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

🎬 Situation déclenchante

Trois scènes du quotidien, à Antananarivo, un jour ordinaire de saison sèche.

Dans la cour de l'école, le gardien ouvre le robinet de la citerne. Rien ne coule. La citerne est vide depuis la veille au soir, et personne ne l'a vu venir. Il faudra une demi-journée pour la faire remplir.

Sur le rebord d'une fenêtre, un plant a passé cinq jours sans eau. La terre est craquelée. Sous 30 % d'humidité, ce plant ne repartira pas. Quelqu'un serait venu l'arroser, si quelqu'un l'avait su.

Devant une maison, un portail métallique s'ouvre et se referme à la main, cent fois par jour, à chaque véhicule qui se présente.

Ces trois situations ont un point commun. Dans chacune, une grandeur physique change : une hauteur d'eau qui baisse, une humidité de terre qui descend, un véhicule qui approche. Personne ne mesure cette grandeur, donc personne ne décide à temps, donc rien n'agit.

Un objet capable de mesurer, de décider et d'agir résoudrait chacun de ces trois problèmes. Un tel objet s'appelle un Smart Object. Il tient dans une boîte de la taille d'une main, il coûte quelques dizaines de milliers d'ariary, il fonctionne sur un bloc de piles, et il continue de fonctionner pendant une coupure de courant.

Vous disposez de quatre séances pour en concevoir un, le programmer, le fabriquer et prouver qu'il fonctionne.

✏ Activité 1 : Séance 1 : Constituer le groupe, choisir le sujet, répartir les tâches

Formez un groupe de 3 élèves (2 au minimum). Remplissez la fiche d'identité du groupe. Écrivez d'abord la répartition des tâches, ensuite seulement le sujet choisi.

1. Écrivez les noms et prénoms des membres du groupe.
2. Attribuez les trois rôles, un rôle par élève : responsable du journal de bord, responsable du programme, responsable du croquis coté. Chaque élève écrit son rôle en face de son nom. Un rôle ne veut pas dire que l'élève travaille seul : il veut dire que cet élève est responsable de la production.
3. Choisissez un sujet parmi les six sujets proposés, ou proposez un septième sujet. Un sujet libre est accepté seulement s'il utilise uniquement les capteurs et les actionneurs de la liste du matériel. Faites-le valider oralement par le professeur avant d'écrire quoi que ce soit d'autre.
4. Écrivez le sujet choisi et la date.

Sujets proposés :
Sujet 1, Arroser un plant pendant la saison sèche. Capteur d'humidité du sol, mini-pompe commandée par un module relais.
Sujet 2 : Prévenir quand la citerne de l'école est presque vide, pour aller la remplir avant la coupure d'eau. Capteur ultrason HC-SR04, buzzer ou écran LCD.
Sujet 3 : Compter les entrées au CDI, le centre de documentation et d'information. Capteur infrarouge, écran LCD.
Sujet 4 : Commander l'ouverture d'un portail automatique quand un véhicule se présente. Capteur infrarouge ou ultrason, servomoteur, LED.
Sujet 5 : Suivre la température et l'humidité de l'air pendant la saison des pluies. Capteur DHT22, écran LCD.
Sujet 6 : Faire circuler le mBot sur un parcours sans toucher les obstacles. Capteur ultrason du mBot.

La répartition des tâches peut être modifiée pendant la séquence. Elle est alors barrée et réécrite, avec la date. Elle n'est jamais effacée.

Ce que tu dois produire : La fiche d'identité du groupe, remplie et lisible : trois noms, trois rôles écrits, le sujet choisi, la date. Cette fiche reste dans le dossier projet pendant les quatre séances.

✏ Activité 2 : Toutes les séances : Le journal de bord du groupe et la ligne individuelle

Le journal de bord est une feuille unique, conservée dans le dossier projet. Il est rempli à la fin de chaque séance, pendant les cinq dernières minutes. En séance 2 et en séance 4, ces cinq minutes sont prises dans le temps de clôture de la séance, au moment de la signature du dossier puis de sa remise. Il ne se rattrape pas : un journal rempli entièrement le dernier jour n'est pas un journal de bord.

