La brique NXT est un micro-contrôleur qu'il faut utiliser pleinement. C'est pourquoi dialoguer avec un NXT dans le domaine de l'enregistrement des données peut à la fois être instructif et divertissant. Il est en effet facile d'emploi et suffisamment puissant grâce à ses capteurs, le tout à un coût abordable. Il est réutilisable à l'infini, c'est pour cela qu'il faut sans cesse l'exploiter. C'est aussi un bon moyen pour stimuler l'imagination et élargir ses connaissances sans pour cela fréquenter des laboratoires sophistiqués.
Rappels:
Nous allons aborder un aspect particulier de l'emploi des données au travers de la manipulation des fichiers.
Vous trouverez dans le Guide de programmation NXT-G Vers. 1.1 leçon n°13 Trucs et astuces… (page 154) une première utilisation du bloc Accès aux fichiers qui traite du sujet.
Il existe une autre façon de l'utiliser dans le domaine de l'expérimentation et de la récupération des informations. Non seulement ce bloc est capable d'enregistrer des données, mais il est aussi capable de les restituer à un ordinateur pour les traiter d'une manière plus scientifique.
1 - Quid un enregistreur de données? (Datalogger)
L'idée de base d'enregistrement de données (datalogging en anglais) consiste à réaliser une expérience, en s'aidant d'un ordinateur pour effectuer un travail fastidieux, à savoir noter à votre place une grande quantité d'informations.
Par exemple, si vous voulez connaître le changement de température extérieure pendant le cours d'une journée entière, vous pourriez vous installer à proximité d'un thermomètre, et enregistrer soigneusement toutes les cinq minutes sur une feuille de papier la température,et reporter plus tard les résultats sous forme de graphique… mais cela se traduirait par une énorme quantité de travail. Dans d'autres cas vous souhaiteriez étudier des conditions quelque peu dangereuses ou inaccessibles (la lumière s'éteint-elle vraiment dans le réfrigérateur quand vous fermez la porte ?), ou comprendre ce qui arrive dans un processus trop rapide manuellement pour l'enregistrer (à quelle vitesse une ampoule incandescente s'allume-t-elle ?).
Dans tous ces cas vous pouvez utiliser un micro-contrôleur comme la brique NXT pour automatiser le processus.
En fait, on trouve dans le commerce un grand nombre de capteurs simples et d'enregistreurs de données, pour des besoins environnementaux naturels ou industriels, mais ils ont tendance à être très spécifiques (l'enregistrement à partir d'un capteur spécifique ou deux seulement) ou plutôt chers. Avec la brique NXT, c'est flexible, relativement peu coûteux et très facile.
Vous trouverez beaucoup d'ouvrages spécialisés et des sites Web pour vous renseigner sur la fabrication de vos propres capteurs personnalisés assez faciles à interfacer.
Quelques exemples du monde réel, comme la surveillance de la température et l'humidité d'une vitrine de musée, ou le niveau d'étiage d'une rivière pendant un orage. L'enregistrement de données a aussi été utilisé pour surveiller les accélérations expérimentales des montagnes russes (un équipement de « simulacre d'essai » est envoyé sur le parcours avant qu'un humain ne l'emprunte). On pourrait citer aussi Les accélérations et la consommation de carburant d'un camion pendant un long périple. L'une des utilisations les plus connues est probablement la «boîte noire». C'est essentiellement un enregistreur de tous les systèmes critiques de l'avion : les positions des surfaces à contrôler, la vitesse relative, les accélérations et souvent beaucoup d'autres éléments. Tout cela peut être utilisé pour reconstituer les conditions pendant un vol (une variante serait le dispositif de contrôle de la Navette spatiale Columbia, qui a fourni un nombre considérable de mesures après la catastrophe quand il a été retrouvé au sol, en grande partie intact.
2 - Débuter avec un enregistreur de données
Pour commencer avec un exemple simple, nous allons étudier le niveau lumineux dans une pièce pendant une période donnée.
Par exemple, quand vous allumez une ampoule électrique, il arrive que les démarrages ne sont pas immédiats et qu'elle s'éclaire ensuite progressivement dans le temps. Vous pouvez le voir, mais pour déterminer le temps nécessaire pour atteindre la "pleine luminosité", ou pour noter l'augmentation de la luminosité pendant les premières minutes, la mesure est plus difficile à effectuer - d'où l'intérêt de la pratique d'enregistrement des données.
