• De quoi un appareil connecté est-il composé?
• Comment faire pour qu'il communique?
• Pour qu'il marche pendant des années?

Voici les questions auxquelles on apporte quelques éléments. Derrière chaque appareil connecté se cache un système électronique embarqué. On en trouve depuis des décennies dans les objets du quotidien. Un appareil connecté est un système embarqué avec un composant en plus, souvent une puce radio, qui permet de communiquer avec le monde extérieur. Grâce à l'invention des transistors, de nouveaux composants, comme les circuits intégrés, ou CI, ont fait leur apparition. Ces CI gèrent des fonctions plus ou moins complexes. En multipliant les CI, nous fabriquons des appareils électroniques appelés “systèmes embarqués”.

Le premier ordinateur, ENIAC, construit en 1945, pesait 30 tonnes et occupait plus de 130 m². 30 ans après, des CI de quelques centimètres et quelques grammes offrent la même puissance de calcul. Un système embarqué est généralement dédié à un appareil, comme une machine à laver, une voiture, un avion… Les systèmes embarqués sont donc monotâches, contrairement aux ordinateurs, qui passent facilement d'une application à une autre.

Afin de garantir une utilisation optimale, un système embarqué fonctionne souvent en temps réel: chaque opération est garantie et limitée dans le temps. Dans certains cas d'utilisation, cette notion est primordiale, comme pour l'aide à la conduite d'une voiture, ou le pilotage automatique d'un avion.

Regardons ensemble l'architecture interne d'un système embarqué. Sa pièce principale est le microcontrôleur ou MCU¹⁾, qui coordonne le flux de données entre le processeur, la RAM, la ROM et les périphériques. Comparé à un appareil avec des composants séparés, un système embarqué avec microcontrôleur optimise la taille, la consommation d'énergie, la production de chaleur et le prix.

Afin de rendre un appareil connecté opérationnel, il faut un micrologiciel stocké en permanence sur la ROM, et ce même si le système est éteint. La RAM stocke des variables volatiles lorsqu'elle est allumée. On peut ajouter de la ROM pour sauvegarder les données utilisateur de façon permanente, par exemple, pour un enregistreur de données. Quand elle sort de l'usine, la ROM du microcontrôleur est vierge. Il faut un composant spécial afin de reprogrammer le micrologiciel de l'objet. Ce composant est une sonde JTAG, qui permet aux utilisateurs de mettre leur propre application sur le système embarqué.

Les différents bus de données locales permettent de connecter le microcontrôleur aux différents périphériques: capteurs, actionneurs, puces radio et écrans. Ils diffèrent principalement en termes de vitesse, de synchronisme, d'approche maître-esclave.

Voyons comment spécialiser un appareil connecté avec des capteurs et des actionneurs. Les capteurs et les actionneurs sont propres à l'application de l'appareil.

• Un capteur est un composant qui peut mesurer un paramètre physique externe, comme la température ou l'humidité.
• Un actionneur génère une action afin de modifier l'état d'un appareil électronique ou mécanique, comme une ampoule ou un ventilateur, par exemple.

Comme ils sont généralement intégrés à l'appareil, soudés à l'appareil, il est difficile de changer les capteurs une fois installés.

L'alimentation électrique fournit le courant et régule le voltage du microcontrôleur et de différents composants. En général, le système est doté d'une batterie ou d'une entrée de CC. Pour des appareils autonomes en énergie, on peut utiliser un panneau solaire ou une éolienne, ce qui permet de recharger la batterie indéfiniment.

Pour un appareil connecté, le système embarqué a besoin d'un composant supplémentaire, une puce de communication qui permet de communiquer avec le monde extérieur. Différents types de technologie peuvent transmettre des données. On peut penser aux communications radio, filaires, etc. On peut aussi utiliser l'infrarouge, et même la lumière. Il est essentiel d'utiliser une technologie appropriée en termes de débit et de consommation d'énergie. Une fois que le design du système embarqué est terminé et que la technologie radio est choisie, plusieurs facteurs, liés à la programmation de l'appareil connecté, vont influencer la consommation d'énergie.

Partout où c'est possible, il est conseillé de diminuer la fréquence d'échantillonnage des capteurs ou de limiter l'utilisation d'actionneurs. On peut aussi passer en sommeil profond, un mode du microcontrôleur qui limite ses fonctionnalités afin de consommer le moins d'énergie possible.

Après l'écran, la puce de communication est généralement le composant qui consomme le plus d'énergie. Grâce à la transmission radio, on peut économiser beaucoup d'énergie en limitant la fréquence d'utilisation de la puce radio en mode transmission, ou en limitant le temps d'écoute de la puce radio en mode réception. Maintenant que vous avez toutes ces informations, à vous de concevoir vos propres appareils connectés.