Séq. 8 : Structuration

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38S

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La séquence a été recomposée : deux séquences auparavant distinctes ont été réunies en une seule. Le déroulement, le minutage et l'évaluation qui font foi sont ceux de la. Cette page décrit encore l'organisation antérieure et sera reprise.

L'architecture d'un Smart Object

Un Smart Object est un objet qui mesure une grandeur physique, décide à partir de cette mesure, et agit sur le monde réel. Il s'organise en quatre blocs.

Le bloc capteur transforme une grandeur physique en signal électrique. Capteurs disponibles dans la classe : le capteur ultrason HC-SR04 mesure une distance en centimètres ; le DHT22 mesure la température en degrés Celsius et l'humidité de l'air en pour cent ; le capteur d'humidité du sol renvoie une valeur en pour cent ; le capteur infrarouge détecte le passage d'un objet ou d'une personne devant lui.

Le bloc traitement est le microcontrôleur : la carte Arduino Uno, ou la carte du mBot. Il lit le signal du capteur, effectue éventuellement un calcul, compare le résultat à un seuil et décide. C'est le seul bloc qui contient le programme.

Le bloc actionneur agit. Actionneurs disponibles : LED, buzzer, servomoteur, mini-pompe 5 V commandée par un module relais, écran LCD à liaison I2C.

Le bloc alimentation fournit l'énergie : port USB pendant les essais, bloc de piles pour fonctionner pendant une coupure de courant. Le bloc de piles se branche sur la prise d'alimentation de la carte, jamais sur la broche +5V : c'est le régulateur de la carte qui fabrique le 5 V.
La chaîne se lit toujours dans le même ordre : grandeur physique, capteur, microcontrôleur, actionneur, action sur le monde réel.

Le cahier des charges et les fonctions de service

Le cahier des charges écrit ce que l'objet doit faire, avant de dire comment il le fera. Il ne cite aucun composant.

Il comporte quatre parties.

Le besoin : le problème réel à résoudre, en une phrase.
L'utilisateur visé : la personne précise qui se servira de l'objet, et le lieu où elle s'en servira.
Les fonctions de service : ce que l'objet rend comme service. FS1 est la fonction principale. Chaque fonction porte un critère de performance chiffré, avec son unité. Exemple : « arroser dès que l'humidité du sol descend sous 30 pour cent ».
Les contraintes : ce qui limite les solutions possibles. Quatre lignes obligatoires dans ce projet : budget maximal en ariary, dimensions maximales du boîtier en millimètres, alimentation par bloc de piles ou par port USB, consommation d'énergie, c'est-à-dire le comportement de l'objet pendant une coupure de courant.

Un critère de performance sans nombre n'est pas un critère. « Prévenir rapidement » ne se mesure pas. « Prévenir en moins de 3 secondes » se mesure, donc se valide.

Un critère chiffré mais impossible à vérifier dans une séance n'est pas utilisable non plus. « Fonctionner 2 heures sur piles » se mesure, mais pas en classe. On le réécrit : « continuer de fonctionner quand le câble USB est débranché, pendant au moins 30 minutes d'essai en classe ».

Le schéma de câblage et les règles de sécurité électrique

Le schéma de câblage montre les liaisons physiques entre les composants. Il se dessine à la main, au crayon, et se lit entièrement en noir et blanc.

Règle du dessin : chaque fil porte une étiquette écrite. Trois étiquettes suffisent. « +5V » désigne l'alimentation en 5 volts. « GND » désigne la masse, c'est-à-dire le retour commun du courant. « D7 », « D8 », « A0 » désignent le numéro de la broche de la carte qui porte le signal.
Règle du câblage réel : le fil rouge est réservé au +5 V, le fil noir à la masse GND. Cette règle permet de repérer rapidement une erreur d'alimentation en regardant le montage. Elle ne remplace pas les étiquettes écrites du dessin.

Quatre règles de sécurité, sans exception.

Une résistance de 220 ohms se place en série avec chaque LED, c'est-à-dire dans le fil lui-même, pour limiter le courant.

Un actionneur de puissance, mini-pompe ou servomoteur de forte charge, n'est jamais branché sur une broche de la carte. Il passe par un organe de commande, module relais ou transistor, et il possède sa propre alimentation. Le relais est un interrupteur commandé : il sépare le circuit de commande, en 5 V, du circuit de puissance.

Le bloc de piles qui alimente la carte se branche sur la prise d'alimentation de la carte, et jamais sur la broche +5V. La broche +5V est une sortie de la carte, pas une entrée.

Aucun montage d'élève n'est relié au secteur 220 V. L'alimentation vient du port USB ou d'un bloc de piles, et de rien d'autre. Aucune activité de ce projet ne demande de mesurer ni de toucher le courant du réseau électrique.

De l'algorithme au programme

On écrit la logique avant d'écrire le programme, sur papier.

