Exercices: Éléments et protocoles de communication

Expliquer avec vos propres mots ce qu'est l'internet des objets et décrire deux exemples d'objets connectés que vous connaissez, en indiquant quelles données ils envoient ou reçoivent.

Tout système IoT combine quatre éléments : capteurs, actionneurs, connectivité et application. Expliquer ce qu'apporte chacun au système et donner un exemple concret de chaque élément dans un logement intelligent.

La figure montre l'architecture d'un système IoT qui surveille l'humidité d'une plante : le capteur envoie les données par Wi-Fi jusqu'au réseau et la personne les consulte dans une application du téléphone, mais l'un des éléments est masqué par un point d'interrogation, comme le montre la figure.

Indiquer quel élément manque dans la chaîne et quelles fonctions il remplit (stocker et traiter les données, être accessible de n'importe où…). Ensuite, décrire le parcours complet d'une donnée depuis la plante jusqu'à l'écran du téléphone.

Expliquer ce qu'est un capteur et décrire trois capteurs courants dans les dispositifs IoT (température, humidité, lumière, mouvement, distance…), en indiquant ce que mesure chacun.

Expliquer ce qu'est un actionneur et décrire trois actionneurs d'un logement intelligent (relais de prise, serrure motorisée, vanne d'arrosage), en indiquant quelle action réalise chacun.

Expliquer avec vos propres mots ce qu'est une adresse IP et pourquoi chaque appareil connecté à un réseau a besoin d'une adresse unique (elle fonctionne comme l'adresse postale de l'appareil au sein du réseau).

Qu'est-ce que l'appairage (pairing) Bluetooth ? Décrire une situation dans laquelle vous l'avez utilisé et quelle sécurité apporte le fait que deux appareils doivent être appairés avant de communiquer.

Dans une application de jardin intelligent, la donnée « humidité 38 % » et le message « arrosez cet après-midi » ne sont pas la même chose. Expliquer la différence entre donnée et information, et quelle partie du système transforme la première en la seconde.

Comparer le Wi-Fi et le Bluetooth comme protocoles pour un dispositif IoT (portée, consommation d'énergie, débit, besoin d'un réseau) et justifier lequel vous choisiriez pour : (a) un bracelet d'activité qui se synchronise avec le téléphone et (b) une caméra de sécurité qui envoie de la vidéo en temps réel.

Analyser un thermostat intelligent : identifier quelles données il capte, où elles sont traitées (dans l'appareil lui-même ou dans le cloud), quelles décisions il prend automatiquement et ce que l'utilisateur voit et peut commander depuis l'application.

Un agriculteur veut installer vingt capteurs d'humidité du sol répartis dans un champ où il n'y a pas de couverture Wi-Fi. Proposer une solution de connectivité raisonnable (réseau longue portée et basse consommation, passerelle intermédiaire…) et justifier votre choix par rapport à l'usage du simple Wi-Fi ou du Bluetooth.

Choisir et justifier la connectivité (Wi-Fi, Bluetooth ou données mobiles) pour : (a) une montre de sport qui se synchronise avec le téléphone, (b) une sonnette vidéo qui envoie l'image en direct et (c) un traceur de vélo qui peut se trouver loin de la maison. Évaluer dans chaque cas la portée, la consommation de la batterie et le coût des données.

Un capteur alimenté par piles ne peut pas transmettre en continu sans les épuiser. Expliquer deux stratégies d'économie d'énergie en IoT (mettre l'appareil en veille entre les mesures, envoyer des résumés à intervalles réguliers plutôt qu'à chaque lecture) et ce que l'on perd avec chacune (immédiateté, niveau de détail).

Certains capteurs ne se connectent pas directement à internet, mais à une passerelle (gateway) qui parle pour eux. Expliquer ce qu'est une passerelle IoT, quand elle est nécessaire (capteurs à protocoles basse consommation sans IP propre, installations comportant de nombreux capteurs) et quel avantage de gestion elle apporte.

Analyser une enceinte avec assistant vocal : quel traitement a lieu dans l'appareil lui-même (détecter le mot d'activation) et lequel dans le cloud (comprendre la demande et y répondre), et quelles fonctions ne sont plus disponibles lorsque la connexion à internet est coupée.

