Soutenance mémoire
Contexte
Une station météorologique effective et efficiente est un instrument grâce auquel les météorologues sont en mesure d‟être tenus au courant des éléments météorologiques essentiels afin que les gens puissent être concernés en obtenant la bonne information au bon moment. Ces informations sont des ressources précieuses pour les chercheurs autant que pour le public, étant donné qu‟elles quantifient la condition météorologique, un facteur déterminant à l‟existence humaine en raison de sa grande influence sur le quotidien du peuple et son impact sur la société où ils vivent. Comme à Madagascar, les gens vivent dans différentes régions lointaines, il n‟est guère possible d‟obtenir une information météorologique immédiate. Ils devront attendre des dernières nouvelles par la télévision, la radio et les journaux. Malheureusement, cette information météorologique n‟est pas les données exactes de leur environnement local mais plutôt celles de la station météorologique la plus proche.
Actuellement, d‟innombrables modèles de station météorologique automatique sont disponibles en tant que produits commerciaux qu‟on peut catégoriser selon leur objectif et usage. En général, certaines stations météorologiques sont développées pour le consommateur moyen (qu‟on appelle stations personnelles) et d‟autres pour usages professionnels.
GÉNÉRALITÉ
La météorologie ne serait rien sans instruments qui nous permettent d‟obtenir des valeurs objectives des paramètres atmosphériques à certaines conditions, de collecter des données qui pourront être traitées pour en tirer certaines conclusions. Une station météorologique est un complexe avec plusieurs équipements et instruments de mesure pour l‟observation des conditions atmosphériques. Plusieurs paramètres d‟état sont analysés qui sont spécifiquement la température, la pression atmosphérique, l‟humidité, la vitesse et la direction du vent, les précipitations, la visibilité, l‟étendue des nuages, l‟opacité des nuages, le type des nuages, l‟hauteur de nuages, la radiation solaire, la radiation ultraviolette, la radiation nette, la durée d‟ensoleillement, la turbidité, le géopotentiel, la quantité des gaz en traces tels que NO, NO2, SO2, O3.[1][2] Plusieurs éléments et dispositifs électroniques sont indispensables, ainsi que quelques capteurs pour prendre en charge la mesure de ces grandeurs .
Ce type de système avec un assemblage de quelques éléments principaux est souvent désigné comme un système embarqué. L‟architecture d‟un tel système se base souvent sur une unité de contrôle principale capable de communiquer des informations digitales et qui inclut un composant programmable.
Système embarqué
Les systèmes embarqués sont aujourd‟hui présent absolument partout. Ils se cachent aussi bien dans les produits les plus courants que dans les plus complexes sans même qu‟on ne s‟en rende compte. Ces systèmes embarqués sont de plus en plus utilisés dans différents domaines spécifiques tels que les transports (avionique, naval, ferroviaire, automobile, contrôle de navigation), télécommunications (satellites, GPS, téléphonie mobile), industrie (productions automatisées), bâtiment (ascenseurs, système de surveillance, contrôle d‟accès, système d‟éclairage), bureautique (répondeurs, copieurs, imprimante), ainsi que la robotique. Un système embarqué est défini comme un système électronique et informatique autonome, qui est dédié à une tâche spécifique. Le matériel et le logiciel ne sont pas aussi facilement discernables comme dans un environnement de travail de type ordinateur PC.
En général, un système embarqué a trois principaux éléments :
– le matériel pour fournir les fonctionnalités similaires à un ordinateur, c’est-à-dire un microcontrôleur ou un microprocesseur associé à de la mémoire, des entrées/sorties et des bus de communication.
– l’application logicielle principale généralement incorporée dans la mémoire flash ou dans la mémoire morte.
– un système d’exploitation temps réel (RTOS) qui supervise les tâches logicielles s’exécutant sur le matériel et organise l’accès aux ressources système selon les priorités et les contraintes temporelles des tâches.
Les ordinateurs PC sont conçu de façon à avoir aussi peu de contraintes que possible. Par contre les systèmes embarqués sont des systèmes informatiques soumis à diverses contraintes. Ils peuvent aller d’un simple périphérique autonome. à un châssis de cartes en réseau d’un système composé de nombreux éléments enfouis en réseau séparé .
Ces systèmes doivent faire face à de fortes contraintes dont on doit se tenir compte :
L’encombrement et le poids – Il est quantitativement considérable pour les applications portables où l‟on doit minimiser la taille et le poids ;
Le packaging – Complexité de faire cohabiter des composants électroniques dans un faible volume sans provoquer des interférences nuisibles au fonctionnement ;
Le coût – Le prix de revient doit être le plus faible possible surtout lorsque le système est un produit de grande consommation ;
La consommation énergétique et l’autonomie – La minimisation de la consommation est primordiale pour les systèmes autonomes. Il est en effet important de chercher à exploiter efficacement les sources d‟énergies que ces systèmes embarquent ;
L’environnement extérieur – Le système devra être en mesure d‟affronter de nombreuses contraintes imposées par l‟environnement d‟utilisation qui pourra être extrêmement hostile. Telles que la température, l‟humidité, les chocs, les vibrations, les radiations …etc.
