Thème 6 - Objets connectés

Cours

1. La carte BBC micro:bit

Un système informatique embarqué collecte des informations du monde réel à l'aide de capteurs, les traite dans un microprocesseur puis agit sur le monde réel par le biais d'actionneurs (ici seulement la matrice de LED). Le traitement des informations est contrôlé par un programme qui peut interagir avec l'homme à travers une Interface Homme Machine (IHM).

La BBC micro:bit est une carte à microcontrôleur.

Elle est conçue en 2015 au Royaume-Uni pour développer l'apprentissage de l'algorithmique et de la programmation.

Pourvu de capteurs et d'actionneurs, ce petit ordinateur possède la dernière technologie qui équipe les appareils modernes : téléphones mobiles, réfrigérateurs, montres intelligentes, alarmes antivol, robots, etc...
Ainsi, il s'apparente à ce que l'on nomme l'Internet des objets : Internet of Things, abrégé IoT.

carte micro:bit
Vidéo d'introduction : il est possible d'activer les sous-titres en français en cliquant sur la roue dentée des paramètres.

Les différentes ressources de la micro:bit

La carte micro:bit dispose des spécificités techniques suivantes :
  • Des capteurs (ENTRÉES) : Capteurs de luminosité, de température et de mouvements (accéléromètre et boussole), un microphone (sur la V2), un capteur tactile (sur la V2) ainsi que 2 boutons programmables
  • Des actionneurs (SORTIES) : 25 LEDs programmables individuellement sous forme d'une matrice 5 par 5, eventuellement haut parleur (sur la V2)
  • Des broches de connexion qui permettent de gérer les protocoles : Interface USB
  • De la communication sans fil, via Radio et Bluetooth

Communiquer avec la carte micro:bit

La carte micro:bit peut se programmer en langage Python grâce cette interface.
La carte aura été auparavant reliée à l'ordinateur via le cable USB et connectée en cliquant sur le bouton CONNECT.
menu micro:bit
  1. Dans la zone d'édition copier le code ci-contre (s'il n'y est pas déjà).
  2. Téléverser le code dans la carte (on dit aussi 'flasher') en cliquant sur Envoyer vers micro:bit.
  3. Sauvegarder également le programme Python .py sur le PC dans votre répertoire de travail.
  4. Modifier le code en remplaçant scroll par show. Transférer à nouveau le programme à la carte.
  5. Quel changement observez-vous ?
from microbit import *

while True:
    display.show(Image.HEART)
    sleep(1000)
    display.scroll('Hello')

Éditeur local

Il est possible d'installer sur vos ordinateurs personnels MuEditor (guide d'installation).

Les LEDs et les boutons de la micro:bit

La matrice led 5x5

La carte Micro:Bit présente sur sa face avant une matrice (un tableau) de 25 LEDS qui peuvent être allumées indépendamment les unes des autres. Ainsi il est possible d'afficher des dessins tout prêts ou de personnaliser l'affichage.
La ligne de code Python permettant d'afficher un symbole est :
display.show(Image.SMILE) (pour afficher le smiley par exemple)
D'autres symboles sont disponibles ici :
Symboles 
Image.HEART
Image.HEART_SMALL
Image.HAPPY
Image.SMILE
Image.SAD
Image.CONFUSED
Image.ANGRY
Image.ASLEEP
Image.SURPRISED
Image.SILLY
Image.FABULOUS
Image.MEH
Image.YES
Image.NO
Image.CLOCK12, Image.CLOCK11, Image.CLOCK10, Image.CLOCK9, Image.CLOCK8, Image.CLOCK7, Image.CLOCK6, Image.CLOCK5, Image.CLOCK4, Image.CLOCK3, Image.CLOCK2, Image.CLOCK1
Image.ARROW_N, Image.ARROW_NE, Image.ARROW_E, Image.ARROW_SE, Image.ARROW_S, Image.ARROW_SW, Image.ARROW_W, Image.ARROW_NW
Image.TRIANGLE
Image.TRIANGLE_LEFT
Image.CHESSBOARD
Image.DIAMOND
Image.DIAMOND_SMALL
Image.SQUARE
Image.SQUARE_SMALL
Image.RABBIT
Image.COW
Image.MUSIC_CROTCHET
Image.MUSIC_QUAVER
Image.MUSIC_QUAVERS
Image.PITCHFORK
Image.XMAS
Image.PACMAN
Image.TARGET
Image.TSHIRT
Image.ROLLERSKATE
Image.DUCK
Image.HOUSE
Image.TORTOISE
Image.BUTTERFLY
Image.STICKFIGURE
Image.GHOST
Image.SWORD
Image.GIRAFFE
Image.SKULL
Image.UMBRELLA
Image.SNAKE
  1. Réaliser un programme qui affiche l'émoticône de votre choix.
  2. Améliorer le programme en faisant afficher au moins 3 émoticônes différentes successivement en boucle.
Remarque : la fonction sleep() permet de faire une pause. Le temps de pause en millisecondes (millièmes de secondes) s'insère entre les parenthèses.

