Fiche de révision : Technologies des nœuds IoT

📋 Plan du Cours

1. Rôle et contraintes des nœuds IoT
2. Architecture matérielle d’un nœud
3. Microcontrôleur et composants embarqués
4. Capteurs et types de mesures
5. Conversion analogique-numérique
6. Interfaces de communication série
7. Profil de mission et autonomie
8. RTC et modes basse consommation

📖 1. Rôle et contraintes des nœuds IoT

🔑 Notions clés & Définitions

• Nœud IoT : Dispositif qui lit des données de capteur, commande des actionneurs, traite éventuellement les données et communique avec le réseau.

★ À maîtriser

• Les fonctions principales d’un nœud IoT sont : lire les données des capteurs, commander les actionneurs, traiter les données avant la transmission montante ou après la transmission descendante, communiquer avec le réseau

• Un nœud IoT doit souvent être petit, peu coûteux, très basse consommation et résistant aux conditions météorologiques ou à l’eau.

Compléments

• Les nœuds IoT peuvent être portables, utilisés pour le biologging ou intégrés à des dispositifs antivol discrets, et peuvent nécessiter un CPU ou un FPU.

📖 2. Architecture matérielle d’un nœud

🔑 Notions clés & Définitions

• Architecture de nœud : Système associant un système embarqué, un processeur applicatif, des capteurs, des actionneurs, des interfaces, une communication réseau et une alimentation.

📝 Points essentiels

• Les interfaces et communications citées comprennent :

  • SPI
  • I2C
  • UART
  • ADC
  • DAC
  • Ethernet
  • CAN
  • Modbus
  • Wi-Fi
  • GSM

• Le Dragino LSN50 est un exemple de nœud IoT coûtant environ 50 € et utilisant un microcontrôleur STM32L072CZT6, une puce LoRa SX1276 ou SX1278 et LoRaWAN 1.0.3.

• Le Dragino LSN50 possède 192 KB de mémoire Flash, 20 KB de RAM, 6 KB d’EEPROM et une fréquence d’horloge de 32 MHz.

💡 Astuce mémo

Visualiser le nœud comme une chaîne capteur → MCU → communication → réseau, alimentée par une batterie.

📖 3. Microcontrôleur et composants embarqués

🔑 Notions clés & Définitions

• Microcontrôleur : Petit ordinateur intégré comprenant un processeur, des mémoires de code et de données, des périphériques et des interfaces, et embarquant un logiciel dans une application électronique.

★ À maîtriser

📌 L’intégration de plusieurs périphériques dans un microcontrôleur réduit le coût d’assemblage, la taille du système et sa consommation énergétique.

Compléments

• Les périphériques intégrés peuvent comprendre :
  • une horloge temps réel
  • une carte SD
  • un récepteur GPS
  • des capteurs de mouvement
  • des minuteries
  • un contrôle moteur
  • une radio
  • une gestion de batterie

📖 4. Capteurs et types de mesures

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur : Dispositif qui mesure une grandeur et fournit le résultat par une interface analogique ou numérique.

★ À maîtriser

• Les grandeurs mesurées peuvent être environnementales, chimiques, mécaniques, acoustiques, radiofréquences, électriques ou liées à la géolocalisation et à la radioactivité.

Compléments

• Les capteurs peuvent être embarqués sur le circuit imprimé ou externes et câblés au nœud.

• Les critères de choix d’un capteur comprennent :

  • la plage dynamique
  • la précision
  • la résolution
  • la linéarité
  • la stabilité
  • les dimensions
  • la consommation
  • la résistance à l’environnement
  • le coût

📖 5. Conversion analogique-numérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Convertisseur ADC : Un ADC convertit une grandeur analogique en donnée numérique, tandis qu’un DAC convertit une donnée numérique en grandeur analogique.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un convertisseur de résolution n bits et de pleine échelle $F_S$, le quantum vaut $q = \frac{F_S}{2^n}$.

