Arduino UNO - Premiers pas avec les objets connectés


Découverte de l'Arduino

Une équipe de développeurs composée de Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino, David Mellis et Nicholas Zambetti a imaginé un projet répondant au doux nom de Arduino et mettant en œuvre une petite carte électronique programmable et un logiciel multiplateforme, qui puisse être accessible à tout un chacun dans le but de créer facilement des systèmes électroniques. Étant donné qu’il y a des débutants parmi nous, commençons par voir un peu le vocabulaire commun propre au domaine de l’électronique et de l’informatique.

Une carte électronique est un support plan, flexible ou rigide, généralement composé d'epoxy ou de fibre de verre. Elle possède des pistes électriques disposées sur une, deux ou plusieurs couches (en surface et/ou en interne) qui permettent la mise en relation électrique des composants électroniques. Chaque piste relie tel composant à tel autre, de façon à créer un système électronique qui fonctionne et qui réalise les opérations demandées.

J’ai parlé de carte électronique programmable au début de ce chapitre. Mais savez-vous ce que c’est exactement ? Non pas vraiment. Alors voyons ensemble de quoi il s’agit. La carte Arduino est une carte électronique qui ne sait rien faire sans qu’on lui dise quoi faire. Pourquoi ? Eh bien c’est dû au fait qu’elle est programmable. Cela signifie qu’elle a besoin d’un programme pour fonctionner.

Un programme est une liste d’instructions qui est exécutée par un système. Par exemple votre navigateur internet, avec lequel vous lisez probablement ce cours, est un programme. On peut analogiquement faire référence à une liste de course :
 

Chaque élément de cette liste est une instruction qui vous dit : "Va chercher le lait" ou "Va chercher le pain", etc. Dans un programme le fonctionnement est similaire :

• Attendre que l’utilisateur rentre un site internet à consulter
• Rechercher sur internet la page demandée
• Afficher le résultat

Tel pourrait être le fonctionnement de votre navigateur internet. Il va attendre que vous lui demandiez quelque chose pour aller le chercher et ensuite vous le montrer. Eh bien, tout aussi simplement que ces deux cas, une carte électronique programmable suit une liste d’instructions pour effectuer les opérations demandées par le programme.

Des programmes, on peut en trouver de partout. Mais restons concentrés sur Arduino. Le programme que nous allons mettre dans la carte Arduino, c’est nous qui allons le réaliser. Oui, vous avez bien lu : nous allons programmer cette carte Arduino. Bien sûr, ce ne sera pas aussi simple qu’une liste de course, mais rassurez-vous cependant car nous allons réussir quand même ! Je vous montrerai comment y parvenir, puisque avant tout c’est un des objectifs de ce tutoriel. Voici un exemple de programme  simple:

Vous le voyez comme moi, il s’agit de plusieurs lignes de texte, chacune étant une instruction. Ce langage ressemble à un véritable baragouin et ne semble vouloir a priori rien dire du tout… Et pourtant, c’est ce que nous saurons faire dans quelques temps ! Car nous apprendrons le langage informatique utilisé pour programmer la carte Arduino. Je ne m’attarde pas sur les détails, nous aurons amplement le temps de revenir sur le sujet plus tard. Pour répondre à la deuxième question, nous allons avoir besoin d’un logiciel…

Bon, je ne vais pas vous faire le détail de ce qu’est un logiciel, vous savez sans aucun doute de quoi il s’agit. Ce n’est autre qu’un programme informatique exécuté sur un ordinateur. Oui, pour programmer la carte Arduino, nous allons utiliser un programme ! En fait, il va s’agir d’un compilateur. Alors qu’est-ce que c’est exactement ?

En informatique, ce terme désigne un logiciel qui est capable de traduire un langage informatique, ou plutôt un programme utilisant un langage informatique, vers un langage plus approprié afin que la machine qui va le lire puisse le comprendre. C’est un peu comme si le patron anglais d’une firme Chinoise donnait des instructions en anglais à un de ses ouvriers chinois. L’ouvrier ne pourrait comprendre ce qu’il doit faire. Pour cela, il a besoin que l’on traduise ce que lui dit son patron. C’est le rôle du traducteur. Le compilateur va donc traduire les instructions du programme précédent, écrites en langage texte, vers un langage dit "machine". Ce langage utilise uniquement des 0 et des 1. Nous verrons plus tard pourquoi. Cela pourrait être imagé de la façon suivante :

Donc, pour traduire le langage texte vers le langage machine (avec des 0 et des 1), nous aurons besoin de ce fameux compilateur. Et pas n’importe lequel, il faut celui qui soit capable de traduire le langage texte Arduino vers le langage machine Arduino. Et oui, sinon rien ne va fonctionner. Si vous mettez un traducteur Français vers Allemand entre notre patron anglais et son ouvrier chinois, ça ne fonctionnera pas mieux que s’ils discutaient directement.

Et pourquoi on doit utiliser un traducteur, on peut pas simplement apprendre le langage machine directement ?

Comment dire… non ! Non parce que le langage machine est quasiment impossible à utiliser tel quel. Par exemple, comme il est composé de 0 et de 1, si je vous montre ça : "0001011100111010101000111", vous serez incapable, tout comme moi, de dire ce que cela signifie ! Et même si je vous dis que la suite "01000001" correspond à la lettre "A", je vous donne bien du courage pour coder rien qu’une phrase !  Bref, oubliez cette idée. C’est quand même plus facile d’utiliser des mots anglais (car oui nous allons être obligés de faire un peu d’anglais pour programmer, mais rien de bien compliqué rassurez-vous) que des suites de 0 et de 1.