Images personnelles

Bien sûr, il est possible de créer sa propre image sur le micro:bit. C'est facile.
Chaque pixel LED sur l'affichage physique peut prendre une parmi dix valeurs. Si un pixel prend la valeur 0 (zéro) c'est qu'il est éteint. Littéralement, il a une luminosité de zéro. En revanche, s'il prend la valeur 9 il est à la luminosité maximale. Les valeurs de 1 à 8 représentent des niveaux de luminosité entre éteint (0) et « à fond » (9).
Muni de ces informations, il est possible de créer une nouvelle image comme ça : 
from microbit import *

bateau = Image("05050:"
               "05050:"
               "05050:"
               "99999:"
               "09990")

display.show(bateau)
Chaque ligne de l'affichage physique est représentée par une ligne de nombres se terminant par : et entourée de " (guillemets doubles).
Chaque nombre indique une luminosité. Il y a cinq lignes de cinq nombres donc il est possible de spécifier la luminosité individuelle de chacune des cinq LED sur chacune des cinq lignes sur l'affichage physique.
C'est ainsi qu'on créé une image.
Remarque : Avec l'instruction display.set_pixel(x,y,l) il est possible de régler la luminosité des pixels de l'affichage individuellement de 0 (désactivé) à 9 (luminosité maximale). x et y varient de 0 à 4.
Exemple : display.set_pixel(1, 4, 9) allume la 2ème LED de la 5ème ligne.
  1. Copier le code ci-dessus et afficher l'image du bateau sur les LEDS de votre carte micro:bit
  2. En utilisant display.set_pixel(x,y,l) et sleep(1000), faire clignoter le haut des mâts du bateau.
Aller plus loin : Sur papier, dessiner un motif sur une matrice de 5 par 5 (tableau 5 colonnes par 5 lignes) et encodez ce dessin pour le faire afficher par la carte micro:bit.

Les boutons

Deux boutons sont présents sur la carte afin de rajouter de l'interactivité dans les programmes. Les fonctions associées sont :
  • button_a.is_pressed() renvoie True si le bouton est effectivement appuyé.
  • button_a.was_pressed() renvoie True si le bouton a été appuyé.
  • button_a.get_pressed() renvoie le nombre de fois que le bouton a été appuyé.

Écrire un script qui affiche un smiley qui sourit 😊 lorsqu'on appuie sur le bouton A et un smiley triste 🙁 lorsqu'on appuie sur le bouton B.

Aide : Dans une une structure de boucle infinie (while True), inclure une structure conditionnelle (if appui bouton A -> action 😊 elif appui bouton B -> action 🙁).

Lancer de dé

À partir des parties précédentes, réaliser un programme qui simule un lancer de dé à 6 faces. Le programme devra choisir un chiffre entre 1 et 6 au hasard (on utilisera la fonction random qu'il faudra importer via l'instruction import random).
Un bouton servira à effectuer le lancer de dé tandis que l'autre permettra d'effacer l'écran.

