1, 2, 3, codez ! - Activités cycle 4 - Projet « Domotique » - Séance 6 : Fabrication de la maquette

Discipline Dominante

Technologie

Résumé

Les élèves fabriquent ou finalisent leurs maquettes incluant les éléments physiques de la maison et les solutions domotiques (carte Arduino, capteurs, actionneurs, câbles). Pour permettre à cette maquette de fonctionner indépendamment de l’ordinateur, et ainsi réaliser un vrai système embarqué, ils apprennent à utiliser le mode « autonome » d’Arduino.

Notions

« Machines » :

  •  Un système embarqué comprend des composants électroniques et informatiques destinés à exécuter une tâche précise de façon autonome.

Matériel

Pour chaque groupe

  •  Un ordinateur sur lequel a été installé le logiciel mBlock
  •  Une carte Arduino et son Shield Grove + alimentation et connectique
  •  Tous les capteurs et actionneurs disponibles
  •  Un appareil photo numérique
  •  Carton plume ou maquette de maison déjà montée

Note pédagogique
 L’objectif de ce projet est l’apprentissage de la robotique et de la programmation. Nous ne décrivons donc pas la fabrication de la maquette physique de la maison à l’aide de carton plume ou de PVC. L’enseignant peut, s’il le souhaite, faire fabriquer cette maquette par les élèves, ou bien leur proposer une maquette déjà prête afin de passer plus de temps sur les branchements et les programmes.

Situation  déclenchante

La classe fait le bilan de ce qu’elle a appris à faire au cours des séances précédentes, et fait le point sur les fonctions domotiques qui sont déjà mises en œuvre, et celles qui restent à implémenter (qu’il  s’agisse des branchements ou des algorithmes et programmes).

Le professeur explique que, désormais, les groupes vont tout intégrer de manière à fabriquer la maquette finale, intégrant toutes les fonctions (ou le plus possible !).
Afin que la maquette ne soit pas liée à l’ordinateur par un câble USB, il faudrait que l’on puisse débrancher la carte Arduino de l’ordinateur et qu’elle puisse fonctionner en autonomie.

Le professeur explique que c’est possible : la carte Arduino peut fonctionner en mode « connecté » (mode utilisé jusqu’à présent) et en mode « autonome » (mode que les élèves vont apprendre à utiliser maintenant).

Recherche (collectivement) : carte Arduino en mode autonome

Chaque groupe branche sa carte Arduino munie d’un capteur simple (type bouton-poussoir ou interrupteur) et d’un actionneur (DEL).
Les élèves réalisent le programme permettant d’allumer la DEL lorsque l’interrupteur est fermé (cette activité, à ce stade, ne présente plus aucune difficulté).


Programme permettant d’allumer la DEL à l’aide du bouton poussoir, en mode connecté.

L’enseignant explique que pour passer en mode « autonome », il faut :

  • 1. Cliquer sur « Edition » puis « Mode Arduino »

    On accède alors à cet écran.

    À gauche, on reconnait le langage Scratch/mBlock, tandis qu’à droite, on visualise le même programme, exprimé en langage C (langage natif de la carte Arduino).
  • 2. Remplacer l’instruction « drapeau vert » par son instruction équivalente pour ce mode autonome : l’instruction « Uno et Grove – générer le code ». Le programme devient alors
  • 3. À la place de l’ancienne commande « mettre à jour le microprogramme » (utile pour le mode connecté), on utilise la commande « téléverser dans Arduino » (en haut du programme écrit en langage C).
  • 4. Cette opération (qui dure une dizaine de secondes) traduit le programme mBlock en langage C et l’importe dans la carte Arduino. Dès cet instant, la carte peut être déconnectée de l’ordinateur : elle est autonome !
    Attention : penser à mettre une alimentation (pile 9V par exemple), car la carte ne sera plus alimentée par le port USB de l’ordinateur.
  • 5. Si l’on souhaite revenir au mode « connecté », il suffit de cliquer sur « retour », au-dessus du programme écrit en langage C.

Les élèves s’entrainent à réaliser ces différentes opérations, autant de fois que nécessaire pour que cela devienne un automatisme.