• L’ADC flash utilise 2^N comparateurs et est réservé aux applications performantes, tandis que l’ADC SAR est le choix le plus courant dans les microcontrôleurs.

Compléments

• Avec une pleine échelle de 3,3 V, le quantum vaut 412,5 mV pour 3 bits et 0,8 mV pour 12 bits.

📐 Formule - Pour un DAC PWM, la tension moyenne de sortie vérifie $V_{out}=\alpha V_{dd}=\frac{D_h}{T}V_{dd}$, où $D_h=\alpha T$.

💡 Astuce mémo

Échantillonner → piéger la charge → rechercher binaire → produire le résultat.

📖 6. Interfaces de communication série

🔑 Notions clés & Définitions

• UART : Interface série asynchrone pouvant relier un microcontrôleur à un ordinateur, un GPS, un autre microcontrôleur ou un module radio.

• I2C : Interface série synchrone semi-duplex avec un maître, plusieurs esclaves et des adresses matérielles sur 7 bits.
• SPI : Interface série synchrone full-duplex utilisant une horloge, des lignes MOSI et MISO et une sélection de circuit pour chaque esclave.

★ À maîtriser

📌 Les interfaces parallèles offrent un débit élevé et conviennent aux grandes quantités de données, tandis que les interfaces série utilisent moins de broches mais sont plus lentes.

Compléments

📐 Formule - Pour une transmission UART, la durée d’un bit vaut $T=\frac{1}{\text{baud rate}}$.

📌 Les sorties I2C sont à drain ouvert, réalisent un ET câblé, utilisent des résistances de rappel et ont l’état logique 0 dominant.

💡 Astuce mémo

UART est asynchrone, I2C est synchrone semi-duplex, SPI est synchrone full-duplex.

📖 7. Profil de mission et autonomie

★ À maîtriser

• 🔄 Un profil de mission typique alterne :
  1. veille
  2. réveil par alarme RTC
  3. acquisition des capteurs
  4. traitement des données
  5. transmission radio
  6. retour en veille

📌 Pour augmenter l’autonomie, il faut réduire la consommation intrinsèque et optimiser les temps de traitement et les cycles d’activité.

📐 Formule - Pour une batterie CR2032 de 210 mAh et un courant moyen de 102,3 μA, l’autonomie calculée est $T=\frac{210\ \text{mAh}}{102{,}3\ \mu\text{A}}=2053\ \text{h}\approx85\ \text{jours}$.

Compléments

• Dans l’exemple de profil, la veille consomme 100 μA, le traitement 10 mA, l’acquisition 20 mA et la transmission radio 50 mA sous 3 V.

💡 Astuce mémo

Réduire les temps actifs et la consommation intrinsèque → augmenter l’autonomie.

📖 8. RTC et modes basse consommation

🔑 Notions clés & Définitions

• RTC : Horloge temps réel fournissant l’heure, le calendrier, des alarmes, le réveil du système, l’horodatage et des fonctions de détection d’effraction.

★ À maîtriser

• En mode Sleep, seul l’horloge du CPU est arrêtée, tandis que les périphériques restent actifs et peuvent générer des interruptions de réveil.

• En mode Stop, les horloges hautes fréquences et le PLL sont arrêtés, mais la SRAM, les registres et l’état des broches d’E/S sont conservés.

• En mode Standby, les horloges hautes fréquences, la SRAM, la plupart des périphériques et le régulateur de tension sont arrêtés, et le réveil est possible par broche WKUP, broche reset ou RTC si elle est alimentée.

Compléments

• La RTC utilise typiquement un quartz de 32,768 kHz et peut produire une base de temps de 1 Hz.

📌 En mode Shutdown, aucun réveil n’est possible sans un dispositif externe commandé par la sortie RTC.

💡 Astuce mémo

Sleep conserve les périphériques, Stop conserve la SRAM, Standby perd la SRAM.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des interfaces série

Modes basse consommation