Si vous deviez le faire "à la main", vous pourriez vous contenter de relever et noter sur une feuille de papier les valeurs annoncées par le capteur lumineux chaque seconde (ou plus rapidement, si vous le pouviez), puis après quelques minutes, arrêter et tracer graphiquement les résultats.
La brique NXT peut faire la même chose, en inscrivant les informations dans un fichier stocké dans sa mémoire. Donc, ce que nous recherchons, c'est juste un programme qui répète en boucle (aussi longtemps que nous le désirons), la lecture de la valeur du capteur lumineux et le transfert de ce résultat dans un bloc Accès aux Fichiers.
Voici un programme qui lit la valeur ambiante d'un capteur lumineux une fois par seconde, et qui écrit les résultats dans un fichier nommé "DEnr.txt"
Fig.1
Un top sonore ponctue chaque enregistrement pour mieux suivre le déroulement de l'expérience.
Les panneaux de configuration sont les suivants:
Le capteur de couleurs est en mode Capteur photosensible, la rouge est la valeur de défaut retenue, et la case d'option Lumière a été décochée.
Fig.2
Le fichier de données a pour nom "DataEnr" et l'action "Ecrire" a été sélectionnée. Il sera enregistré avec la terminaison .txt.
Fig.3
Raccordez un capteur de couleurs au port n°3 du NXT à l'aide d'un câble de connexion. Le capteur est tenu à la main.
Lancez ce programme dans une pièce sombre puis allumez après quelques secondes (le capteur est éloigné de la lampe), rapprochez rapidement le capteur lumineux vers la source lumineuse, enfin éloignez-le un peu de cette source. Maintenez sa position fixement pendant deux secondes, enfin arrêtez le programme en appuyant sur le bouton gris "Annuler" (la Boucle étant réglée sur "pour toujours", c'est la seule façon d'arrêter le programme).
Après l'exécution du programme, connectez le NXT à l'ordinateur par le câble USB ou par Bluetooth (si ce n'est pas le cas), et ouvrez la fenêtre NXT par le contrôleur. Sélectionnez l'onglet "Mémoire" puis pour avoir accès à l' "Utilisation de la Mémoire". Dans la liste de la partie à gauche, sélectionnez "Divers". Dans la fenêtre "Afficher les fichiers système" une liste surgira comprenant le nom du fichier nouvellement créé (le nom qui nous intéresse est ici différent) suivi de la terminaison .txt.
Fig.4
Cliquez sur le bouton "Envoyer". Cette action transfère une copie de ce fichier à votre ordinateur.
Fig.5
Si vous ouvrez ce fichier dans un logiciel de traitement de texte, vous verrez une série de nombres (une par ligne), et si vous l'ouvrez dans un tableur (Excel étant le plus connu), vous pouvez convertir ces valeurs et voir exactement ce que le capteur a enregistré pour chaque mesure sous forme graphique.
Fig.6
3 - Compléter un simple enregistreur de données
C'est l'idée, mais on pourrait faire mieux.
D'abord il serait bon que le NXT nous précise le moment de chaque relevé, de telle sorte que par la suite, nous n'ayons pas à calculer, ni nous rappeler exactement les intervalles choisis. Nous pourrions le faire en lisant un chronomètre et en associant cette lecture avec celle du capteur lumineux.
Ces deux lectures seraient regroupées sur une ligne pour être interprétées séparément. Mais pour cela, nous avons besoin d'un séparateur pour éviter la confusion.
Il faudra ensuite convertir les deux valeurs numériques en mode texte et les séparer par une virgule (le séparateur) entre elles avant l'écriture dans le fichier.
Fig.7
C'est le même programme que la fig.1 auquel on a ajouté un bloc Minuteur (qui mesure le temps écoulé en millième de seconde), et les sorties des deux blocs convertis en texte dans chacun des blocs Nombre en texte. Ces deux textes sont ensuite réunis dans le bloc Texte en une chaîne de caractères comprenant un séparateur virgule (,) en position B, séparateur saisi dans le panneau de configuration. Le résultat est ensuite relié par un fil de données vers le bloc Accès aux fichiers en mode texte (ne pas oublier de faire la modification) et vers le bloc Afficher pour visualiser les relevés.
