Chaine d'Information
Acquerir, traiter et communiquer l'information
Objectifs pedagogiques
- Identifier les trois fonctions de la chaine d'information
- Connaitre les principaux types de capteurs et leurs caracteristiques
- Comprendre le role des microcontroleurs et automates programmables
- Distinguer les differents protocoles de communication
- Analyser la chaine d'information de systemes reels (drone, domotique...)
1. Qu'est-ce que la chaine d'information ?
La chaine d'information represente le flux d'informations au sein d'un systeme technique. Elle est complementaire de la chaine d'energie et permet au systeme d'etre "intelligent" en traitant des donnees pour prendre des decisions et adapter son comportement.
Prenons l'exemple d'un drone quadricoptere. Pour voler de maniere stable, il doit constamment mesurer son orientation (gyroscope, accelerometre), calculer les corrections necessaires (microprocesseur) et envoyer les commandes aux moteurs. Sans cette chaine d'information, le drone serait incontrolable.
Definition : La chaine d'information decrit le cheminement des informations dans un systeme, depuis leur acquisition par des capteurs jusqu'a leur communication vers l'utilisateur ou d'autres systemes, en passant par leur traitement.
Avec le developpement de l'Internet des Objets (IoT) et de la domotique, la chaine d'information prend une importance croissante. Les systemes modernes sont de plus en plus "connectes" et capables de communiquer entre eux pour optimiser leur fonctionnement global.
2. Les trois fonctions de la chaine d'information
La chaine d'information se decompose en trois fonctions principales :
ACQUERIR
Collecter des donnees du monde physique et les convertir en signaux exploitables.
Composants : Capteurs de temperature, pression, position, vitesse, luminosite, son...
TRAITER
Analyser les informations et prendre des decisions selon un programme.
Composants : Microcontroleur, automate, ordinateur, carte Arduino, Raspberry Pi...
COMMUNIQUER
Transmettre les informations vers l'utilisateur ou d'autres systemes.
Composants : Ecran, LED, buzzer, WiFi, Bluetooth, bus CAN, reseau Ethernet...
3. Les capteurs - Fonction ACQUERIR
Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique (temperature, pression, distance...) en un signal electrique exploitable. Il constitue l'interface entre le monde physique et le systeme de traitement.
Classification des capteurs
Capteurs TOR (Tout Ou Rien)
Delivrent un signal binaire : 0 ou 1, vrai ou faux.
- Interrupteur de fin de course
- Detecteur de presence (PIR)
- Capteur de contact
- Barriere infrarouge
Capteurs analogiques
Delivrent un signal continu proportionnel a la grandeur mesuree.
- Sonde de temperature (LM35, PT100)
- Potentiometre
- Capteur de pression
- Photoresistance (LDR)
Principaux capteurs par grandeur mesuree
| Grandeur | Capteur | Principe | Application |
|---|---|---|---|
| Temperature | Thermistance NTC/PTC | Variation de resistance | Thermostat, meteo |
| Distance | Ultrason HC-SR04 | Temps de vol | Robot, radar de recul |
| Luminosite | Photodiode, LDR | Effet photoelectrique | Eclairage auto, smartphone |
| Acceleration | Accelerometre MEMS | Masse inertielle | Drone, smartphone, airbag |
| Rotation | Gyroscope MEMS | Effet Coriolis | Drone, stabilisation camera |
| Position angulaire | Encodeur incremental | Comptage d'impulsions | Moteur, volant, souris |
| Humidite | DHT22 | Capacitif | Meteo, serre, domotique |
Caracteristiques d'un capteur
- Etendue de mesure : Plage de valeurs mesurables (ex: -40C a +85C)
- Sensibilite : Variation du signal de sortie / variation de la grandeur (ex: 10 mV/C)
- Precision : Ecart maximal entre valeur mesuree et valeur reelle
- Resolution : Plus petite variation detectable
- Temps de reponse : Delai pour atteindre 90% de la valeur finale
- Linearite : Constance de la sensibilite sur l'etendue de mesure
4. Le traitement de l'information
La fonction TRAITER est assuree par des composants programmables capables d'executer des instructions pour analyser les donnees des capteurs et generer des ordres vers les actionneurs.