Une caméra IP est livrée avec le mot de passe d'usine « admin/admin ». Analyser le risque concret de ne pas le changer (les listes de mots de passe par défaut circulent sur internet et les appareils sont repérés grâce à des moteurs de recherche spécialisés) et décrire deux mesures de sécurité de base pour tout dispositif IoT domestique.

Dans une serre de lycée automatisée, on constate que les plantes souffrent de champignons parce que le système arrose sans discernement chaque fois que l'humidité du sol descend sous 30 %, même la nuit ou en cas de forte humidité ambiante, et qu'une coupure ponctuelle du Wi-Fi a provoqué une inondation, la vanne étant restée ouverte. Reconcevoir le système IoT : 1) Sélectionner et justifier quels capteurs supplémentaires il faut ajouter en plus de celui de l'humidité du sol. 2) Concevoir un algorithme de contrôle logique avec des conditions composées (humidité du sol, humidité ambiante, température et plage horaire) pour optimiser l'arrosage et éviter les maladies des plantes. 3) Justifier de façon argumentée si la décision d'ouvrir ou de fermer l'électrovanne doit être exécutée sur le microcontrôleur local (edge computing) ou sur un serveur dans le cloud afin de garantir la sécurité de l'installation en cas de coupure du réseau.

Lors d'un audit de sécurité d'un logement domotique équipé de caméras IP, d'enceintes intelligentes et de prises connectées, trois incidents sont détectés : une caméra émet un flux vidéo continu vers l'extérieur en utilisant des identifiants d'usine non chiffrés ; une enceinte envoie dans le cloud des enregistrements captés lors de fausses activations ; et une prise compromise permet à un attaquant présent sur le réseau Wi-Fi d'intercepter le trafic local. Analyser le vecteur d'attaque exploitant chaque vulnérabilité et concevoir une stratégie technique d'atténuation incluant la segmentation du réseau (VLAN ou sous-réseaux séparés), des politiques d'authentification et de chiffrement, et des réglages de configuration physique ou logique pour neutraliser les trois risques.

Une entreprise propose d'installer dans un lycée un système d'alarme incendie et de contrôle environnemental entièrement dépendant du cloud : les capteurs de fumée et de CO2 envoient leurs mesures par Wi-Fi à un serveur distant, qui traite les données et renvoie aux actionneurs l'ordre de faire sonner les sirènes et d'ouvrir des trappes. Réfuter techniquement cette proposition en évaluant les risques de latence, de disponibilité du réseau et de points uniques de défaillance en situation d'urgence. Ensuite, concevoir une architecture hybride (edge computing et cloud computing) en détaillant quelles fonctions précises doivent obligatoirement s'exécuter en local en temps réel et lesquelles doivent être déléguées au cloud, en justifiant la répartition des tâches.

Dans une salle de classe de 30 élèves, on veut automatiser la surveillance du CO2 et la ventilation mécanique. Si l'on programme un seuil fixe de 800 ppm, le système allume et éteint l'extracteur en permanence chaque fois que la concentration oscille entre 795 et 805 ppm, ce qui provoque un bruit gênant et une usure prématurée du moteur. 1) Concevoir une logique de contrôle avec hystérésis (établir deux seuils justifiés : l'un d'activation et l'autre de désactivation) pour résoudre ce problème. 2) Justifier le choix du type de capteur (technologie optique NDIR plutôt que capteurs électrochimiques MOX bas coût) en fonction de la sélectivité des gaz et de la stabilité des mesures. 3) Évaluer quelle technologie de connectivité (Wi-Fi, Zigbee ou Bluetooth LE) est la plus adaptée si le capteur doit être placé au centre de la salle et alimenté par une batterie devant durer toute l'année scolaire.

Un collier de localisation pour animaux possède une batterie de 800 mAh. Avec le récepteur GPS allumé en continu (consommation de 35 mA) et un modem 4G envoyant des données toutes les 20 secondes (consommation moyenne de 65 mA), l'appareil s'éteint en moins de 9 heures. Concevoir une stratégie technique pour obtenir une autonomie minimale de 20 jours sans augmenter la taille de la batterie : 1) Proposer une architecture de fonctionnement fondée sur des modes de veille profonde (deep sleep) combinée à un capteur basse consommation qui ne réveille le microcontrôleur que lorsque c'est nécessaire. 2) Justifier le remplacement de la connectivité 4G classique par un réseau LPWAN (comme NB-IoT ou LoRaWAN), en analysant le compromis entre débit de données, consommation et couverture. 3) Analyser quelles concessions il faut accepter sur la précision de la trajectoire si l'animal s'égare.