L'instruction display.clear() permet d'éteindre les pixels de l'écran.

Améliorations possibles :
  • On pourrait faire s'afficher une petite animation sur l'écran simulant un dé qui roule ou des numéros qui défilent.
  • Au lieu d'afficher un chiffre, afficher une image avec une disposition de points, un peu comme sur les faces d'un véritable dé.

Utilisation des capteurs de la micro:bit

La carte Micro:Bit comporte divers capteurs permettant d'effectuer des mesures de grandeurs :
  • Un accéléromètre
  • Un capteur de luminosité
  • Un capteur de température
  • Un capteur de champ magnétique (ou boussole)

3.1. Le capteur de lumière

En inversant la fonctionnalité des LEDs d'un écran pour devenir un point d'entrée, l'écran LED devient un capteur de lumière basique, permettant de détecter la luminosité ambiante.
La commande display.read_light_level() retourne un entier compris entre 0 et 255 représentant le niveau de lumière.

Compléter le programme ci-dessous pour qu'il affiche une image de lune si on baisse la luminosité (en recouvrant la carte avec sa main par exemple) et un soleil sinon. 

from microbit import *

soleil = Image("90909:"
               "09990:"
               "99999:"
               "09990:"
               "90909:")

lune = Image("00999:"
             "09990:"
             "09900:"
             "09990:"
             "00999:")

while True:
    if display.read_light_level()>"Compléter ici":
        display.show(soleil)
    else:
        display.show("Compléter ici")
    sleep(10)

Aller plus loin : Créer un programme qui allume d'autant plus fort les LEDS que la luminosité est faible pour simuler un lampadaire intelligent tels qu'on les trouve dans les rues de Toulouse. Le tester avec la LED d'un téléphone portable par exemple.

Le Capteur de température

Le micro:bit n'a pas un capteur de température dédié. Au lieu de cela, la température fournie est en fait la température de la puce de silicium du processeur principal.
Comme le processeur chauffe peu en fonctionnement (c'est un processeur ARM à grande efficacité), sa température est une bonne approximation de la température ambiante.
L'instruction temperature() renvoie la température de la carte micro:bit en degrés Celsius.

Écrire un programme qui affiche la température sur la matrice de LED.
Aide : on pourra utiliser l'instruction display.scroll().

Accéléromètre

Un accéléromètre mesure l'accélération de la carte micro:bit ; ce composant détecte quand la micro:bit est en mouvement. Il peut aussi détecter d'autres actions (gestes), par exemple quand elle est secouée, inclinée ou qu'elle tombe.
Les smartphones utilisent un accéléromètre pour savoir dans quel sens afficher les images sur son écran. Des manettes de jeux contiennent aussi des accéléromètres pour aider à tourner et à se déplacer dans les jeux.

  • X : l'inclinaison de gauche à droite.
  • Y : l'inclinaison d'avant en arrière.
  • Z : le mouvement haut et bas.
Dans l'exemple suivant à essayer, l'instruction accelerometer.get_x() permet de détecter un mouvement de gauche à droite en renvoyant un nombre compris entre -1023 et 1023 ; 0 étant la position «d'équilibre».
  1. Téléverser le programme sur la carte micro:bit.
  2. Modifier ce programme pour ajouter des flèches vers le haut et vers le bas quand on oriente la carte micro:bit vers l'avant ou vers l'arrière.
from microbit import *
while True:
    abscisse = accelerometer.get_x()
    if abscisse > 500:
        display.show(Image.ARROW_E)
    elif abscisse < -500:
        display.show(Image.ARROW_W)
    else:
        display.show("-")

Boussole

La boussole détecte le champ magnétique de la Terre, nous permettant de savoir quelle direction la micro:bit indique. La boussole doit être étalonnée avant de pouvoir être utilisée. Pour cela, on utilise compass.calibrate() qui exécute un petit jeu :

  1. Au départ, micro:bit fait défiler "Tilt to fill screen".
  2. Ensuite, il faut incliner micro:bit pour déplacer le point au centre de l'écran autour jusqu'à ce que vous ayez rempli la totalité de l'écran.