Là, je ne vais pas vous dire grand chose car c’est l’environnement de développement qui va gérer tout ça. Nous n’aurons qu’à apprendre comment utiliser ce dernier et il se débrouillera tout seul pour envoyer le programme dans la carte. Nah ! Nous n’aurons donc qu’à créer le programme sans nous soucier du reste.

Avec Arduino, nous allons commencer par apprendre à programmer puis à utiliser des composants électroniques. En fin de compte, nous saurons créer des systèmes électroniques plus ou moins complexes. Mais ce n’est pas tout…

D’abord, Arduino c’est…… une carte électronique programmable et un logiciel gratuit  mais aussi:

• Un prix dérisoire étant donné l’étendue des applications possibles. On comptera 20 euros pour la carte que l’on va utiliser dans le cours. Le logiciel est fourni gratuitement !
• Une compatibilité sous toutes les plateformes, à savoir : Windows, Linux et Mac OS.
• Une communauté ultra développée ! Des milliers de forums d’entre-aide, de présentations de projets, de propositions de programmes et de bibliothèques, …
• Un site en anglais arduino.cc et un autre en français arduino.cc où vous trouverez tout de la référence Arduino, le matériel, des exemples d’utilisations, de l’aide pour débuter, des explications sur le logiciel et le matériel, etc.
• Une liberté quasi absolue. Elle constitue en elle-même deux choses :
• Le logiciel : gratuit et open source, développé en Java, dont la simplicité d’utilisation relève du savoir cliquer sur la souris.
• Le matériel : cartes électroniques dont les schémas sont en libre circulation sur internet.

Voici une liste non exhaustive des applications possibles réalisées grâce à Arduino :

• contrôler des appareils domestiques
• donner une "intelligence" à un robot
• réaliser des jeux de lumières
• permettre à un ordinateur de communiquer avec une carte électronique et différents capteurs
• télécommander un appareil mobile (modélisme)
• etc.

Il y a une infinité d’autres utilisations, vous pouvez simplement chercher sur votre moteur de recherche préféré ou sur Youtube le mot "Arduino" pour découvrir les milliers de projets réalisés avec !

Nous allons avant tout découvrir Arduino dans son ensemble et apprendre à l’utiliser. Dans un premier temps, il s’agira de vous présenter ce qu’est Arduino, comment cela fonctionne globalement, pour ensuite entrer un peu plus dans le détail. Nous allons alors apprendre à utiliser le langage Arduino pour pouvoir créer des programmes très simples pour débuter. Nous enchaînerons ensuite avec les différentes fonctionnalités de la carte et ferons de petits TP qui vous permettront d’assimiler chaque notion abordée. Dès lors que vous serez plutôt à l’aise avec toutes les bases, nous nous rapprocherons de l’utilisation de composants électroniques plus ou moins complexes et finirons par un plus "gros" TP alliant la programmation et l’électronique. De quoi vous mettre de l’eau à la bouche ! 

Pédagogiquement, Arduino a aussi pas mal d’atouts. En effet, ses créateurs ont d’abord pensé ce projet pour qu’il soit facile d’accès. Il permet ainsi une très bonne approche de nombreux domaines et ainsi d’apprendre plein de choses assez simplement.

Voici quelques exemples d’utilisation possible :

• Simuler le fonctionnement des portes logiques
• Permettre l’utilisation de différents capteurs
• Mettre en œuvre et faciliter la compréhension d’un réseau informatique
• Se servir d’Arduino pour créer des maquettes animées montrant le fonctionnement des collisions entres les plaques de la croûte terrestre, par exemple 
• Donner un exemple concret d’utilisation des matrices avec un clavier alphanumérique 16 touches ou plus
• Être la base pour des élèves ayant un TP à faire pour le BAC

Pour terminer de vous convaincre d’utiliser Arduino pour découvrir le monde merveilleux de l’embarqué, il existe différents outils qui peuvent être utilisés avec Arduino. Je vais en citer deux qui me semblent être les principaux : Ardublock est un outil qui se greffe au logiciel Arduino et qui permet de programmer avec des blocs. Chaque bloc est une instruction. On peut aisément faire des programmes avec cet outil et même des plutôt complexes. Cela permet par exemple de se concentrer sur ce que l’on doit faire avec Arduino et non se concentrer sur Arduino pour ensuite ce que l’on doit comprendre avec. Citons entre autre la simulation de porte logique : il vaut mieux créer des programmes rapidement sans connaitre le langage pour comprendre plus facilement comment fonctionne une porte logique. Et ce n’est qu’un exemple. Cela permet aussi à de jeunes enfants de commencer à programmer sans de trop grandes complications.

Processing est une autre plateforme en lien avec Arduino. Là il n’y a pas de matériel, uniquement un logiciel. Il permet entre autre de créer des interfaces graphiques avec un langage de programmation très similaire à celui d’Arduino. Par contre, cela demande un niveau un peu plus élevé pour pouvoir l’utiliser, même si cela reste simple dans l’ensemble.

Voilà un exemple de ce que j’avais réalisé avec Processing pour faire communiquer mon ordinateur avec ma carte Arduino :

Tout au long du cours, nous allons utiliser du matériel en supplément de la carte.

Une carte Arduino UNO	Un cable USB A mâle / B mâle	Une plaque d'essai (BreadBoard)	Un lot de fil

Voici donc la liste du matériel nécessaire pour suivre le cours.