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CONCEPTION ET REALISATION D’UN
OBJET ELECTRONIQUE
Application : Relais bluetooth – Balance
connectée
De la conception à la fabrication
Département GEII de l’IUT de Nantes
Eric PERONNIN
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De nombreuses disciplines du DUT GEII en jeu
2
Gestion de
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Mathématiques
Electronique
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Aspects relatifs à la Gestion de Projet
De la conception à la fabrication
Département GEII de l’IUT de Nantes
Eric PERONNIN
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Cahier des charges : critères
Conception d’un boitier pilotable à distance permettant de
commuter une lampe, peser un objet, mesurer la température
ambiante.
Critère N°1 : pilotage possible à partir d’un smart phone
permettant également d’afficher diverses informations en
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Critère N°2 : offrir une cible aux étudiants de première année.
 Utilisable durant les séances de TP d’Informatique Embarquée.
 Montrer sur un exemple concret l’ensemble des disciplines
mises en jeu pour développer un système électronique.
Critère N°3 : faible coût de fabrication.
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4
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Cahier des charges : critères
Critère N°4 : consommation réduite.
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connectée.
Critère N°5 : permettre de réaliser différentes activités de travaux
pratiques avec :
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 des boutons poussoirs et LEDs pour interagir simplement avec
l’utilisateur,
 un capteur de température,
 divers capteurs et périphériques via une connectique de type
Grove issue du monde Arduino.
5
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Analyse et exploitation du cahier des charges
Deux aspects à considérer
 La possibilité de piloter une lampe, peser un objet, mesurer une
température.
 L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques.
Cas de l’application exploitant un smart phone
 Boitier autonome et mobile en mode balance connectée :
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compatible avec la majorité des smart phones et peu
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6
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Analyse et exploitation du cahier des charges
Cible pour les travaux pratiques
 LEDs et Boutons poussoirs en nombre (3 de chaque minimum).
 Ajout :
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 d’un connecteur de communication (liaison série) pour la
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nombre de signaux du microcontrôleur.
7
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Analyse et exploitation du cahier des charges
Synoptique du système
8
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Boitier multifonctions
Département GEII de l’IUT de Nantes
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 Exploitation d’un capteur de température électronique.
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– Plage de température de -20°C à +100°C.
10
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Conception
Choix du mode d’alimentation.
 Bloc secteur 230v - 5v pour téléphone portable
 Batteries ou piles dans le cas de la balance connectée.
– 2 à 3 piles AAA.
 Solutions rejetées
– Dispositif stockant l’énergie des mouvements.
» Les + :
• Bilan écologique.
» Les - :
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• Faible capacité de stockage énergétique 
Autonomie moindre.
11
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Conception
Solutions limitant la consommation.
 Choix du module de communication sans fil compatible avec un
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 WIFI :
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 Bluetooth Low Energy :
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– consommation inférieure à une vingtaine de milliampères en fonctionnement.
 Exploitation des modes de mise en veille des composants.
 Activité maintenu seulement quelques minutes après appui
sur un bouton poussoir.
12
www.geii.eu 13
Conception détaillée du produit final
Choix des composants et bilan en terme d’entrées/sorties sur le
microcontrôleur.
 1 module Bluetooth 4.0 dit BLE
 2 signaux de communication nécessaires.
 1 capteur de température analogique
 1 signal analogique.
 3 boutons poussoirs et 3 LEDs
 6 signaux digitaux (tout ou rien).
 1 convertisseur Analogique/Numérique dédié à l’instrumentation de
jauges de contrainte
3 signaux digitaux pour la configuration et la lecture de l’information
convertie.
 1 relais
 1 sortie numérique.
13
www.geii.eu 14
Conception détaillée du produit final
 1 liaison ICSP pour assurer la mise au point des programmes par un
module dédié Atmel ICE.
 1 dispositif d’entrée opto-isolée (destination non liée au projet exposé
dans ce document : connexion sur la sortie téléinformation Linky).
 1 connecteur I2C
 2 signaux digitaux dédiés à l’I2C utilisable également en entrées
analogiques.
 1 connecteur pour capteur externe
 2 signaux digitaux.
 1 connecteur pour une liaison série
 2 signaux numériques pour la transmission et la réception.
 1 microcontrôleur Atmel compatible Arduino : ATmega328p.
 Un bloc d’alimentation à base de 2 piles AAA ou point de connexion
pour un bloc secteur 5v.
14
www.geii.eu 15
Conception détaillée du produit final
Elaboration du schéma avec un outil de CAO électronique.
15
www.geii.eu 16
Conception détaillée du produit final
Liste des composants (à venir)
16
www.geii.eu 17
Conception détaillée du produit final
Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique 
empreintes physiques.