Étape 1 : Les trois lignes du groupe. À la fin de chaque séance, le responsable du journal écrit trois lignes, et seulement trois lignes :
Ligne 1, Ce qui est fait aujourd'hui.
Ligne 2 : Ce qui reste à faire à la séance suivante.
Ligne 3 : Une difficulté rencontrée aujourd'hui.

Étape 2 : La ligne individuelle. Ensuite, et seulement ensuite, chaque membre du groupe écrit lui-même, de sa propre main, une seule ligne qui commence par « Aujourd'hui, j'ai … », puis il signe à côté. Trois lignes de groupe et une ligne par élève : le tout tient en six lignes et prend trois minutes. Cette ligne individuelle est la seule trace écrite personnelle de la séquence : elle sert au professeur à savoir ce que chacun a réellement produit.

Écrivez la date et le numéro de la séance au début de chaque bloc. Écrivez des phrases courtes et précises. Une valeur chiffrée vaut mieux qu'un adjectif : écrivez « le capteur renvoie 0 cm » plutôt que « le capteur ne marche pas bien ».

Le professeur peut écrire lui-même une phrase sur votre journal de bord, par exemple une consigne pour la séance suivante. Cette phrase ne s'efface pas.

Ce que tu dois produire : Un journal de bord renseigné aux quatre séances, avec pour chaque séance la date, le numéro de séance, les trois lignes du groupe, et une ligne écrite et signée par chaque élève du groupe.

✏ Activité 3 : Séance 1 : Rédiger le cahier des charges du Smart Object

Le cahier des charges écrit ce que l'objet doit faire, avant de savoir comment il le fera. Remplissez les quatre parties dans l'ordre.

Partie A : Le besoin. Écrivez en une phrase le problème réel à résoudre. Commencez par « Il faut… » ou « Le problème est que… ». Ne parlez pas encore de capteur ni de carte.

Partie B : L'utilisateur visé. Écrivez qui va se servir de l'objet, et où. Une personne précise, pas « tout le monde ».

Partie C : Les trois fonctions de service. Remplissez le tableau à trois lignes, FS1, FS2, FS3. FS1 est la fonction principale, celle qui devra fonctionner en séance 4. Chaque fonction reçoit un critère de performance chiffré, avec une unité. Règle annoncée par le professeur : une fonction de service qui ne peut pas se mesurer ne pourra pas se valider en séance 4. Elle sera refusée maintenant.
Deuxième règle, tout aussi importante : l'essai doit pouvoir se faire pendant une séance de 1h30. Un critère juste mais impossible à vérifier en classe, par exemple « fonctionner 2 heures sur piles », doit être réécrit sous une forme vérifiable en classe.

Partie D : Les contraintes. Remplissez les quatre lignes du tableau : budget maximal en ariary ; dimensions maximales du boîtier en millimètres ; alimentation, bloc de piles ou port USB ; consommation d'énergie, c'est-à-dire l'objet doit-il continuer de fonctionner pendant une coupure de courant ?

Faites valider le cahier des charges oralement par le professeur avant de passer à la suite.

Une version de cette fiche à cases à cocher existe. Le besoin, l'utilisateur et les critères de performance y sont proposés au choix. Vous cochez, puis vous écrivez vous-même les valeurs chiffrées. Demandez-la au professeur si vous en avez besoin.

Ce que tu dois produire : Le cahier des charges complet et validé oralement : besoin en une phrase, utilisateur visé, tableau de trois fonctions de service avec un critère chiffré et une unité pour chacune, tableau de quatre contraintes renseigné.

✏ Activité 4 : Séance 1 : Mesurer les composants et calculer les dimensions intérieures du boîtier

Récupérez la carte et les composants que vous pensez utiliser. Vous allez mesurer quatre éléments et en déduire la taille intérieure de votre futur boîtier.

