Introduction
Dans ton téléphone, ta montre connectée ou ton enceinte Bluetooth, un minuscule cerveau électronique travaille sans arrêt. Ce cerveau, c’est le microprocesseur, capable d’exécuter des millions d’instructions chaque seconde. Autour de lui, des capteurs perçoivent le monde extérieur et des actionneurs y répondent. Ces composants transforment un objet ordinaire en un véritable système intelligent.
Mais cette intelligence consomme de l’énergie : chaque calcul, chaque mesure et chaque connexion demande de l’électricité. Trouver le bon équilibre entre puissance, autonomie et durabilité est au cœur des enjeux de l’informatique embarquée.
Le microprocesseur : le cerveau des objets connectés
Le microprocesseur (ou CPU, Central Processing Unit, qui signifie « unité centrale de traitement ») est un composant électronique qui exécute les instructions d’un programme. Il reçoit les données des capteurs, les analyse, puis envoie des ordres aux actionneurs. C’est le véritable cerveau de la machine : il interprète, décide et coordonne toutes les actions.
Pour fonctionner, le microprocesseur exécute un programme embarqué ou un petit système d’exploitation, conçu pour accomplir une tâche précise. Dans une montre connectée, il gère les capteurs de mouvement, la connexion Bluetooth et l’affichage. Dans un capteur de température, il exécute un programme plus simple, chargé uniquement de mesurer et d’envoyer les données.
Le microprocesseur lit et exécute des instructions codées en langage machine, c’est-à-dire en binaire, un système qui n’utilise que deux chiffres : 0 et 1. En binaire, chaque 0 correspond à un signal électrique éteint et chaque 1 à un signal allumé. En combinant ces deux états, les ordinateurs peuvent représenter toutes les informations possibles : textes, images, sons ou ordres logiques.
Il existe deux grands types de « cerveaux » pour les objets numériques : le microprocesseur et le microcontrôleur. Le microprocesseur est puissant mais dépend de composants externes comme la mémoire ou les entrées-sorties. On le trouve dans les appareils complexes : ordinateurs, tablettes, smartphones ou voitures connectées. Il consomme davantage d’énergie et doit être alimenté en continu.
Le microcontrôleur, lui, est plus simple et économe. Il regroupe dans une seule puce le processeur, la mémoire et les interfaces nécessaires. Il consomme très peu et peut fonctionner plusieurs mois avec une pile. On le trouve dans les montres connectées, les capteurs, les télécommandes ou les petits robots. En résumé, le microprocesseur privilégie la puissance, tandis que le microcontrôleur mise sur l’efficacité énergétique.
À retenir
Le microprocesseur exécute des instructions en langage binaire issues d’un programme embarqué. Il agit comme un cerveau électronique qui analyse et décide. Le microcontrôleur, plus simple et économe, est adapté aux objets connectés de petite taille.
Les capteurs et actionneurs : les sens et les muscles des machines
Un objet connecté ne se contente pas de calculer : il interagit avec son environnement. Les capteurs mesurent des phénomènes physiques comme la lumière, la température, la pression, le son ou le mouvement. Ils transforment ces grandeurs en signaux électriques, puis en données numériques que le processeur peut comprendre.
Les actionneurs, à l’inverse, traduisent les ordres du processeur en actions physiques : faire tourner un moteur, allumer une lumière ou produire un son. Ensemble, capteurs et actionneurs forment la boucle d’acquisition et de commande, typique de l’informatique embarquée. Cette boucle est cyclique et régulière : elle s’exécute plusieurs fois par seconde, ou même plusieurs centaines de fois, selon la rapidité nécessaire.
Par exemple, dans un système d’arrosage automatique, un capteur d’humidité mesure la sécheresse du sol. Si la valeur est trop basse, le microcontrôleur déclenche un actionneur (une électrovanne) qui ouvre le robinet d’eau. Ce cycle se répète continuellement.
Certains objets connectés transmettent aussi leurs données à distance par le Wi-Fi (Wireless Fidelity, « connexion sans fil ») ou par le Bluetooth. Ils peuvent ainsi être contrôlés depuis un smartphone ou faire partie d’un ensemble d’appareils reliés entre eux, appelé IoT (Internet of Things, « internet des objets »). Ces réseaux permettent la supervision à distance et la maintenance connectée des systèmes.
À retenir
Les capteurs perçoivent, les microprocesseurs décident et les actionneurs agissent. Ensemble, ils forment une boucle d’acquisition et de commande, exécutée de manière continue et rapide.
La consommation d’énergie et la dissipation thermique
Chaque calcul, chaque mesure et chaque transmission consomment de l’énergie. Les microprocesseurs, capteurs et connexions sans fil (Wi-Fi, Bluetooth, 4G, 5G) sont les plus gros consommateurs. Dans un monde peuplé de milliards d’objets connectés, réduire la consommation d’énergie est un enjeu essentiel.
Les ingénieurs développent des circuits à faible consommation (low power) capables de s’endormir lorsque l’activité est faible. Les objets disposent souvent d’un mode veille pour réduire la tension électrique, et d’une horloge interne qui les réveille à intervalles précis. Les capteurs les plus récents disposent eux-mêmes de modes « économie d’énergie » qui ajustent leur fréquence de mesure selon les besoins.
La dissipation thermique est un autre défi. Lorsqu’un processeur consomme de l’électricité, une partie de cette énergie se transforme en chaleur. Dans les ordinateurs, cette chaleur est évacuée par des ventilateurs. Dans les objets connectés, on utilise plutôt des composants à faible consommation pour éviter toute surchauffe. Certains processeurs ajustent automatiquement leur vitesse d’exécution (leur fréquence d’horloge) pour consommer moins et limiter la température.
De plus, de nouveaux systèmes utilisent des sources d’énergie alternatives, comme de petits panneaux solaires ou des capteurs piézoélectriques qui transforment les vibrations et les mouvements en électricité. Ces technologies allongent l’autonomie des objets tout en réduisant leur impact environnemental.
À retenir
Les objets connectés économisent l’énergie grâce à des modes veille, des horloges internes et des circuits basse consommation. Ils doivent aussi gérer la chaleur produite par leurs composants pour rester fiables et durables.
Conclusion
Les microprocesseurs, microcontrôleurs, capteurs et actionneurs forment la base matérielle de l’internet des objets. Le microprocesseur interprète des instructions binaires issues d’un programme embarqué, tandis que les capteurs et les actionneurs assurent le lien entre le monde physique et le monde numérique.
Grâce à leur miniaturisation, leur faible coût et leur efficacité énergétique, ces composants ont rendu possibles des milliards d’objets connectés. Mais leur prolifération impose un défi majeur : réduire la consommation d’énergie et la chaleur produite pour construire un monde numérique à la fois intelligent, sobre et durable.