Si nous lançons le programme de la Fig.1 une deuxième fois, nous constatons que les nouvelles données sont enregistrées à la suite des anciennes. Aussi pour cette nouvelle version Fig.7, nous allons prendre une précaution, celle de mettre deux blocs au début du programme, pour fermer et effacer le fichier que nous allons utiliser (pour démarrer avec une feuille propre), et pour garder seulement ces données, un troisième bloc pour fermer le fichier avant de quitter le programme (c'est une bonne habitude à prendre).
Fig.8
On aperçoit ici les deux blocs Accès aux fichiers avec "Datalog" comme nom de fichier, fermer et effacer, et en fin de programme un bloc fermer.
Et comme le NXT fait tout le travail, nous pourrions aussi bien relever les niveaux lumineux beaucoup plus fréquemment. C'est pourquoi le bloc Attendre a été modifié pour un temps de 20 millisecondes (ou 0,02 sec) entre chaque mesure (c'est considérable, mais c'est le NXT qui fait tout le travail). Enfin pour sortir du programme nous utiliserons la touche flèche droite du NXT.
4 - Représentation graphique
Faisons une petite parenthèse pour expliquer le comportement des fichiers et leur transposition sous forme graphique.
Vous avez remarqué que leur terminaison est en .txt ce qui signifie qu'il est enregistré en mode texte. A chaque cycle de mesures, nous avons deux valeurs qu'il est impératif de séparer par un signe particulier. Si cette précaution n'est pas respectée, les valeurs se retrouvent réunies en une seule et n'a donc plus aucune signification. Un cycle représente en fait une succession de valeurs écrites sur une ligne. Les valeurs du cycle suivant sont reportées sur la ligne suivante, et ainsi de suite jusqu'à la fin du processus.
Lorsque vous ouvrez ce fichier à l'aide d'un logiciel de traitement de texte vous obtenez une colonne de chiffres contenant des virgules. Si vous souhaitez les faire apparaître en colonnes distinctes pour les exploiter séparément il faut choisir un tableur.
Selon le tableur utilisé, il faudra passer par une importation du fichier texte vers le tableur. Pour que ce dernier fasse la séparation en colonnes, prenez la précaution de modifier la terminaison du fichier .txt en .csv (Comma Separated Values) qui interprète la virgule comme un séparateur. Le tableur exécutera automatiquement la séparation en colonnes dès qu'il sera ouvert.
1. Lancez ce programme dans une pièce sombre (avec un éclairage halogène éteint), puis allumez au bout de 5 secondes environ, le capteur lumineux du NXT pointé vers la source lumineuse, et maintenu pendant 10 secondes. Arrêtez le programme en appuyant sur la touche flèche droite.
2. Connectez le NXT à votre ordinateur, choisissez le fichier "Datalog" et téléchargez-le sur votre PC.
3. Ouvrez le fichier "Datalog" à l'aide d'un tableur (Excel ou n'importe quel autre fera l'affaire. J'ai utilisé Numbers)
4. Le résultat se présente sous forme de données en deux colonnes, la première étant celle des lectures du minuteur, la deuxième correspondant aux valeurs du capteur lumineux.
5. Choisissez la fonction graphique dans la barre d'outils, le type de représentation et suivez les indications.
6. Personnalisez la première représentation brute du graphique en y ajoutant les titres, l'échelle, intervalles etc..
Fig.9
Très intéressant! Je peux maintenant "voir" clairement un faible éclairage, et constater à quelle vitesse se produit l'allumage. Mais il y a quelques problèmes. D'abord si je détermine la durée du cycle (temps écoulé) entre deux relevés du chronomètre, il se situe autour de 23 millisecondes, et non pas 20 comme cela a été spécifié dans le programme (et parfois plus dans de rares occasions). La raison est très simple: alors que le bloc Attendre est paramétré sur 20 m/s, d'autres facteurs interviennent dans la boucle (comme la lecture du capteur, la conversion en mode texte, l'écriture dans le fichier) de sorte qu'une itération de la boucle prend plus de temps qu'un simple bloc Attendre. Ce que nous pouvons faire de mieux pour se rapprocher de notre objectif, serait de remplacer ce bloc par une boucle intérieure qui se termine quand un deuxième chronomètre dépasse la limite fixée (en l'occurrence 20 m/s), puis juste après, ce 2ème chronomètre est remis à zéro pour accomplir une nouvelle boucle de relevés.