1. Mesurez la longueur, la largeur et la hauteur de quatre éléments : la carte, la plaque d'essai, le capteur principal, le bloc de piles. Écrivez chaque mesure en millimètres, avec un chiffre après la virgule quand vous utilisez le pied à coulisse.
Attention : la plaque d'essai se mesure elle aussi, car elle restera à l'intérieur du boîtier. En séance 4, le câblage ne sera pas défait.
2. Organisation du matériel : deux pieds à coulisse circulent dans la classe, 5 minutes par groupe, pour les pièces petites ou épaisses. L'ordre de passage est affiché au tableau. Le reste se mesure à la règle graduée. Une mesure à la règle s'écrit au millimètre entier.
3. Posez les quatre éléments à plat sur la table, dans la disposition que vous voulez leur donner à l'intérieur de la boîte. Laissez 5 mm entre deux éléments voisins.
4. Calculez et écrivez les trois dimensions intérieures : longueur intérieure, largeur intérieure, hauteur intérieure. Méthode imposée : la longueur intérieure est la longueur de la rangée la plus longue ; la largeur intérieure est la somme des largeurs des rangées, plus 5 mm entre deux rangées ; la hauteur intérieure est la hauteur de l'élément le plus haut, plus 10 mm pour le passage des fils.
5. Écrivez les ouvertures nécessaires, avec leurs dimensions : passage du câble USB, fenêtre du capteur, trou de la LED.
6. Rangez les composants dans la boîte au nom de votre groupe. Le professeur la conserve.

Ce que tu dois produire : Le tableau des mesures des quatre éléments en millimètres, les trois dimensions intérieures calculées avec le détail du calcul écrit, et la liste des ouvertures avec leurs dimensions.

✏ Activité 5 : Séance 2 : Tableau des composants et schéma de câblage

1. Remplissez le tableau des composants. Une ligne par composant, trois colonnes : nom du composant, type, rôle dans votre projet. Le type est l'un des quatre mots suivants, et seulement l'un des quatre : capteur, traitement, actionneur, alimentation. Le rôle est écrit en reliant le composant à une fonction de service : « mesure la distance jusqu'à l'eau, pour FS1 ».

2. Dessinez le schéma de câblage à la main, au crayon, sur la fiche. Cinq règles s'appliquent.
Règle 1, Chaque fil du dessin porte une étiquette écrite : « +5V », « GND », ou le nom de la broche, par exemple « D7 ». Le dessin doit se lire en noir et blanc. Il ne dépend d'aucune couleur.
Règle 2 : Sur le montage réel, on utilise un fil rouge pour le +5 V et un fil noir pour la masse GND. C'est une règle de câblage, pas une règle de dessin.
Règle 3 : Une résistance de 220 ohms se place en série avec chaque LED.
Règle 4 : La mini-pompe n'est jamais branchée sur une broche de la carte. Elle passe par le module relais et par son propre bloc de 4 piles AA. Aucun montage n'est relié au réseau électrique 220 V.
Règle 5 : Le bloc de piles de la carte se branche sur la prise d'alimentation de la carte, et jamais sur la broche +5V. Le petit servomoteur du portail se branche par trois fils : le fil de commande sur une broche, par exemple D9 ; le fil d'alimentation sur +5V ; le fil de masse sur GND. Un servomoteur plus gros reçoit sa propre alimentation par piles, et sa masse est alors reliée à la masse GND de la carte.

3. Écrivez sous le schéma une ligne de légende qui reprend les trois étiquettes utilisées.

Le schéma se dessine à la main, et non dans un logiciel de simulation : il ne dépend ni de la connexion Internet ni du courant électrique.

Ce que tu dois produire : Le tableau des composants complet avec type et rôle pour chaque ligne, et le schéma de câblage dessiné à la main, entièrement étiqueté, avec sa ligne de légende.

✏ Activité 6 : Séance 2 : Algorithme en pseudo-code, puis organigramme

1. Écrivez l'algorithme principal en pseudo-code. Il comporte quatre ou cinq lignes d'action, pas davantage. Les lignes de structure Début, Répéter toujours, Fin Répéter et Fin ne sont pas comptées dans ces quatre ou cinq lignes. Le pseudo-code est écrit en français, avec des mots simples. Il n'est pas du code : il ne se tape pas dans l'ordinateur.
Votre algorithme doit faire apparaître la fonction FS1, dans cet ordre : lire la valeur du capteur, la comparer à un seuil, déclencher l'actionneur si le seuil est franchi.
Utilisez les mots suivants : Début, Répéter, Lire, Si … Alors … Sinon, Fin Si, Fin Répéter, Fin.