 Exemple avec le microcontrôleur.
17
Symbole sur le schéma
Empreinte physique en vue de
dessus sur le circuit imprimé
Composant réel
www.geii.eu 18
Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.
 Importation du schéma.
18
www.geii.eu 19
Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Placement des composants.
19
www.geii.eu 20
Conception détaillée du produit final
Dessin du circuit imprimé.
 Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre.
20
Fabrication
Boitier multifonction.
Département GEII de l’IUT de Nantes
Eric PERONNIN
www.geii.eu 22
Réalisation : fabrication du PCB1
Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un
fabricant (1,20€ le circuit imprimé pour 50 pièces produites).
Le circuit imprimé peut être vu comme un sandwich pour lequel
chaque couche est décrite par un fichier (type GERBER étendu) :
 Couches de sérigraphie représentant les composants et
précisant leurs références (peinture sur le circuit) :
22
1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé
Sérigraphie dessus.
Couche F.SilkS pour Front Silk Screen.
Sérigraphie dessous.
Couche B.SilkS pour Back Silk Screen.
Gerber : .gto Gerber : .gbo
www.geii.eu 23
Réalisation : fabrication du PCB
Couches de vernis épargne :
 Protection du cuivre contre l’oxydation.
 Isolation électrique.
 Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont métallisées.
23
Vernis dessus.
Couche F.Mask pour Front Solder Mask.
Vernis dessous.
Couche B.Mask pour Back Solder Mask.
Les pastilles des CMS
placés sur le dessus
n’apparaissent que sur
le dessus.
Gerber : .gts Gerber : .gbs
www.geii.eu 24
Réalisation : fabrication du PCB
Couches de cuivre :
 Présentes sur le dessus et le dessous du PCB.
 Peuvent exister à l’intérieur du PCB (plus de 16 couches
possibles en interne).
24
Cuivre dessus.
Couche F.Cu pour Front Copper.
Cuivre dessous.
Couche B.Cu (Back Copper).
Gerber : .gtl Gerber : .gbl
www.geii.eu 25
Réalisation : fabrication du PCB
Couche de contour du PCB
 Utiliser par le fabricant de circuits imprimés pour en réaliser la
découpe.
25
Contour du circuit imprimé.
Couche Edge Cuts dans Pcbnew.
Gerber : .gml
www.geii.eu 26
Réalisation : fabrication du PCB
Couche de perçage
 Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (positions et
diamètres; format Excellon)
26
Trous de perçage.
Fichier gerber extension DRL.
Gerber : .drl ou .txt
www.geii.eu 27
Réalisation : fabrication du PCB
Couches de brasure :
 Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les
CMS
27
Masque de brasure sur le dessus et sur le dessous.
Couches F.Paste pour Front Solder Paste et B.Paste en dessous.
Gerber : .gtp Gerber : .gbp
www.geii.eu 28
Travail de soudure.
Placer le composant.
28
Le composant. Le circuit imprimé.
Nettoyer la panne du fer
à souder.
Chauffer la broche du
composant et la pastille
du circuit imprimé.
2
3
La panne du
fer à souder.
La broche du
composant.
1
www.geii.eu 29
Travail de soudure.
Apporter du fil d’étain progressivement.
Lorsqu’il y a assez d’étain, enlever-le.
Puis enlever le fer à souder
 la soudure est terminée.
29
4
Le fil d’étain.
Le fil d’étain devient liquide
quand sa température
atteint 232°C !
5
6
www.geii.eu 30
Le produit terminé
30
Développement Logiciel
Boitier multifonction.
Département GEII de l’IUT de Nantes
Eric PERONNIN
www.geii.eu 32
Logiciel du boitier multifonctions
Développement logiciel ?
 Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.
 Microcontrôleur = un ordinateur complet dans un unique
circuit intégré, utilisé en informatique embarquée.
 il faut le programmer !
Comment ?
 Avec des outils de développement semblables à ceux employés
pour créer des applications sur un PC en langage C.
32
www.geii.eu 33
Environnement de développement
Environnement Arduino
 Les + :
 Très grand public et donc facile d’accès.
 Nombreuses bibliothèques développées par une communauté
très active.
 Les - :
 Processus de mise au point
restreint.
 Fiabilité des bibliothèques et
documentation de qualité très
variable.
33
www.geii.eu 34
Environnement de développement
Environnement Atmel Studio
 Les + :
 Outil professionnel avec de nombreuses possibilités de mise au
point, multi-langages ....
 Editeur avec coloration syntaxique gérant parfaitement
l’indentation, les versions …
 Plugin permettant le développement pour les cartes Arduino.