Fig.10
La fin du programme ressemblerait à ceci:
Une boucle "paramètre" pour durer 20 m/sec contient le bloc Minuteur n°2, suivie par le même bloc Minuteur remis à zéro.
Cela ne fonctionne pas mieux (l'intervalle normal entre deux enregistrements est d'environ 25 millisecondes).
Fig.11
En examinant les données, la plupart du temps les durées entre lectures sont plus grandes que celles attendues (en particulier si le programme enregistre un grand nombre de données). Ces sortes de timing imprévisibles imposent des contraintes aux données dans bien des cas. Ces "pauses" parasites résultent du mode de fonctionnement du NXT qui n'écrit pas immédiatement toutes les informations en mémoire. Il attend en fait d'avoir "suffisamment" de texte à écrire puis procède à l'écriture en une seule fois. Les longues pauses éventuelles du NXT résultent de l'obligation de déplacer le fichier tout entier (copie dans une nouvelle zone de mémoire) parce qu'au fur et à mesure de son grossissement il ne dispose plus assez de place.
C'est un bon sujet de réflexion pour ceux qui recherchent la précision à de grandes vitesses. Ne vous fiez pas aveuglément aux performances du NXT et songez toujours à vérifier les résultats attendus et apporter éventuellement les corrections nécessaires.
5 - Exemple avec un moteur
Il s'agit dans ce cas de faire tourner un moteur raccordé au NXT (par le port A) et d'enregistrer sa vitesse de rotation en fonction de l'augmentation de puissance jusqu'à son maximum. La vitesse est évaluée en tours par minutes (TPM), le moteur étant supposé tourner librement sans aucune contrainte mécanique.
• Ecriture du programme:
Module de base (pour la confection du Mon Bloc.
Nous avons besoin de 3 paramètres (configurés par 3 blocs Constante) pour composer le module de base: 2 valeurs Numériques qui seront produites par le moteur, et une valeur Texte pour le nom du fichier qui contiendra ces valeurs. Des fils de données transmettront les valeurs attendues. Un 4ème paramètre, interne au module puisque produit par le minuteur, est le chronométrage. Il n'a donc pas besoin d'un bloc Constante.
Par extension, ce module pourrait s'utiliser pour d'autres sources, comme les capteurs (son, lumineux ou ultrasons), température, etc..
Fig.12
Ce module de base sert à la création d'un Mon Bloc intitulé Enreg3Param2.
Fig.13
Et le programme se présente ainsi:
Fig.14
Le nom du fichier provient d'un bloc Constante. La Puissance (en %) part de zéro et augmente de 1% à chaque cycle; la Boucle est répétée 100 fois. Le capteur de rotation est remis à zéro (réinitialisation) après l'enregistrement des données pour saisir uniquement le nombre de degrés à chaque augmentation de puissance. L'affichage sur l'écran de la brique NXT n'est ici que pour contrôler de visu l'exécution du programme. Pour que l'enregistrement se fasse correctement, une attente de 0,2 seconde est ajoutée en fin de cycle. La fermeture du fichier n'a lieu qu'une seule fois, à la fin du programme principal.
• Exécution du programme
Lancer le programme. Le moteur se met en mouvement a une vitesse croissante; l'écran affiche les valeurs de la Puissance et la rotation en degrés. La fin du cycle est ponctué d'un top sonore. Arrivé à son terme, le fichier se ferme et le moteur s'arrête progressivement.
• Enregistrement des données
Après l'exécution du programme, connectez le NXT à l'ordinateur par le câble USB ou par Bluetooth (si ce n'est pas le cas), et ouvrez la fenêtre NXT par le contrôleur. Sélectionnez l'onglet "Mémoire" puis pour avoir accès à l' "Utilisation de la Mémoire". Dans la liste de la partie à gauche, sélectionnez "Divers". Dans la fenêtre "Afficher les fichiers système" une liste surgira comprenant le nom du fichier nouvellement créé, ici DATAMoteur2 suivi de la terminaison .txt.