Dans le cœur d‟un système embarqué demeure une unité de commande principale qui gère le traitement numérique du signal, le stockage et l‟entrée/sortie. Dans notre cas d‟étude, on a utilisé un SBC.
SBC
Un ordinateur à carte unique (ou SBC pour single board computer) est différent d‟un ordinateur de bureau ou d‟un PC non pas sur la capacité dont il dispose, mais par la façon dont il est conçu. Un ordinateur à carte unique est un dispositif dont tous les éléments vitaux d‟un ordinateur complet pour fonctionner sont assemblés sur une seule plaquette de circuits imprimés. En revanche, un ordinateur de bureau dispose une carte mère comportant des fentes d‟enfichage pour les composants de base de l‟ordinateur. Sur un ordinateur de bureau, le processeur, mémoire, stockage, dispositifs d‟entrée et sortie et d‟autres composants de base sont connectés par l‟intermédiaire de prises sur la carte mère. Ces périphériques doivent être attachés à la carte mère séparément afin de rendre le PC entièrement fonctionnel. Sur le concept de carte unique, tout est intégré.
Cela lui rend très compact et rigide. La nature solide des SBC les rend idéales pour des environnements hostiles.
Les principaux éléments constitutifs d‟un SBC sont :
– Un système sur une puce (SoC) – C‟est le cœur du système. Le SoC est un circuit intégré qui abrite tous les éléments cruciaux du système électronique sur une seule micropuce. Le SoC inclut de la mémoire système (RAM), plusieurs processeurs (CPU, GPU) qui peuvent être multicœur, des périphériques d‟interface, …etc. Il traite toutes les fonctions arithmétiques qui nécessitent d‟être accomplies. À cause de ses fonctionnalités, c‟est le composant du SBC consommant le plus d‟énergie ;
– Un périphérique de stockage – Nécessaire pour stocker des données et des instructions de programme ;
– Des interfaces de communication série – Les deux façons les plus courantes de communiquer avec les autres périphériques connectés au SBC. La première étant l‟utilisation de la communication série qui utilise un standard de communication comme SPI, I²C ou UART. UART est actuellement le standard de communication le plus utilisé ;
– Des interfaces de communication parallèle – L‟autre consiste d‟utiliser des normes de communication parallèle. Les dispositifs d‟E/S tels que le clavier et le LCD s‟en sert pour communiquer avec le SBC ;
– Un module de registre d’horloge – Pour permettre au SBC d‟effectuer des tâches durant certaines périodes de temps.
Au cœur d‟un SBC se situe le microprocesseur (MPU) . C‟est un composant dont tout le reste est centré autour. C‟est un composant électrique manipulant des données à partir d‟un jeu prédéfini d‟instructions qui lui est transmis.
Les instructions sont exécutées dans une séquence, et en altérant la séquence le SBC peut être programmé. La séquence d‟instructions constitue un programme.
Il y a deux principales approches pour définir un jeu d‟instructions, appelés architectures de processeur :
● le processeur à jeu d‟instructions étendu(ou CISC complex instruction set computer)
● le processeur à jeu d‟instructions réduit (ou RISC reduced instruction set computer).
L‟architecture CISC a un jeu d‟instructions plus grande et plus diversifié et chaque instruction peut faire plus comparée à l‟architecture RISC. Ce dernier réduit le nombre d‟instructions nécessaire pour un programme et donc sa taille de code. Pour ce faire, les processeurs deviennent plus compliqués et à leur tour augmentent leur dimension physique et leur consommation d‟énergie. Comme la mémoire est moins cher et plus rapide, l‟architecture RISC devient plus favorable et actuellement l‟architecture le plus utilisé dans les ordinateurs.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1. Introduction
1.1 Contexte
1.2 Objectifs
1.3 Cadre du travail
Chapitre 2. GÉNÉRALITÉ
2.1 Système embarqué
2.1.1 SBC
2.2 Station météorologique automatique
2.3 Protocoles de communications
2.3.1 I²C (Inter-Integrated Circuit)
2.3.2 One-Wire MaxDetect
2.3.3 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)
2.4 Mesures météorologiques
2.4.1 Température
2.4.2 Humidité
2.4.3 Pression atmosphérique
2.4.4 Vitesse du vent
2.4.5 Quantité de précipitations
Chapitre 3. DÉVELOPPEMENT DU PROTOTYPE
3.1 Connexions et circuits matériels
3.1.1 Composants matériels
3.1.1.1 Raspberry Pi
3.1.1.2 Capteurs pour le suivi météorologique
3.1.2 Architecture du prototype
3.1.3 Alimentation électrique
3.2 Développement logiciel
3.2.1 Programme d‟installation
3.2.2 Programme du Data logging
3.3 Validation de données : Calibration et problèmes
Chapitre 4. Résultats Et Analyses
4.1 Tests sur terrain
Chapitre 5. Discussion Et Conclusion
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