2. Traduisez ce pseudo-code en organigramme. Quatre symboles seulement, et rien d'autre :
l'ovale marque le début et la fin ;
le parallélogramme, c'est-à-dire un rectangle penché, marque une entrée ou une sortie, par exemple « lire le capteur » ou « allumer la LED » ;
le rectangle marque un calcul ou une affectation, par exemple « hauteur = 30 − distance » ;
le losange marque un test. Deux flèches sortent du losange : l'une porte le mot « oui », l'autre le mot « non ».
Les symboles sont reliés par des flèches verticales. La flèche « non » du losange remonte vers le début de la boucle.

3. Vérifiez vous-mêmes, avant d'appeler le professeur, le seul point qu'il contrôlera pour chaque groupe : le seuil écrit dans le test est exactement le critère de performance chiffré écrit dans votre cahier des charges en séance 1, valeur et unité comprises. S'ils diffèrent, corrigez l'un des deux, et écrivez la correction dans le journal de bord.

Un gabarit avec les quatre symboles déjà tracés et vides est disponible auprès du professeur. Il se complète par du texte court.

Ce que tu dois produire : Le pseudo-code de quatre ou cinq lignes d'action et l'organigramme correspondant, dessinés sur la fiche, cohérents l'un avec l'autre et avec le cahier des charges.

✏ Activité 7 : Séance 2 : Croquis coté du boîtier en deux vues, puis saisie de la façade sous FreeCAD

Le boîtier est volontairement réduit à deux pièces : une boîte ouverte, et une façade plate percée qui la ferme.

1. Reprenez les trois dimensions intérieures calculées en séance 1. Ajoutez 2 mm de jeu sur chacune des trois. Le jeu est l'espace en plus qui permet de poser les composants sans forcer. Écrivez les trois nouvelles valeurs.
2. Dessinez le croquis coté à la main, au crayon, sur le gabarit fourni, en deux vues. Une cote est une ligne fine terminée par deux flèches, avec la valeur en millimètres écrite au-dessus. Aucune couleur n'est utilisée : les percements sont hachurés au crayon.
Vous dessinez trois percements, et trois seulement : le trou de la LED, la fenêtre du capteur, l'encoche du câble USB. Les quatre trous de vis qui fixent la façade sont prévus par le professeur sur la boîte paramétrable et sur le contour de la façade : vous n'avez pas à les dessiner.
3. Saisissez ensuite la seule façade sous FreeCAD, sur le poste, en local. Vous dessinez un rectangle et les trois percements. Vous ne modélisez pas la boîte : le professeur fournit une boîte paramétrable qu'il règle à vos cotes. Si votre groupe est en avance, vous pouvez modéliser la boîte vous-mêmes ; demandez au professeur.
Règle de priorité, si le temps manque : le croquis coté passe avant la saisie. Un croquis coté complet remis au professeur vaut mieux qu'une saisie commencée et non terminée.
4. Pendant les dix dernières minutes de la séance, au moment de la signature : enregistrez votre fichier sur la clé USB de votre groupe, puis copiez-le sur la clé USB de la classe, celle que le professeur conserve. Vous copiez aussi vos trois cotes de boîte, écrites dans un fichier texte ou recopiées sur une feuille remise au professeur.

Solution de secours. Si un poste ne démarre pas, ou si le courant est coupé, le croquis coté sur papier suffit. Le professeur saisira lui-même la façade à partir de votre croquis. Votre groupe n'est pas pénalisé : c'est le croquis coté qui est évalué, pas la saisie sous FreeCAD.

Le professeur signe votre dossier de conception. Aucun groupe ne passe à la programmation sans cette signature. Entre la séance 2 et la séance 4, c'est le professeur qui lance les impressions 3D et les découpes laser, en dehors des heures de cours.

Ce que tu dois produire : Le croquis coté en deux vues, complet et conforme aux mesures de la séance 1, jeu compris. Le fichier de façade enregistré sur la clé USB du groupe et copié sur la clé USB de la classe, ou bien le croquis coté remis au professeur pour qu'il fasse la saisie. Le dossier de conception signé par le professeur.