 Les - :
 Plus difficile d’accès.
34
www.geii.eu 35
Environnement de développement
Approche « mixte » : utilisation du logiciel Arduino avec un éditeur
de texte externe
 Intérêts
 Disposer de la coloration syntaxique, des saisies prédictives
…
 Profiter des bibliothèques du monde Arduino avec toutes les
réserves déjà évoquées.
 Inconvénients
 Toujours pas professionnel.
 Mise au point temps réel impossible.
35
www.geii.eu 36
Programmation dans la carte
Programmation et mise au point
36
www.geii.eu 37
Logiciel pour le smart phone
Plusieurs approches possibles
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 Java sous Android Studio pour Android.
 Objective C pour iOS.
 Des solutions multiplateformes
 Apache Cordova et ses dérivés.
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Carte multifonction 2017

  • 1. CONCEPTION ET REALISATION D’UN OBJET ELECTRONIQUE Application : Relais bluetooth – Balance connectée De la conception à la fabrication Département GEII de l’IUT de Nantes Eric PERONNIN
  • 2. www.geii.eu 2 De nombreuses disciplines du DUT GEII en jeu 2 Gestion de projet Mathématiques Electronique Analogique Electronique Numérique Informatique Embarquée Physique des capteurs Anglais CAO Electronique Physique des Capteurs Carte Electronique
  • 3. Aspects relatifs à la Gestion de Projet De la conception à la fabrication Département GEII de l’IUT de Nantes Eric PERONNIN
  • 4. www.geii.eu 4 Cahier des charges : critères Conception d’un boitier pilotable à distance permettant de commuter une lampe, peser un objet, mesurer la température ambiante. Critère N°1 : pilotage possible à partir d’un smart phone permettant également d’afficher diverses informations en provenance du boitier. Critère N°2 : offrir une cible aux étudiants de première année.  Utilisable durant les séances de TP d’Informatique Embarquée.  Montrer sur un exemple concret l’ensemble des disciplines mises en jeu pour développer un système électronique. Critère N°3 : faible coût de fabrication.  Les composants et le circuit imprimé sont financés par le département GEII. 4
  • 5. www.geii.eu 5 Cahier des charges : critères Critère N°4 : consommation réduite.  Enjeux écologiques.  Limiter le coût de fonctionnement.  Permettre un fonctionnement sur batterie en mode balance connectée. Critère N°5 : permettre de réaliser différentes activités de travaux pratiques avec :  un système de développement simple d’utilisation,  des boutons poussoirs et LEDs pour interagir simplement avec l’utilisateur,  un capteur de température,  divers capteurs et périphériques via une connectique de type Grove issue du monde Arduino. 5
  • 6. www.geii.eu 6 Analyse et exploitation du cahier des charges Deux aspects à considérer  La possibilité de piloter une lampe, peser un objet, mesurer une température.  L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques. Cas de l’application exploitant un smart phone  Boitier autonome et mobile en mode balance connectée :  intégration d’un système de communication sans fil compatible avec la majorité des smart phones et peu énergivore,  alimentation par piles.  Eléments de test :  au moins un bouton poussoir,  1 LED. 6
  • 7. www.geii.eu 7 Analyse et exploitation du cahier des charges Cible pour les travaux pratiques  LEDs et Boutons poussoirs en nombre (3 de chaque minimum).  Ajout :  d’un capteur de température,  d’un connecteur de type Grove pour des entrées tout ou rien,  d’un connecteur Grove pour une communication entre composants ou des entrées analogiques,  d’un connecteur de communication (liaison série) pour la programmation et visualiser des informations envoyées par la carte sur un PC hôte,  d’un connecteur permettant d’avoir accès à un certain nombre de signaux du microcontrôleur. 7
  • 8. www.geii.eu 8 Analyse et exploitation du cahier des charges Synoptique du système 8 Système de contrôle Capteur de température Alimentation par bloc secteur USB ou piles LED 1 LED 2 LED 3 Relais Bouton Poussoir 1 Bouton Poussoir 2 Bouton Poussoir 3 Jauge de contraintes Connecteur Grove Communication / Analogique Connecteur Grove Tout ou Rien Liaison PC Programmation/Debug Liaison sans fil Connecteur I/O Signaux du uC
  • 9. Conception Matérielle : orientation informatique embarquée Boitier multifonctions Département GEII de l’IUT de Nantes Eric PERONNIN