Le pseudo-code décrit la logique en français, en quatre ou cinq lignes d'action, avec des mots simples : Début, Répéter, Lire, Si … Alors … Sinon, Fin Si, Fin Répéter, Fin. Les lignes Début, Répéter toujours, Fin Répéter et Fin sont des lignes de structure et ne comptent pas dans ces quatre ou cinq lignes. Le pseudo-code ne se tape pas dans l'ordinateur.

L'organigramme représente la même logique par un dessin. Quatre symboles seulement. L'ovale marque le début et la fin. Le parallélogramme, c'est-à-dire un rectangle penché, marque une entrée ou une sortie : lire un capteur, allumer une LED. Le rectangle marque un calcul ou une affectation. Le losange marque un test, avec deux flèches qui en sortent, l'une portant le mot « oui », l'autre le mot « non ». Les symboles sont reliés par des flèches verticales, et la flèche « non » remonte vers le début de la boucle.

La traduction en programme se fait ensuite sur mBlock ou dans l'IDE Arduino, en local. Elle se conduit par blocs successifs, avec un essai après chaque bloc : bloc 1, lire le capteur et afficher la valeur ; bloc 2, comparer la valeur au seuil ; bloc 3, commander l'actionneur. Cette méthode fait gagner du temps, parce qu'une panne se cherche alors dans un seul bloc.

Le seuil écrit dans le test est exactement le critère de performance chiffré du cahier des charges. C'est le seul point que le professeur vérifie pour chaque groupe.

Du croquis coté au fichier de fabrication

La conception d'une pièce part toujours de mesures réelles, jamais d'une estimation.

On mesure les composants qui devront tenir à l'intérieur : carte, plaque d'essai, capteur, bloc de piles. On mesure en millimètres, à la règle graduée, et au pied à coulisse pour les pièces petites ou épaisses.

On en déduit les dimensions intérieures du boîtier, puis on ajoute un jeu de 2 mm sur chaque dimension. Le jeu est l'espace en plus qui permet de poser les composants sans forcer. Sans jeu, la pièce fabriquée est inutilisable.

On dessine ensuite le croquis coté, en deux vues : une vue de dessus du fond, une vue de face de la façade avec ses percements. Une cote est une ligne fine terminée par deux flèches, avec la valeur en millimètres écrite au-dessus. Les percements sont hachurés au crayon, jamais coloriés.

Le croquis coté est ensuite saisi dans un logiciel de conception assistée par ordinateur, ici FreeCAD, utilisé en local. Dans ce projet, seule la façade plate est saisie : un rectangle et trois percements. Le fichier obtenu est enregistré sur deux clés USB différentes, celle du groupe et celle de la classe.

La suite, c'est-à-dire l'export du fichier, son découpage en couches et la conduite de la machine, est assurée par le professeur en dehors des heures de cours. Ce qui est évalué chez l'élève, c'est le croquis coté.

Valider un prototype par des essais

Un prototype ne se juge pas à l'impression qu'il donne, mais aux essais qu'il passe.

Le protocole de test se déduit directement du cahier des charges : une ligne par fonction de service. Chaque ligne comporte quatre colonnes.

Ce qui est attendu : la valeur chiffrée recopiée du cahier des charges.
La manière de faire l'essai : la description de l'essai, écrite assez précisément pour qu'une autre personne puisse le refaire à l'identique.
La valeur mesurée : ce que l'on a réellement lu ou observé pendant l'essai.
La conclusion : conforme, ou non conforme.

Un essai est réel et reproductible. Humidifier la terre puis la laisser sécher. Approcher lentement la main du capteur ultrason en mesurant la distance à la règle graduée. Débrancher le câble USB et vérifier que le montage continue de fonctionner sur son bloc de piles.

Une fonction non conforme n'est pas un échec. Elle devient un travail : on écrit la cause trouvée, on apporte une correction, on refait l'essai et on consigne le second résultat. C'est cette démarche qui distingue un travail satisfaisant d'un très bon travail.

