Systèmes d'information et numérique (SIN) : acquisition, traitement, réseaux et programmation

Les notions à connaître

Acquisition et caractéristiques d'un capteur

Le capteur convertit une grandeur physique en signal exploitable, caractérisé par sa relation entré$e/sortie :$ étendue de mesure, sensibilité, résolution, précision, linéarité ; le choix du dispositif dépend de l'objectif. Exemple : un capteur de température de sensibilité $10\,\text{mV}/^{\circ}\!C$ sort $250\,\text{mV}$ à $25\,^{\circ}\!C$ — relation affine facile à exploiter.

Conditionnement : amplification et filtrage

Mise en forme du signal avant conversion : amplification par circuits intégrés spécialisés à gain réglable, et filtre passe-bas du premier ordre pour lisser le signal ou atténuer le bruit au-delà de la fréquence de coupure $f_c = 1/(2\pi RC)$. Exemple : un pont de jauges de contrainte délivre quelques millivolts, amplifiés $1\,000$ fois puis filtrés à $100\,\text{Hz}$ avant le convertisseur.

Conversion analogique-numérique (CAN)

Le CAN échantillonne et quantifie le signal : nombre de bits $N$, valeur pleine échelle $U_{PE}$, quantum $q = U_{PE}/2^N$ (plus petite variation codée) et résolution associée ; sa structure interne n'est pas étudiée. Exemple : sur $10$ bits et $5\,\text{V}$ de pleine échelle, le quantum vaut environ $4{,}9\,\text{mV}$ : deux tensions plus proches sont codées pareil.

Codage de l'information

L'information numérique se code en binaire, hexadécimal (lecture compacte : 4 bits par symbole) ou ASCII pour les caractères ; la compression réduit le volume, mesurée par le taux de compression. Exemple : l'octet $10110100$ en binaire s'écrit $B4$ en hexadécimal et vaut $180$ en décimal — trois écritures d'une même valeur.

Architecture de traitement : microcontrôleur, nano-ordinateur, IoT

Le choix de l'unité de traitement dépend du volume de données, de la puissance de calcul, du besoin de stockage et des interfaces : microcontrôleur (temps réel, faible consommation), nano-ordinateur avec OS (périphériques, calcul), nano-contrôleur connecté pour l'IoT. Exemple : une sonnette vidéo associe un microcontrôleur pour le bouton et la radio, et un nano-ordinateur pour compresser le flux vidéo.

Programmation et mise au point

Python et C++ sont les langages du programme $(HTML/CSS$ et PHP pour les pages web) : structures conditionnelles et itératives, variables typées, fonctions et bibliothèques ; la mise au point s'outille par le débogage pas à pas, les points d'arrêt et l'intégration de programmes. Exemple : un point d'arrêt posé dans la boucle de lecture du capteur permet d'inspecter la variable au moment exact où la valeur aberrante apparaît.

Transmission : liaisons séries, bus et sans-fil

La liaison série transmet bit par bit $(start/stop,$ bit de parité pour détecter les erreurs, débit en bits par seconde) ; les bus (I2C, SPI, CAN, KNX, EnOcean) interconnectent les constituants ; le sans-fil (WiFi, Bluetooth, RF) s'appuie sur des modules intégrés. Exemple : un capteur d'humidité I2C partage le même bus à deux fils que trois autres capteurs, chacun ayant sa propre adresse.

Réseaux : modèle OSI, IPv $4, client/serveur$

Le modèle OSI décrit le réseau en couches, avec encapsulation des données ; l'adressage distingue adresse physique (MAC) et logique (IPv 4), le routage achemine les trames $(TCP/IP,$ UDP) via commutateurs et routeurs ; l'architecture $client/serveur s'$appuie sur serveurs web (AMP), DHCP et DNS. Exemple : quand un élève charge l'ENT, le DNS résout le nom en adresse IP, le routeur du lycée achemine les paquets et le serveur web répond en HTTP.

Les erreurs à éviter en ingénierie, innovation et développement durable

• ✗ Confondre bits et octets dans les calculs de débit.

  ✓ Les débits s'expriment en bits par seconde, les tailles de fichiers souvent en octets : $1\,\text{octet} = 8\,\text{bits}$. Un fichier de $25\,\text{Mo}$ représente $200\,\text{Mbit}$ à transmettre.

• ✗ Croire que le quantum est la précision du capteur.

  ✓ Le quantum $q = U_{PE}/2^N$ est la limite du CONVERTISSEUR ; la précision de la chaîne dépend aussi du capteur, du bruit et du conditionnement. Un CAN 16 bits ne rend pas un capteur médiocre précis.

• ✗ Confondre adresse MAC et adresse IP.

  ✓ L'adresse MAC est physique, unique, gravée dans l'interface ; l'adresse IPv 4 est logique, attribuée (souvent par DHCP) et change selon le réseau. Le commutateur travaille en MAC, le routeur en IP.

• ✗ Utiliser TCP et UDP indifféremment.

  ✓ TCP garantit l'arrivée et l'ordre des paquets (web, fichiers) au prix d'accusés de réception ; UDP envoie sans garantie mais vite (streaming, visioconférence, jeux) : le choix dépend du besoin.

• ✗ Négliger le théorème d'échantillonnage en acquisition.

  ✓ Il faut échantillonner à plus de $2$ fois la fréquence maximale utile du signal, sinon le repliement crée des fréquences fantômes. Le filtre passe-bas anti-repliement se place AVANT le CAN.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Combien vaut l'octet binaire $1011\,0100$ en hexadécimal ?
2. Quel est le rôle du bit de parité dans une liaison série ?
3. Quelle unité de traitement choisir pour un objet à pile devant réagir en temps réel à un capteur, sans écran ni calcul lourd ?
4. Un CAN a $10$ bits et une pleine échelle de $5\,\text{V}$. Quel est son quantum ?
5. Quel protocole choisir pour du streaming vidéo en direct, où la rapidité prime sur la fiabilité ?