La fonction compass.heading() donne le cap de la boussole sous la forme d'un entier compris entre 0 et 360, représentant l'angle en degrés, dans le sens des aiguilles d'une montre, avec le nord égal à 0.

from microbit import *

#Calibrage boussole
compass.calibrate()

#boucle
while True:
    angle = compass.heading()
    if 315 <= angle or angle <= 45:
        display.show("N")
    elif 45 < angle and angle <= 135:
        display.show("E")
    # compléter les autres cas ici
#attente d'une seconde
    sleep(1000)
  1. Préciser le rôle de chaque instruction. Identifier capteur et actionneur.
  2. Copier le programme ci-dessus et le téléverser sur la carte micro:bit avec.
  3. Compléter le programme pour qu'il affiche aussi les directions Sud et Ouest et qu'un appui sur le bouton A provoque une sortie de la boucle suivie d'un effacement de l'écran. La commande pour sortir de la boucle est : break

Microphone

Le micro:bit V2 est doté d’un microphone intégré.
Situé à l’arrière de la carte micro:bit, il est muni d’un trou à l’avant, à droite du logo tactile, permettant l’entrée du son. Il existe aussi une LED de microphone sur la face avant qui s’allume lorsque le microphone est utilisé. 

from microbit import *

#boucle
while True:
    if microphone.current_event() == SoundEvent.LOUD:
        display.show(Image.HAPPY)
    elif microphone.current_event() == SoundEvent.QUIET:
        display.show(Image.ASLEEP)

    # compléter le programme ici
  1. Préciser le rôle de chaque instruction. Identifier capteur et actionneur.
  2. Copier le programme ci-dessus et le téléverser dans la carte micro:bit.
  3. Compléter le programme pour qu'il mesure le niveau sonore (compris entre 0 et 255) lorsqu'on appuie sur le bouton A.
    4. microphone.sound_level

Haut Parleur

Le micro:bit peut lire des mélodies et peut même parler.
Le micro:bit V2 dispose d’un haut-parleur. Pour utiliser les fonctionnaliéts musicales, vous devez importer de la musique peu de temps après le démarrage de votre programme.

from microbit import *

import music
import speech
speech.say('Are you ready for music ?')
sleep(500)
music.play(music.ENTERTAINER)
(nécessite la carte micro:bit V2)
  1. Préciser le rôle de chaque instruction.
  2. Copier le programme ci-dessus et le téléverser dans la carte micro:bit avec.
  3. Réaliser un programme qui joue la musique de Frère Jacques. (Remarque : la notation utilisée pour les notes est la notation anglaise (A,B,C,D,E,F,G correspondant à LA, SI, DO, ...).
    La mélodie de Frère Jacques est la suivante : Do, Ré, Mi, Do, Do, Ré, Mi, Do, Mi, Fa, Sol, Mi, Fa, Sol. Vous pourrez tenter d'améliorer la mélodie en changeant la durée des notes et en ajoutant des pauses aux bons moments. Pour jouer une note : music.play(["C:durée"]). Chaque note est séparée par une virgule.

4. Projets

4.1. Capteur


Créer un programme mettant en œuvre à minima :
  • Un capteur de votre choix
  • Deux images personnelles (Vous pouvez réutiliser celle déjà créée)

Votre programme devra faire interagir l'affichage avec la grandeur captée à votre convenance.

Écrire préalablement votre cahier des charges et le faire valider par l'enseignant.

4.2. Site web

Réaliser un site Web permettant de télécharger votre projet précédent ; le site devra contenir une description du programme.
  • on pourra utiliser la balise <pre> pour écrire le code python sur la page ;
  • on utilisera un lien de téléchargement <a href="dossier/programme.py" download> ;
  • le site contiendra des photos de la carte en fonctionnement et/ou des captures d'écran

4.3. Bluetooth ?

Réaliser un site Web sur le Bluetooth (description, fonctionnement, avantages et inconvénients).