Recherche (par groupes) : réalisation de la maquette

La réalisation de la maquette globale peut se faire de 3 façons :

  •  Option 1 : chaque groupe réalise sa propre maquette.
    Les possibilités de chaque carte Arduino sont limitées à 4 entrées analogiques et 7 entrées/sorties digitales… ce qui limite d’autant les possibilités de branchement. Chaque maquette sera donc une version simplifiée de la maison domotique, car toutes les fonctions ne pourront pas être mises en œuvre.
  •  Option 2 : les groupes se rassemblent 2 par 2 pour réaliser une maquette commune.
    Chaque maquette peut donc être pilotée à l’aide de 2 cartes Arduino et posséder 2 fois plus de capteurs/actionneurs que pour la solution précédente. Attention, chaque carte aura son programme propre !
  •  Option 3 : le professeur fabrique une grosse maquette, et la classe entière indique à quelques élèves comment faire les différents branchements. Cette option peut servir de restitution collective.

Notes pédagogiques

  •  L’option 2 a le mérite de faire collaborer les élèves à plus grande échelle et de leur faire produire une maquette plus complète/réaliste, et plus riche d’un point de vue fonctionnel. Cependant, il faudra s’assurer que tous les élèves sont bien actifs, ce qui est plus compliqué dans un grand groupe que dans un petit…
  •  Nous conseillons de réaliser tous les branchements et programmes en mode connecté avant l’intégration de l’ensemble dans la maquette, et de n’utiliser le mode autonome qu’en phase finale, quand tout fonctionne correctement.

Quelle que soit l’option choisie, il faut garder en tête la nécessité de prendre des photos des différentes étapes de réalisation de la maquette, voire, si possible, de courtes vidéos de cette maquette en fonctionnement.
Exemple de réalisation : la maquette ci-dessous n’utilise qu’une seule carte Arduino (option 1) et présente donc quelques limitations fonctionnelles. Néanmoins, elle est déjà suffisamment aboutie pour satisfaire les élèves.



Exemple de maquette fonctionnelle : la carte
Arduino et son Shield Grove sont indiqués en noir ;
les capteurs sont indiqués en bleu ; enfin, les actionneurs sont indiqués en rouge.

Bilan et conclusion

Le professeur organise une discussion collective permettant d’expliciter les notions acquises au cours de cette séance, notamment le fait que la carte Arduino peut être utilisée en mode « connecté » (branchée à l’ordinateur) ou en mode « autonome » (débranchée). Le mode autonome permet de fabriquer un véritable « système embarqué ».

Il explique ce qu’est un système embarqué : il s’agit d’un système électronique comprenant aussi bien les composants matériels que logiciels, destiné à exécuter une tâche précise. Ce système fonctionne en autonomie, ce qui lui impose certaines contraintes, comme par exemple une alimentation énergétique propre, une grande fiabilité matérielle et logicielle (car les systèmes embarqués sont supposés fonctionner sans intervention humaine), etc. Exemples de systèmes embarqués dans la vie quotidienne : système d'alarme, contrôleur de climatisation ou d'ascenseur, distributeur de billets automatique...
Les élèves notent ces conclusions dans leur cahier de projet, et n’oublient pas d’archiver les photos ou vidéos prises lors de la fabrication de la maquette, qui seront utilisées dans la dernière séance.

Prolongements possibles

Si la classe souhaite consacrer davantage de temps à ce projet, il est toujours possible d’améliorer/compléter une telle maquette. Voici quelques pistes :

  •  Permettre d’activer ou désactiver l’alarme en entrant un code (soit à l’aide du clavier, soit à l’aide d’une interface externe, comme un « makey makey » par exemple). Cela ne nécessite pas de capteur Arduino supplémentaire.
  •  Permettre d’activer/désactiver l’alarme à l’aide d’une carte (code couleur) : cela nécessite un capteur supplémentaire, compatible Grove (détection de couleur)
  •  Permettre la détection d’une chute, par exemple pour personnes âgées : cela nécessite un second capteur de vibration.
  •  Dessiner le schéma électrique de la maison : éclairage, interrupteurs, capteurs, actionneurs…
  •  Élargir le projet à la domotique en général, et pas uniquement à la question de la sécurité. Par exemple, on peut vouloir travailler sur la maîtrise de l’énergie (gestion de l’éclairage, du chauffage, des ouvertures…). Un tel projet nécessite d’autres capteurs/actionneurs. À l’aide d’un relai et d’une résistance chauffante, on peut piloter la température de la maison ; à l’aide de moteurs et de systèmes de transmission de mouvement, on peut piloter l’ouverture et la fermeture de volets ou fenêtres… Le projet peut rapidement devenir très ambitieux !
     

 


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Partenaires du projet

Pasc@line Educaland Editions Le Pommier