  • 10. www.geii.eu 10 Conception Choix permettant de limiter le coût de fabrication.  Utilisation d’un microcontrôleur faible coût pour jouer le rôle du système de contrôle. – Offre pléthorique à entre 0,50€ pièce et 5€ / 1000 . – Programmation aisée dans un langage de haut niveau. – Famille Atmega pour accéder aux bibliothèques Arduino.  Exploitation d’un capteur de température électronique. – Sensibilité réduite vis-à-vis des variations de la tension d’alimentation et tension d’alimentation minimale inférieure à 2v. » 2 piles AAA ou une pile plate CR2032 : en début de vie : 3v de tension en fin de vie : 1.8v – Très faible consommation. – Mise en œuvre et exploitation aisées. – Précision de +/- 0.2°C en faible coût (0,60€ unité / 1000). – Plage de température de -20°C à +100°C. 10
  • 11. www.geii.eu 11 Conception Choix du mode d’alimentation.  Bloc secteur 230v - 5v pour téléphone portable  Batteries ou piles dans le cas de la balance connectée. – 2 à 3 piles AAA.  Solutions rejetées – Dispositif stockant l’énergie des mouvements. » Les + : • Bilan écologique. » Les - : • Coût élevé car technologie propriétaire. • Difficulté de mise en œuvre. – Piles boutons. » Les + : • Encombrement limité. » Les - : • Coût plus élevé que les piles AAA (pour leur remplacement par l’utilisateur final). • Faible capacité de stockage énergétique  Autonomie moindre. 11
  • 12. www.geii.eu 12 Conception Solutions limitant la consommation.  Choix du module de communication sans fil compatible avec un smart phone :  WIFI : – consommation élevée rédhibitoire en mode balance connectée, – protocole permettant les accusés-réceptions.  Bluetooth Low Energy : – portée limitée à un peu plus d’une dizaine de mètres, – consommation inférieure à une vingtaine de milliampères en fonctionnement.  Exploitation des modes de mise en veille des composants.  Activité maintenu seulement quelques minutes après appui sur un bouton poussoir. 12
  • 13. www.geii.eu 13 Conception détaillée du produit final Choix des composants et bilan en terme d’entrées/sorties sur le microcontrôleur.  1 module Bluetooth 4.0 dit BLE  2 signaux de communication nécessaires.  1 capteur de température analogique  1 signal analogique.  3 boutons poussoirs et 3 LEDs  6 signaux digitaux (tout ou rien).  1 convertisseur Analogique/Numérique dédié à l’instrumentation de jauges de contrainte 3 signaux digitaux pour la configuration et la lecture de l’information convertie.  1 relais  1 sortie numérique. 13
  • 14. www.geii.eu 14 Conception détaillée du produit final  1 liaison ICSP pour assurer la mise au point des programmes par un module dédié Atmel ICE.  1 dispositif d’entrée opto-isolée (destination non liée au projet exposé dans ce document : connexion sur la sortie téléinformation Linky).  1 connecteur I2C  2 signaux digitaux dédiés à l’I2C utilisable également en entrées analogiques.  1 connecteur pour capteur externe  2 signaux digitaux.  1 connecteur pour une liaison série  2 signaux numériques pour la transmission et la réception.  1 microcontrôleur Atmel compatible Arduino : ATmega328p.  Un bloc d’alimentation à base de 2 piles AAA ou point de connexion pour un bloc secteur 5v. 14
  • 15. www.geii.eu 15 Conception détaillée du produit final Elaboration du schéma avec un outil de CAO électronique. 15
  • 16. www.geii.eu 16 Conception détaillée du produit final Liste des composants (à venir) 16
  • 17. www.geii.eu 17 Conception détaillée du produit final Dessin des composants avec l’outil de CAO électronique  empreintes physiques.  Exemple avec le microcontrôleur. 17 Symbole sur le schéma Empreinte physique en vue de dessus sur le circuit imprimé Composant réel
  • 18. www.geii.eu 18 Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant.  Importation du schéma. 18
  • 19. www.geii.eu 19 Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé.  Placement des composants. 19
  • 20. www.geii.eu 20 Conception détaillée du produit final Dessin du circuit imprimé.  Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre. 20
  • 21. Fabrication Boitier multifonction. Département GEII de l’IUT de Nantes Eric PERONNIN
  • 22. www.geii.eu 22 Réalisation : fabrication du PCB1 Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un fabricant (1,20€ le circuit imprimé pour 50 pièces produites). Le circuit imprimé peut être vu comme un sandwich pour lequel chaque couche est décrite par un fichier (type GERBER étendu) :  Couches de sérigraphie représentant les composants et précisant leurs références (peinture sur le circuit) : 22 1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé Sérigraphie dessus. Couche F.SilkS pour Front Silk Screen. Sérigraphie dessous. Couche B.SilkS pour Back Silk Screen. Gerber : .gto Gerber : .gbo