Cliquez sur le bouton "Envoyer". Cette action transfère une copie de ce fichier à votre ordinateur.
Si on ouvre ce fichier à l'aide d'un logiciel de traitement de texte, on obtient une liste semblable à ceci:
Fig.15
Changez la terminaison du fichier en .csv, ce qui donne DATAMoteur2.csv, puis ouvrez le à l'aide d'un logiciel tableur.
Fig.16
Le fichier à été ouvert sous Numbers (ou Excel si vous en disposez) et des colonnes de calculs intermédiaires ont été ajoutées pour les conversions.
Fig.17
La formule retenue pour calculer les rotation en TPM (tours par Minute) est la suivante:
TPM = (Rotation deg * 1000 * 60) / (360 * Intervalle)
J'ai préféré calculer sur le tableur ces conversions plutôt que dans le programme NXT-G, pour ne pas allonger les délais d'enregistrement de chaque cycle; Rien cependant n'empêche de calculer à l'intérieur du programme.
• Représentation graphique
Il ne reste plus qu'à tracer la courbe à l'aide de l'outil graphique en suivant les instructions et en personnalisant le graphique.
Fig.18
On remarque trois anomalies: la première et la troisième sont liées à un intervalle de temps plus grand que l'intervalle courant, et la seconde à un cycle pour lequel il n'y a pas eu d'enregistrement . Deux explications possibles: soit un freinage intempestif du moteur, soit un délai supplémentaire requis par le NXT pour enregistrer les données.
6 - Autres points particuliers
• Enregistrements de longue durées
Il y a encore certaines petites choses dont il faut se souvenir quand on aborde l'enregistrement des données sur le NXT. La première est la quantité de données à enregistrer et la nécessité de maintenir le NXT en veille pendant tout le déroulement de l'enregistrement.
Le NXT est généralement configuré pour s'éteindre si aucun bouton n'est sollicité au bout d'un temps donné. Si par exemple il doit s'éteindre au bout de 10 minutes, et si vous lancez un programme d'enregistrement sans surveillance qui doit durer une heure, vous trouverez le NXT éteint et vous n'aurez enregistré dans le fichier que 10 minutes de données.
Il y a deux façons de régler le problème. La première est de naviguer sur le petit écran du NXT, sur le menu système, et de régler le mode Sleep (veille) sur "never" (jamais). Cela fonctionnera, mais si jamais vous oubliez d'éteindre le NXT en fin d'enregistrement, vous risquez de vous retrouver avec des batteries à plat.
Une deuxième solution est d'utiliser le bloc Maintenir en vie.
Fig.19
C'est un bloc qui neutralise le délai de veille du NXT et qui fonctionne comme un presse-bouton - une façon de dire au NXT de rester éveillé (et de continuer le programme d'enregistrement des données). Tout ce qu'il faut faire est de s'assurer que le programme exécute de temps en temps un bloc Maintenir en vie aussi longtemps qu'il se déroule; par exemple, à la fin d'une Boucle principale, comme ci-après:
Fig.20
Cette solution a un autre avantage. Tant que le programme est en cours, il maintiendra le NXT "en éveil"… Mais une fois le programme terminé (après avoir parcouru le temps fixé), le NXT est libre d'agir et de se "couper" en conservant sa source d'alimentation. Cela est très pratique quand l'alimentation se fait à l'aide de piles et si vous ne voulez pas les solliciter à plusieurs reprises sur des projets à long terme.
Cela nous amène à évoquer les problèmes de la source d'énergie:
Prendre soin de l'usure des piles, c'est bien; mais pour des projets de longues durées, les piles ordinaires sont insuffisantes (ou bien vous vous lasserez des rechargements ou achats répétés). Si vous possédez la batterie LEGO Pile au lithium polymère avec prise CC (capacité 2100 mAH-durée de charge 4 à 5 heures environ), et si vous travaillez en local fermé, vous pouvez brancher directement le transformateur requis pour le chargement (10 V CC 8887) à une prise de courant et fonctionner en prise directe. De cette façon, vous pouvez enregistrer des données pendant des jours, voire des semaines d'une seule traite, sans aucune dépense pour des piles. De plus, cette batterie est légère et ses performances sont stables à basse température.