✏ Activité 8 : Séance 3 : Câbler le montage sur plaque d'essai

1. Montez le circuit sur la plaque d'essai en suivant votre propre schéma de câblage de la séance 2. Ne branchez rien d'après votre mémoire : suivez le dessin, fil par fil, et cochez chaque liaison sur le schéma au fur et à mesure.
2. Respectez la règle de câblage réel : fil rouge pour le +5 V, fil noir pour la masse GND. Cette règle ne concerne pas votre dessin, elle concerne les vrais fils. Elle permet de repérer une erreur d'alimentation rapidement, en regardant le montage.
3. Le montage n'est pas mis sous tension avant le contrôle du professeur. La carte reste débranchée, le bloc de piles reste débranché. Levez la main et attendez.
4. Le professeur vérifie quatre points : le sens de l'alimentation ; la présence des résistances de 220 ohms en série avec les LED ; l'absence de contact direct entre le +5 V et la masse, ce qu'on appelle un court-circuit ; et que le bloc de piles arrive bien sur la prise d'alimentation de la carte, jamais sur la broche +5V. Si votre groupe utilise la mini-pompe, il vérifie en plus que la pompe est branchée sur le module relais et sur son propre bloc de piles, et non sur une broche de la carte.
5. Une fois le montage vérifié, photographiez-le. Cette photo est une trace : elle permettra de remonter le montage à l'identique si un fil est arraché pendant le transport ou pendant l'assemblage de la séance 4.

Ce que tu dois produire : Un montage câblé sur plaque d'essai, contrôlé par le professeur avant toute mise sous tension, et une photographie de ce montage vérifié, enregistrée sur la clé USB du groupe.

✏ Activité 9 : Séance 3 : Programmer le Smart Object bloc par bloc

Vous programmez sur mBlock ou dans l'IDE Arduino, sur le poste, en local. Les bibliothèques dont vous avez besoin sont déjà installées : ne téléchargez rien.

Consigne de méthode, obligatoire : n'écrivez pas tout le programme d'un seul coup. Avancez par blocs, et testez chaque bloc avant d'écrire le suivant. Un programme écrit en une seule fois qui ne fonctionne pas ne se dépanne pas en une séance.

Bloc 1 : Lire le capteur et afficher la valeur. Téléversez, ouvrez le moniteur série ou regardez l'écran, et vérifiez que la valeur change quand vous approchez la main, quand vous humidifiez la terre, quand vous soufflez sur le capteur. Tant que la valeur ne change pas, n'écrivez pas le bloc 2.
Bloc 2 : Comparer cette valeur au seuil. Faites afficher un mot différent selon le résultat de la comparaison, par exemple « bas » et « normal ». Vérifiez que le mot change au bon moment.
Bloc 3 : Commander l'actionneur. Remplacez l'affichage par la commande réelle : buzzer, LED, servomoteur, écran, ou pompe par le relais.

Sauvegardez après chaque bloc réussi, sur le poste et sur la clé USB de votre groupe. Les coupures de courant sont fréquentes. Un travail non sauvegardé est un travail perdu.

Les dix dernières minutes de la séance servent à sauvegarder une dernière fois, à ranger le matériel et à faire le point avec le professeur.

À la fin de la séance, écrivez dans le journal de bord ce qui fonctionne, ce qui ne fonctionne pas, ce qui reste à faire, puis votre ligne individuelle.

Un programme à trous est disponible auprès du professeur. Les blocs mBlock y sont déjà en place, dans le bon ordre. Vous complétez la valeur du seuil, le numéro de la broche et le nom de l'actionneur. C'est le fonctionnement obtenu qui est évalué : ce support ne change pas le niveau atteignable.

Ce que tu dois produire : Un programme sauvegardé sur le poste et sur la clé USB du groupe, qui assure au minimum la fonction FS1 : lire le capteur, comparer au seuil, commander l'actionneur. Le journal de bord de la séance 3 renseigné.

✏ Activité 10 : Séance 4 : Assembler le prototype dans son boîtier

Le professeur distribue les pièces fabriquées en dehors des heures de cours. Il a déjà retiré les supports d'impression.