  • 23. www.geii.eu 23 Réalisation : fabrication du PCB Couches de vernis épargne :  Protection du cuivre contre l’oxydation.  Isolation électrique.  Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont métallisées. 23 Vernis dessus. Couche F.Mask pour Front Solder Mask. Vernis dessous. Couche B.Mask pour Back Solder Mask. Les pastilles des CMS placés sur le dessus n’apparaissent que sur le dessus. Gerber : .gts Gerber : .gbs
  • 24. www.geii.eu 24 Réalisation : fabrication du PCB Couches de cuivre :  Présentes sur le dessus et le dessous du PCB.  Peuvent exister à l’intérieur du PCB (plus de 16 couches possibles en interne). 24 Cuivre dessus. Couche F.Cu pour Front Copper. Cuivre dessous. Couche B.Cu (Back Copper). Gerber : .gtl Gerber : .gbl
  • 25. www.geii.eu 25 Réalisation : fabrication du PCB Couche de contour du PCB  Utiliser par le fabricant de circuits imprimés pour en réaliser la découpe. 25 Contour du circuit imprimé. Couche Edge Cuts dans Pcbnew. Gerber : .gml
  • 26. www.geii.eu 26 Réalisation : fabrication du PCB Couche de perçage  Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (positions et diamètres; format Excellon) 26 Trous de perçage. Fichier gerber extension DRL. Gerber : .drl ou .txt
  • 27. www.geii.eu 27 Réalisation : fabrication du PCB Couches de brasure :  Permet la fabrication du masque de brasure pour souder les CMS 27 Masque de brasure sur le dessus et sur le dessous. Couches F.Paste pour Front Solder Paste et B.Paste en dessous. Gerber : .gtp Gerber : .gbp
  • 28. www.geii.eu 28 Travail de soudure. Placer le composant. 28 Le composant. Le circuit imprimé. Nettoyer la panne du fer à souder. Chauffer la broche du composant et la pastille du circuit imprimé. 2 3 La panne du fer à souder. La broche du composant. 1
  • 29. www.geii.eu 29 Travail de soudure. Apporter du fil d’étain progressivement. Lorsqu’il y a assez d’étain, enlever-le. Puis enlever le fer à souder  la soudure est terminée. 29 4 Le fil d’étain. Le fil d’étain devient liquide quand sa température atteint 232°C ! 5 6
  • 31. Développement Logiciel Boitier multifonction. Département GEII de l’IUT de Nantes Eric PERONNIN
  • 32. www.geii.eu 32 Logiciel du boitier multifonctions Développement logiciel ?  Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.  Microcontrôleur = un ordinateur complet dans un unique circuit intégré, utilisé en informatique embarquée.  il faut le programmer ! Comment ?  Avec des outils de développement semblables à ceux employés pour créer des applications sur un PC en langage C. 32
  • 33. www.geii.eu 33 Environnement de développement Environnement Arduino  Les + :  Très grand public et donc facile d’accès.  Nombreuses bibliothèques développées par une communauté très active.  Les - :  Processus de mise au point restreint.  Fiabilité des bibliothèques et documentation de qualité très variable. 33
  • 34. www.geii.eu 34 Environnement de développement Environnement Atmel Studio  Les + :  Outil professionnel avec de nombreuses possibilités de mise au point, multi-langages ....  Editeur avec coloration syntaxique gérant parfaitement l’indentation, les versions …  Plugin permettant le développement pour les cartes Arduino.  Les - :  Plus difficile d’accès. 34
  • 35. www.geii.eu 35 Environnement de développement Approche « mixte » : utilisation du logiciel Arduino avec un éditeur de texte externe  Intérêts  Disposer de la coloration syntaxique, des saisies prédictives …  Profiter des bibliothèques du monde Arduino avec toutes les réserves déjà évoquées.  Inconvénients  Toujours pas professionnel.  Mise au point temps réel impossible. 35
  • 36. www.geii.eu 36 Programmation dans la carte Programmation et mise au point 36
  • 37. www.geii.eu 37 Logiciel pour le smart phone Plusieurs approches possibles  Divers environnements/langages spécifiques pour chaque cible  Java sous Android Studio pour Android.  Objective C pour iOS.  Des solutions multiplateformes  Apache Cordova et ses dérivés.  Microsoft Visual Studio Xamarin. Solution retenue  Apache Cordova reposant sur le développement d’une application Web.  Framework : ionic et AngularJS.  Langages : html5  html et Javascript. 37
  • 38. Modèle Powerpoint utilisé par les présentations Intel