ses médicaments. Elle veut conserver son indépendance sans se sentir surveillée par des caméras ni des micros. Concevoir un système domotique de téléassistance non invasif :

1. a) Choisir trois types de capteurs différents (sans capture d'image ni de son) et préciser leur emplacement stratégique dans la maison.
2. b) Écrire l'algorithme ou l'algorigramme logique (en utilisant des conditions SI... ET... ALORS...) pour que le système soit capable de distinguer une matinée normale, un simple retard au lever et une possible chute dans la salle de bains.
3. c) Justifier quels seuils de temps vous attribueriez à chaque alerte et qui doit recevoir les différents avertissements pour garantir la sécurité sans générer de fausses alarmes ni porter atteinte à son intimité.

Un modèle d'intelligence artificielle a été entraîné pour commander l'arrosage automatique d'un potager scolaire au printemps, à partir de mesures de l'humidité du sol, de la température ambiante et du rayonnement solaire. Au début de l'été survient une vague de chaleur soudaine (températures de 41,5 °C) accompagnée d'un orage court mais très violent (15 minutes de pluie torrentielle qui inonde la surface sans pénétrer en profondeur).

1. a) Prévoir deux décisions erronées que l'IA pourrait prendre dans cette situation anormale si son entraînement ne comportait pas de phénomènes extrêmes.
2. b) Expliquer comment le biais des données d'entraînement influe sur les erreurs prévues.
3. c) Concevoir une règle de sécurité prioritaire (indépendante de l'IA) qui bloque le système pour éviter que les plantes ne meurent d'asphyxie racinaire ou de stress thermique.

Une famille achète un thermostat intelligent et une serrure électronique gérés entièrement via le cloud d'une jeune entreprise. Au bout de deux ans, l'entreprise fait faillite et déconnecte définitivement ses serveurs.

1. a) Analyser les conséquences techniques et de sécurité que subira le logement après l'arrêt du service (effet « dispositif inutilisable » ou « brickage »).
2. b) À partir des enregistrements collectés par le thermostat (températures souhaitées, heures d'activation, géolocalisation des téléphones associés), déduire quelles informations privées sur les habitudes de la famille sont exposées si la base de données est liquidée et vendue à des tiers.
3. c) Justifier pourquoi une architecture domotique locale (avec un concentrateur ou hub dans le logement) offre une meilleure résilience et une meilleure confidentialité qu'une solution dépendant à 100 % du cloud.

Un cybercriminel parvient à accéder au réseau domestique d'un logement en compromettant une ampoule wifi bon marché dont le firmware n'a jamais été mis à jour.

1. a) Expliquer le principe technique par lequel un dispositif aussi élémentaire peut servir de point d'entrée (pivoting) pour intercepter le trafic de données des ordinateurs ou des téléphones de la maison s'ils partagent le même réseau.
2. b) Concevoir une proposition de configuration réseau pour la box internet (par segmentation en sous-réseaux, VLAN ou réseau invité) qui isole les objets connectés (IoT).
3. c) Justifier pourquoi l'utilisation de protocoles domotiques spécifiques en maillage (comme Zigbee ou Z-Wave reliés à une passerelle) réduit la surface d'attaque par rapport à la connexion directe de 30 appareils en wifi.

Vous voulez programmer dans le contrôleur domotique une routine de « simulation de présence » pendant deux semaines de vacances en famille.

1. a) Un voisin vous propose : « Programme la lumière du salon pour qu'elle s'allume à 20 h et s'éteigne à 23 h pile tous les jours, et baisse les volets à 21 h ». Critiquer techniquement cette proposition et expliquer pourquoi un observateur extérieur détecterait facilement que le logement est vide.
2. b) Concevoir un algorithme réaliste qui coordonne au moins trois types d'actionneurs différents (éclairage réparti, volets roulants motorisés, enceintes ou télévision), en intégrant des retards pseudo-aléatoires et des lectures de capteurs de luminosité extérieure.
3. c) Identifier deux indices physiques extérieurs étrangers à la domotique (comme le compteur d'eau ou l'accumulation du courrier) qui trahiraient l'absence et proposer comment résoudre ou atténuer au moins l'un d'eux.

Évaluer le bilan énergétique mensuel d'un logement équipé de domotique :

• Consommation propre du système : 1 contrôleur central de 4,5 W en consommation continue ; 10 prises/relais connectés de 0,8 W chacun en veille ; et 4 capteurs connectés en permanence consommant 0,5 W chacun.