Si vous ne disposez pas de la batterie Li-ion rechargeable, des piles neuves peuvent fonctionner pendant très longtemps, à condition de ne pas entraîner un moteur en permanence. Plus l'indication en mAH (milliAmpère-heure) est grande, plus la durée des piles sera grande; 24 heures et parfois plus.
• Multiples fichiers de données
Nous avons vu que le nom du fichier était raccordé à un fil de données, ce qui implique l'idée du changement de fichier d'un enregistrement de données à un autre, par exemple permettre à un programme de créer différents fichiers comme "DataFich1", "DataFich2", etc., au lieu d'écraser le contenu du même fichier. Ce qu'il faut, pour l'utilisateur, c'est un moyen commode pour préciser le nom du fichier (tout simplement en ajoutant un chiffre à la fin du nom grâce aux touches flèches droite et gauche du NXT). De sorte que, pendant un déplacement sans ordinateur, il puisse enregistrer de multiples fichiers et les traiter tous ensemble une fois revenu à son poste de travail.
7 - Conclusions
Pourquoi utiliser le NXT?
Sérieusement, il existe des tas d'enregistreur de données étonnants fabriqués par des entreprises spécialisées, capables de faire cela et même plus. Les appareils commerciaux sont capables d'enregistrer plus rapidement et plus longtemps qu'un NXT. De plus, ils peuvent stocker un plus grand nombre de points avant de saturer la mémoire. Les articles sont parfois vendus avec des logiciels de traitement, sont plus petits et coûtent moins cher qu'un NXT. Alors, pourquoi un NXT?
D'abord, le NXT procure une flexibilité qu'il est rare de trouver dans un kit bon marché. Non seulement peut-il se connecter à une aussi large variété de capteurs et enregistrer sur plusieurs fils de données, mais par dessus tout, c'est le degré de contrôle que vous avez sur lui et la façon dont il enregistre les choses qui est déterminant.
Quel que soit le mode d'enregistrement, vous pouvez programmer - vous êtes sans aucune manière limité par les contraintes imposées par un fabricant. Pour un enregistrement "stupide" (lectures de séries aux intervalles prédéfinis), n'importe quel enregistreur immédiatement disponible peut être utilisé. Mais avec le NXT, un ordinateur sous votre contrôle, vous pouvez faire des enregistrements "intelligent". Enregistrer quand les valeurs changent rapidement, ou seulement quand certains capteurs se situent dans des plages données. Eventuellement contrôler les moteurs, les points lumineux ou d'autres sorties selon la situation présente. Aucun enregistreur du commerce n'a d'équivalence et certainement pas au prix du NXT.
Deuxièmement, du point de vue de l'enseignement, le NXT est un outil qui est "presque complètement transparent" pour l'étudiant. Parce ce dernier doit comprendre ce que font exactement les capteurs. Devrions-nous mesurer la valeur instantanée, ou la moyenne ? Ou peut-être voulons-nous enregistrer des valeurs maximales et minimales? Une fois les données obtenues, que signifient-elles ? Comment convertissons-nous les lectures de capteurs en "des unités réelles" comme des accélérations en mètres par seconde au carré, ou les niveaux lumineux comparés à une certaines normes connues? Quelle est la résolution ou la précision des données et en quoi sont-elles différentes de la tolérance ?
Tout ces questions sont critiques… et souvent dissimulées parce que l'étudiant n'est jamais tenu de leur faire face, ou pire n'a aucune occasion de manipuler (les appareils du commerce enregistre-t-ils les lectures moyennes, ou les lectures instantanées? Ou quelque chose d'autre ? L'utilisateur ne le sait souvent pas lui-même ). Avec le NXT vous avez un outil qui est "ouvert" et qui n'existe pas dans le domaine commercial. Le NXT n'est pas destiné à produire seulement quelques données pour l'analyse - c'est une façon de comprendre comment obtenir ces données. Et dans un cadre éducatif c'est beaucoup plus important que "saisir des chiffres".
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Crédits à Brian Davis…
http://www.teamhassenplug.org/NXT/
