SCAO
Un outil culinaire baptisé Système de Cuisson Assistée par Ordinateur (SCAO)
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CC-by-sa-3.0
Inspiration
A la recherche de la précision culinaire
Fichiers source
Machines
Matériaux
Sommaire
Objet
SCAO
L'objet du SCAO est l'automatisation de la surveillance de la cuisson des aliments. Le SCAO est un outil qui permet de façonner la cuisson selon les exigences du concept culinaire Quiet Cook.
Article Wikipédia
L'objet de ce "wiki" est d'expliquer et de mettre à disposition, au fur et à mesure de leurs disponibilités, tous les fichiers et informations nécessaires à la fabrication des sous-ensembles de ce système ainsi qu'à l'évolution et au maintien de l'application logicielle.
Généralités
Maîtrise de la cuisson
En référence au téléfilm Chefs, la maîtrise, de la cuisson des aliments, résulte de l'habileté à coordonner le geste, le temps et le feu.
Le geste se concrétise par un mouvement de la main du cuisinier qui à l'aide :
- d'un ustensile de cuisine, tels que par exemple, une cuillère de bois pour remuer, un fouet pour battre ou mélanger, un écumoir pour écumer, les aliments contenus dans le récipient de cuisson.
- d'un bouton règle l'intensité du feu.
Le temps est le temps de cuisson ou sa durée.
Le feu est la source de chaleur fournie par l'appareil de cuisson.
Par définition de la thermodynamique, un flux thermique s'établit entre deux corps à des températures différentes. Ce transfert d'énergie interne est réalisé du corps le plus chaud vers le corps le plus froid. Il correspond à un transfert thermique qui s'écoule par unité de temps entre les deux corps. Ce transfert peut se réaliser au sein d'un seul corps ou par contact entre deux corps. Dans notre cas, le mode de transfert est la conduction, elle s'établit :
- par contact entre deux corps :
- le foyer rayonnant de l'appareil de cuisson et le fond du récipient de cuisson,
- le récipient de cuisson et les aliments.
- ou au sein d'un seul corps, pour le récipient de cuisson entre :
- le fond et les parois latérales,
- les parois et le couvercle.
En résumé, le flux thermique qui s'écoule entre la périphérie de l'aliment et son cœur va provoquer, en un point donné, une élévation de la température, et donc, sa cuisson.
Un système de cuisson culinaire est constitué d'un foyer rayonnant, d'un récipient de cuisson et des aliments contenus dans le récipient.
Au sein de ce système de cuisson, les températures mesurées, en des points différents, sont différentes. Comme nous l'avons expliqué ci-dessus, ces différences de températures vont être la cause des différents flux thermiques qui s'établissent.
Pour cuire régulièrement, une température constante au cœur de l'aliment semble une solution idéale. La question est comment y parvenir ? Comment obtenir une température constante au sein d'un milieu de cuisson liquide ?
- A la température d'ébullition, la première solution, la plus connue et la plus répandue, est de mettre à profit le palier d'autorégulation occasionné au point d'ébullition. C'est le cas de l'eau à 100 °C. A cette température un changement d'état s'effectue, de l'état liquide à l'état gazeux. Il s'agit de l'ébullition qui apparaît au point d'ébullition. Ce changement d'état provoque l'évaporation. Cette évaporation va :
- diminuer progressivement le volume du liquide,
- être à l'origine d'une consommation d'énergie,
- permettre la réduction culinaire.
- Dans la gamme de la cuisson en basse température (70 à 90°C) :
- la seconde solution est de régler manuellement la source de chaleur pour obtenir la température souhaitée. Le palier d'autorégulation ayant disparu, le réglage manuel devient extrêmement délicat.
- la troisième solution est d'automatiser le réglage.
Systèmes de cuisson culinaire
Projets connexes (tutorés)
Description physique
Correspondant au prototype N°2 (photo), le SCAO est constitué de matériels standard du commerce et de matériels spécifiques. Les matériels standard sont une table de cuisson électrique, une casserole équipée d'un couvercle et d'un ordinateur de type PC (non représenté sur la photo). Les matériels spécifiques sont un coffret électronique et une e-poignée USB qui se substitue à celle montée sur le couvercle par le constructeur.
Description fonctionnelle
Les fonctionnalités du SCAO sont la mesure de la température sur le couvercle de la casserole, la modélisation culinaire et le réglage du flux thermique. La modélisation culinaire prend en compte les choix de l'utilisateur et la température mesurée. Elle façonne la trajectoire de température et réalise son suivi.
Ces trois fonctionnalités sont complétées d'une fonction d'Interactions Homme-Machine (IHM)
Mesure de la température
Dans le domaine de la mesure physique, la thermométrie est le domaine de la physique concernant la mesure de la température. Une illustration de la problématique liée à cette mesure est fréquemment observée dans nos villes. L'affichage de la température sur des panneaux électroniques est rarement précis ! A la vitrine des opticiens qui commercialisent des thermomètres électroniques et des stations météo, observez et comparez les valeurs des températures affichées, vous trouverez des écarts très significatifs, dans certains cas, jusqu'à plus ou moins 2 degrés Celsius. En résumé, cette mesure qui nous semble, à priori, relativement simple, a besoin d'être réalisée avec beaucoup de rigueur.