1. Ébavurez rapidement les bords au papier de verre. Ébavurer veut dire enlever les petites bavures de matière restées sur les bords après la fabrication. Quelques passages suffisent. Vous ne poncez pas la pièce entière et vous ne la peignez pas.
2. Ne défaites pas le câblage. La plaque d'essai entre entièrement dans la boîte, avec la carte et le capteur, telle qu'elle a été câblée en séance 3.
3. Branchez la fiche USB sur la carte avant de poser la façade. Faites ensuite passer les câbles par les ouvertures prévues : encoche du câble USB, fenêtre du capteur, trou de la LED.
4. Fixez la plaque d'essai et la carte dans la boîte. La plaque d'essai a une bande adhésive à l'arrière. La carte se fixe par deux vis M3 ou par un point d'adhésif. Un prototype dans lequel les composants ne sont pas fixés arrache un câble au premier déplacement de la table. Placez le bloc de piles de manière à pouvoir l'atteindre sans tout démonter.
5. Vissez la façade dans les quatre trous prévus par le professeur.
6. Reprenez la photographie de la séance 3 et comparez-la à votre montage. Elle sert à vérifier qu'aucun fil ne s'est déplacé pendant le transport.
7. Appelez le professeur. Il vérifie une dernière fois avant la mise sous tension.

Si la pièce de votre groupe a raté à la fabrication, vous assemblez sur une boîte en contreplaqué découpée au laser, ou à défaut sur un support en carton découpé aux mêmes cotes. Votre prototype reste évaluable et votre groupe n'est pas pénalisé : le critère porte sur les cotes respectées et sur la tenue de l'assemblage, pas sur le procédé de fabrication utilisé.

Ce que tu dois produire : Un prototype assemblé : boîte, plaque d'essai câblée, carte et capteur fixés, câbles passés par les ouvertures, façade vissée. Le montage est vérifié par le professeur avant la mise sous tension.

✏ Activité 11 : Séance 4 : Fiche d'essai, débogage, et remise du dossier projet évalué

Cette activité est l'évaluation de la séquence. Il n'y a pas de devoir écrit : c'est votre projet qui est évalué, à partir de vos productions réelles.

Partie 1 : Fiche d'essai, 30 minutes.
Remplissez une ligne par fonction de service, FS1, FS2, FS3, avec quatre colonnes :
colonne 1, ce qui est attendu, recopié de votre cahier des charges avec sa valeur chiffrée ;
colonne 2, la manière de faire l'essai, écrite assez précisément pour qu'une autre personne puisse la refaire ;
colonne 3, la valeur mesurée pendant l'essai ;
colonne 4, la conclusion, « conforme » ou « non conforme ».
Les essais sont réels et se font devant le professeur. Il observe lui-même au moins un essai par groupe et écrit ce qu'il a constaté sur votre fiche.

Partie 2 : Débogage, 15 minutes. Ce temps est réservé aux fonctions déclarées non conformes : ajuster la valeur du seuil, corriger un test écrit à l'envers, remettre en place un fil mal enfoncé. Pour chaque non-conformité, écrivez la cause trouvée, la correction apportée, puis refaites l'essai et écrivez le second résultat. Si toutes vos fonctions sont déjà conformes, améliorez une seule chose à votre choix : un message sur l'écran LCD, un temps d'attente entre deux mesures, une LED qui indique que l'objet est allumé.

Partie 3 : Photos et remise du dossier, 15 minutes.
Photographiez votre prototype assemblé et en fonctionnement. Copiez les photos et le programme final sur votre clé USB et sur celle de la classe.
Remettez au professeur le dossier projet complet, dans cet ordre : fiche d'identité du groupe et répartition des tâches ; cahier des charges ; dossier de conception signé, c'est-à-dire tableau des composants, schéma de câblage, pseudo-code, organigramme, croquis coté ; programme imprimé ou sur clé ; fiche d'essai contresignée ; journal de bord des quatre séances, lignes individuelles comprises.

Vous recevez alors la fiche ressource « chaîne numérique ». Elle n'est pas travaillée en classe. Rangez-la dans votre dossier de révision du DNB, avec la fiche « architecture d'un Smart Object » reçue en séance 1. La séquence 9 reprendra ce dossier et ces photos pour préparer la soutenance orale : c'est là que se fera le bilan du projet.

Ce que tu dois produire : La fiche d'essai renseignée fonction par fonction et contresignée par le professeur, les photographies du prototype en fonctionnement, et le dossier projet complet remis au professeur en fin de séance.

📒 Trace écrite, à compléter et à coller