Microcontroleur vs Microprocesseur
| Caracteristique | Microcontroleur | Microprocesseur |
|---|---|---|
| Memoire | Integree (quelques Ko a Mo) | Externe (Go) |
| Peripheriques | Integres (GPIO, ADC, PWM...) | Externes |
| Puissance de calcul | Moyenne (8-32 bits) | Elevee (64 bits) |
| Consommation | Faible (mW) | Elevee (W) |
| Cout | Faible (1-10 euros) | Eleve (50-500 euros) |
| Exemples | Arduino, STM32, ESP32 | Intel Core, AMD Ryzen |
Plateformes de developpement courantes
Arduino
- Microcontroleur ATmega328 (Arduino Uno)
- Langage C/C++ simplifie
- 14 E/S numeriques, 6 entrees analogiques
- Ideal pour debuter et prototyper
- Grande communaute et bibliotheques
Raspberry Pi
- Microprocesseur ARM (mini-ordinateur)
- Systeme Linux, Python, C++
- 40 GPIO, interfaces HDMI, USB, Ethernet
- Pour applications plus complexes (vision, IA)
- Consommation plus elevee
ESP32
- WiFi et Bluetooth integres
- Double coeur 240 MHz
- Ideal pour IoT et domotique
- Compatible Arduino IDE
- Tres faible cout (moins de 5 euros)
Automate Programmable (API)
- Usage industriel (Siemens, Schneider)
- Robuste, fiable, temps reel
- Langage GRAFCET, LADDER, ST
- Cout eleve (100-1000 euros)
- Certifications industrielles
Conversion analogique-numerique (CAN)
Les microcontroleurs ne peuvent traiter que des valeurs numeriques. Un convertisseur analogique-numerique (CAN ou ADC) transforme une tension analogique en une valeur numerique.
Resolution = Vref / 2n
Exemple : CAN 10 bits, Vref = 5V → Resolution = 5V / 1024 = 4.88 mV
5. La communication de l'information
La fonction COMMUNIQUER permet de transmettre les informations entre differents elements du systeme ou vers l'exterieur (utilisateur, autres systemes, cloud...).
Protocoles de communication
| Protocole | Type | Debit | Distance | Usage |
|---|---|---|---|---|
| I2C | Serie, filaire | 100-400 kbps | Quelques metres | Capteurs, ecrans |
| SPI | Serie, filaire | 1-50 Mbps | Quelques cm | Carte SD, ecran TFT |
| UART | Serie, filaire | 9600-115200 bps | 15 metres | Debug, GPS, Bluetooth |
| CAN Bus | Serie, filaire | 1 Mbps | 40 metres | Automobile, industrie |
| WiFi | Sans fil | Jusqu'a 1 Gbps | 50-100 metres | IoT, domotique |
| Bluetooth | Sans fil | 1-3 Mbps | 10-100 metres | Wearables, audio |
| LoRa | Sans fil | 0.3-50 kbps | 2-15 km | Agriculture, ville connectee |
Interfaces homme-machine (IHM)
Affichage
- LED temoins (etats simples)
- Afficheur 7 segments (chiffres)
- Ecran LCD/OLED (texte, graphiques)
- Ecran tactile (interaction complete)
Signalisation
- Buzzer (alarmes sonores)
- Vibreur (notifications)
- Voyants lumineux (etats)
- Haut-parleur (messages vocaux)
6. Exemples complets de chaines d'information
Drone quadricoptere - Stabilisation
| Fonction | Composant | Information |
|---|---|---|
| ACQUERIR | IMU (gyro + accelero) | Angles (roll, pitch, yaw), accelerations |
| ACQUERIR | Barometre | Altitude |
| ACQUERIR | GPS | Position (lat, long) |
| ACQUERIR | Recepteur radio | Consignes pilote |
| TRAITER | Controleur de vol (STM32) | Calcul PID, commandes moteurs |
| COMMUNIQUER | LED status + buzzer | Etat du drone (arme, erreur...) |
| COMMUNIQUER | Telemetrie (radio 433 MHz) | Donnees vers station au sol |
Maison connectee - Thermostat intelligent
| Fonction | Composant | Information |
|---|---|---|
| ACQUERIR | Sonde temperature DHT22 | Temperature et humidite ambiantes |
| ACQUERIR | Detecteur de presence PIR | Presence dans la piece |
| ACQUERIR | Capteur de fenetre (magnetique) | Fenetre ouverte/fermee |
| TRAITER | ESP32 + algorithme | Decision chauffage selon planning et presence |
| COMMUNIQUER | WiFi vers cloud | Donnees pour appli smartphone |
| COMMUNIQUER | Ecran OLED local | Affichage temperature, consigne |
Lien avec la chaine d'energie : La chaine d'information envoie des ordres a la chaine d'energie (ex: activer le chauffage). Elle recoit egalement des retours (capteurs de position sur les actionneurs) pour un controle en boucle fermee.