• Économie obtenue : automatiser le chauffe-eau électrique (1500 W) pour qu'il ne maintienne pas l'eau chaude pendant 5 heures creuses par jour pendant lesquelles personne ne l'utilise, réduisant son temps de chauffe effectif de 1,2 heure par jour ; et réduire l'usage inutile du chauffage (2000 W) de 40 minutes par jour grâce à la détection des fenêtres ouvertes et de la présence.

1. a) Calculer l'énergie totale consommée par mois (30 jours) uniquement par le fonctionnement des équipements domotiques, en kWh.
2. b) Calculer l'énergie totale économisée par mois, en kWh, grâce aux automatisations du chauffe-eau et du chauffage.
3. c) Déterminer le bilan net mensuel en kWh et en euros (à un prix moyen de 0,16 €/kWh). Conclure si l'installation représente une économie réelle ou une consommation parasite injustifiée.

Le moniteur d'énergie d'un logement enregistre en continu la puissance active appelée (kW). Pendant la nuit (de 01:00 à 06:00), la consommation de base normale oscille de façon rythmée entre 0,08 kW et 0,22 kW en raison des cycles du compresseur du réfrigérateur.

• Cas A : un mardi à 02:40, la consommation monte soudainement à 2,4 kW et reste constante, sans baisser, pendant quatre heures d'affilée.

• Cas B : pendant trois nuits consécutives, la consommation nocturne ne redescend plus de façon cyclique : elle reste bloquée en permanence à 0,38 kW.

1. a) Interpréter les données et formuler une hypothèse technique argumentée pour chaque cas sur le dispositif ou l'anomalie physique (panne, fuite, défaut d'isolation ou élément allumé) qui provoque cette courbe.
2. b) Concevoir le protocole d'action automatique que le système domotique devrait exécuter pour le cas A avant d'alerter l'utilisateur, en justifiant quels actionneurs il mobiliserait pour prévenir un accident grave.

Une famille avec deux enfants adolescents décide d'installer chez elle trois assistants virtuels avec enceinte et micro.

1. a) Choisir en argumentant deux pièces de la maison où leur installation est techniquement fonctionnelle et sûre, et deux pièces où vous déconseilleriez totalement de les placer, en justifiant votre critère à partir des risques pour la vie privée, des déclenchements involontaires ou de l'acoustique.
2. b) Un membre de la famille affirme : « L'enceinte n'enregistre ni n'envoie rien sur internet tant qu'on n'a pas prononcé le mot-clé à voix haute ; avant cela, le micro est inactif ». Réfuter cette affirmation avec des arguments techniques en expliquant le fonctionnement de l'écoute passive locale (wake word engine) et les risques d'activation accidentelle.
3. c) Rédiger trois règles de sécurité numérique et de configuration interne indispensables à appliquer sur le compte administrateur pour éviter les achats non désirés, les accès aux données bancaires ou le stockage indéfini des enregistrements vocaux.

Défi du thème. Une climatisation intelligente et efficace chez vous.

Concevoir une proposition de système domotique et IoT qui régule la température de votre chambre de façon efficace, en intégrant des microcontrôleurs et des notions d'intelligence artificielle.

1. Obtention de données réelles : Consulter sur le site de Météo-France les prévisions horaires de température de votre commune pour demain. Relever dans un tableau les températures prévues entre $12,0\text{ h}$ et $18,0\text{ h}$.

2. Architecture de commande et IA : Dessiner le schéma fonctionnel de votre système en boucle fermée, en identifiant le capteur, le microcontrôleur, les actionneurs et la rétroaction. Ajouter une règle logique où un algorithme d'IA apprend de vos habitudes pour anticiper l'allumage avant que la température ne descende sous $19,5\text{ }^{\circ}\text{C}$.

3. Simulation virtuelle : Modéliser dans Tinkercad Circuits ou MakeCode pour micro:bit le circuit de commande : un capteur de température ($TMP36$ ou intégré) et deux actionneurs (par exemple, une DEL bleue pour le refroidissement et une rouge pour le chauffage). Programmer le code qui exécute la logique.

4. Production finale : Rendre un bref rapport (une page) avec le tableau de données de Météo-France, le schéma fonctionnel, la capture ou le lien du circuit programmé et une courte explication de la façon dont les données seraient envoyées dans le cloud via l'IoT.

Seront évalués :

• L'identification précise des éléments du système de commande en boucle fermée.

• Le bon fonctionnement de l'algorithme et de la simulation avec le microcontrôleur.

• La cohérence de la justification de l'usage de l'IoT et de l'IA à partir des données réelles de Météo-France.