Le contrat d'un nouvel assistant vocal IoT indique que l'appareil enregistre et envoie au serveur des fragments audio de façon périodique pour « entraîner des algorithmes de reconnaissance acoustique et améliorer l'expérience utilisateur ». En tant que responsable de la vie privée et de la conception technologique : 1) Analyser la différence technique entre le traitement local du mot d'activation (wakeword) dans la puce de l'appareil et l'envoi direct du flux audio vers le cloud, en évaluant les risques de fuite de conversations privées ou de données de mineurs. 2) Concevoir trois exigences techniques rigoureuses (au niveau du matériel, du chiffrement et des politiques de conservation des données) que vous imposeriez au fabricant pour éviter la surveillance passive sans consentement avant d'autoriser son achat.

Un utilisateur possède des ampoules qui ne fonctionnent que via l'application cloud du fabricant A, des prises Zigbee dépendant d'une passerelle propriétaire B, et des détecteurs de présence Wi-Fi du fabricant C qui n'acceptent aucune intégration externe. 1) Expliquer sur le plan technique pourquoi il est impossible d'exécuter une règle directe et locale du type « si le capteur C détecte un mouvement, allumer l'ampoule A uniquement si la prise B est active ». 2) Analyser les problèmes de latence, de sécurité et d'obsolescence que génère la dépendance à des plateformes multi-cloud par rapport à l'usage de standards universels unifiés (comme Matter sur des réseaux Thread ou des passerelles locales ouvertes). 3) Définir les trois critères techniques d'interopérabilité et de compatibilité de protocoles que l'utilisateur doit exiger avant d'acheter tout nouvel appareil pour garantir son intégration complète.

Sur une exploitation agricole de 5 km², on installe 50 nœuds capteurs d'humidité et de température alimentés par batterie. Chaque nœud transmet un paquet de 100 octets toutes les 10 minutes. On compare l'usage du Wi-Fi classique à celui d'un réseau LPWAN (comme LoRaWAN dans la bande de 868 MHz). 1) Calculer le volume total de données généré par l'ensemble du réseau en une journée (en ko) et en un mois de 30 jours (en Mo). 2) Sachant que la réglementation européenne à 868 MHz impose un rapport cyclique (« duty cycle ») maximal de 1 % (le nœud ne peut pas émettre plus de 1 % du temps), démontrer numériquement si un nœud qui met 450 ms à moduler et émettre son paquet respecte la légalité en transmettant toutes les 10 minutes. 3) Justifier techniquement pourquoi un réseau LPWAN est supérieur à un réseau Wi-Fi pour ce déploiement précis, en évaluant la topologie, la portée, la pénétration dans la végétation et l'autonomie énergétique.

Défi du thème. Comment optimiseriez-vous le confort thermique de votre logement grâce à l'IoT sans faire exploser la consommation électrique ? Concevoir une proposition domotique connectée fondée sur des données réelles.

1. Recueil de données réelles : Consulter le site de Météo-France ou de RTE et relever dans LibreOffice Calc la température extérieure ou le coût horaire de l'électricité dans votre région pendant une journée représentative (au moins 6 relevés, par ex. $0,16$ €/kWh).

2. Éléments du système : Définir l'architecture IoT en identifiant les capteurs (température/humidité), les actionneurs (relais pour chaudière ou vannes thermostatiques) et le nœud de traitement (par ex. ESP32 ou micro:bit simulée dans MakeCode).

3. Protocoles de communication : Justifier de façon argumentée les protocoles choisis pour la couche physique/liaison (Zigbee ou Wi-Fi) et pour la couche application (MQTT ou HTTP), en analysant la latence, la couverture et l'efficacité énergétique.

4. Proposition technique : Rédiger un court rapport (deux pages) avec le schéma fonctionnel du flux de données et la logique de contrôle activée selon vos données réelles (par ex. allumer si $T < 19,5\text{ }^\circ\text{C}$ et tarif réduit).

Seront évalués :

• L'identification précise et cohérente des éléments de capture, de contrôle et d'action.

• La justification technique et comparative rigoureuse des protocoles de communication.

• L'application logique et argumentée des données réelles aux règles de contrôle.

• La qualité formelle, la structure et la clarté du rapport technique final.