⭐ À retenir

Un Smart Object mesure, décide et agit. Le capteur transforme une grandeur physique en signal électrique. Le microcontrôleur compare ce signal à un seuil et décide. L'actionneur agit sur le monde réel. L'alimentation, port USB ou bloc de piles, fournit l'énergie à l'ensemble.
Une fonction de service qui ne peut pas se mesurer ne peut pas se valider. C'est pourquoi chaque fonction de service reçoit un critère de performance chiffré, avec son unité, dès le premier jour du projet : ce critère devient la ligne d'essai de la dernière séance. Et l'essai doit tenir dans une séance de 1h30.
Le seuil écrit dans le programme est exactement le critère de performance écrit dans le cahier des charges. Si les deux valeurs diffèrent, l'objet ne fait pas ce qu'il annonce, et la fonction ne peut pas être déclarée conforme.
Quatre règles de sécurité électrique s'appliquent sans exception à tous les montages. Une résistance de 220 ohms en série avec chaque LED. Tout actionneur de puissance passe par un organe de commande, relais ou transistor, avec sa propre alimentation, et jamais directement sur une broche de la carte. Le bloc de piles de la carte se branche sur la prise d'alimentation de la carte, jamais sur la broche +5V. Aucun montage d'élève n'approche le secteur 220 V : tout reste en très basse tension, 5 V, 3,3 V, ou 12 V sur batterie au maximum.
Un schéma technique se lit en noir et blanc. L'information est portée par une étiquette écrite, jamais par une couleur. La couleur des fils rouge et noir est une règle de câblage utile sur le montage réel, elle ne remplace pas les étiquettes du dessin.
Un programme se met au point par blocs successifs, avec un essai après chaque bloc. Lire le capteur et afficher la valeur, puis comparer au seuil, puis commander l'actionneur. Cette méthode permet de savoir dans quel bloc se trouve une panne.
Le croquis coté est le document de conception. Il part de mesures réelles, il donne des valeurs en millimètres et il prévoit le jeu. C'est lui qui permet de fabriquer, avec ou sans ordinateur.

📖 Vocabulaire

Terme	Définition
Smart Object	Objet qui mesure une grandeur physique, décide à partir de cette mesure et agit sur le monde réel. Il est construit autour de trois blocs : capteur, microcontrôleur, actionneur, auxquels s'ajoute l'alimentation.
Capteur	Composant qui transforme une grandeur physique, distance, humidité, température, présence, en un signal électrique utilisable par la carte.
Actionneur	Composant qui transforme un signal électrique en une action sur le monde réel : lumière d'une LED, son d'un buzzer, rotation d'un servomoteur, débit d'une pompe, affichage d'un écran.
Microcontrôleur	Circuit programmable qui lit les capteurs, effectue des calculs, compare une valeur à un seuil et commande les actionneurs. Dans cette séquence : la carte Arduino Uno ou la carte du mBot.
Alimentation	Ce qui fournit l'énergie au montage : le port USB pendant les essais, ou un bloc de piles branché sur la prise d'alimentation de la carte. Jamais le réseau électrique.
Cahier des charges	Document qui écrit ce que l'objet doit faire, avant de dire comment il le fera. Il contient le besoin, l'utilisateur visé, les fonctions de service avec leurs critères de performance, et les contraintes.
Fonction de service	Service que l'objet rend à son utilisateur. Elle s'écrit en une phrase et porte toujours un critère de performance chiffré. FS1 est la fonction principale du projet.
Critère de performance	Valeur chiffrée, accompagnée de son unité, qui dit à partir de quand une fonction de service est rendue. Exemple : sous 30 pour cent d'humidité du sol. C'est ce critère qui rend la fonction mesurable, donc validable.
Seuil	Valeur de comparaison écrite dans le programme, à partir de laquelle le microcontrôleur change de décision. Le seuil du programme est toujours identique au critère de performance du cahier des charges.
Schéma de câblage	Dessin qui montre les liaisons physiques entre les composants. Chaque fil y porte une étiquette écrite, +5V, GND ou le nom de la broche, de sorte que le schéma se lise en noir et blanc.
Plaque d'essai	Plaque de prototypage sans soudure. Ses trous sont reliés entre eux par lignes de cinq. Elle permet de monter un circuit, de le modifier et de le démonter sans rien souder.
Relais	Interrupteur commandé électriquement. Il sépare le circuit de commande, en 5 V, du circuit de puissance de l'actionneur, qui possède sa propre alimentation. Il protège la carte, qui ne peut pas fournir un courant important.
Pseudo-code	Description en français de la logique du programme, en quelques lignes, avec des mots simples. Elle s'écrit sur papier et ne se tape pas dans l'ordinateur.
Organigramme	Représentation dessinée de la logique du programme, avec quatre symboles : ovale pour le début et la fin, parallélogramme pour une entrée ou une sortie, rectangle pour un calcul, losange pour un test à deux sorties, « oui » et « non ».
Croquis coté	Dessin d'une pièce portant ses dimensions en millimètres. Chaque cote est une ligne fine terminée par deux flèches, avec la valeur écrite au-dessus. C'est le document qui permet de fabriquer.
Jeu	Espace laissé en plus, ici 2 mm sur chaque dimension intérieure, pour que les composants entrent dans le boîtier sans forcer.
Ébavurer	Enlever au papier de verre les petites bavures de matière restées sur les bords d'une pièce après son impression ou sa découpe.
Prototype	Objet réel construit pour vérifier qu'une solution fonctionne. Il peut être partiel : dans ce projet, la fonction principale doit fonctionner, les fonctions secondaires sont un bonus.
Fiche d'essai	Tableau qui vérifie chaque fonction de service par un essai réel. Quatre colonnes : la valeur attendue, la manière de faire l'essai, la valeur mesurée, la conclusion conforme ou non conforme.

Séquence 8 : Projet Smart Object, de la conception au prototype