La mesure de la température fait l'objet de 3 sous fonctions, la capture, le traitement du signal et la transmission de la valeur mesurée.
- La capture selon deux méthodes distinctes, avec contact et sans contact.
- La capture de la température avec contact à l'aide d'une sonde de température, par exemple un thermocouple placé en contact intime avec l'élément à mesurer.
- La capture de la température sans contact à l'aide d'une sonde infra rouge, une thermopile par exemple.
- Le traitement du signal : la sonde est connectée à un dispositif électronique qui va effectuer une amplification, un filtrage et une conversion analogique / digitale.
- La transmission de la valeur mesuée s'établit selon l'un des modes de communication :
Modélisation culinaire
(à rédiger)
Réglage du flux thermique
(à rédiger)
Réalisation
Les réalisations, des 3 fonctions et de l'IHM, se concrétise au fil du temps sous la forme de 3 prototypes.
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Prototype n°1
Le prototype n°1 constitue le SCAO de référence qui a permis l'aboutissement du dépôt de brevet auprès de l'INPI. Le document :
- est la référence unique en ce qui concerne le principe de fonctionnement et le vocabulaire culinaire spécifique
- décrit en détail les réalisations matérielle et logicielle, toutefois, ces réalisations à l'identique s'avéreraient très onéreuses.
- comporte une erreur au niveau de la revendication n°3 (emplacement de la sonde).
Prototype n°2
Les trois fonctions sont concrétisées par :
- la e-poignée pour la mesure de la température
- une application logicielle pour la modélisation culinaire
- un coffret électronique pour le réglage du flux thermique et des fonctions annexes.
e-poignée
La e-poignée réalise la mesure de la température. La méthode utilisée est la capture avec contact.
Elle se substitue à la poignée du couvercle de la casserole. Ses fonctionnalités sont, d'une part, de reconduire la fonctionnalité de manutention du couvercle, d'autre part, d'introduire une nouvelle fonctionnalité. Celle-ci consiste en la mesure de la température. En fonction du mode de transmission choisie (USB, Ethernet ou WI-FI), trois types de e-poignée sont envisagés. Ce prototype développe la e-poignée USB. Elle est composée de trois pièces principales réalisées par impression 3D au fablab de Nantes. Elle est traitée en un projet séparé accessible par le lien e-poignée USB.
Application logicielle
L'application logicielle est développée sous Labview.
Coffret électronique
Le coffret électronique abrite :
- Un hub Hub USB 2.0 4 ports - bloc d'alimentation
- Un ensemble de module de la société canadienne Phidgets :
- PhidgetInterfaceKit 8/8/8 Mini-Format 1010 correspondant à un microcontrôleur qui reçoit sur ses entrées les modules :
- Dual Relay Board 3051 qui commande les deux foyers rayonnants de la table de cuisson
- Amp Current Sensor AC/DC 1122 qui mesure le courant et en déduit le coût énergétique
- Precision Voltage Sensor 1135 qui mesure la tension de 5V fourni par le bloc d'alimentation du hub
- PhidgetInterfaceKit 8/8/8 Mini-Format 1010 correspondant à un microcontrôleur qui reçoit sur ses entrées les modules :
- Deux relais statique CELDUC en remplacement du module Dual Relay Board 3051.
Prototype n°3
En référence aux deux premiers prototypes, l'objet du N°3 est double :
- La migration entre le monde des logiciels propriétaires et celui des logiciels Open source. Concernant :
- Les systèmes d'exploitation, de la famille Windows à celle de UNIX. De Windows XP à linux.
- Les logiciels d'application, par l'abandon de la plate-forme labview au profit de la plate-forme Arduino UNO.
- Les langages de programmation, par l'abandon du langage graphique Labview au profit des langages C++ et du Arduino program language proche du C++.
- La miniaturisation, en utilisant :
- des microcontrôleurs, de type Arduino UNO et Teensy 3.2 intégrés dans des objets connectés
Historique
La création de ce prototype commence au premier trimestre 2016, à l'occasion d'un stage à la cité de l'objet connecté.
l'idée
Ce projet s'inscrit dans le domaine de l'électroménager connecté, la cuisine du futur! Par rapport aux deux premiers, ce troisième prototype prolonge l'effort de miniaturisation du système culinaire. Il maintient les mêmes avantages, préservation des qualités nutritionnelles des aliments, gain de temps et économies d'énergie.
Description
Ce 3ème prototype est constitué de :
- Deux objets connectés
- matériels standards du commerce : table de cuisson électrique et casserole équipée d'un couvercle.
Les deux objets connectés sont baptisés e-poignée et e-rupteur. Dans le cadre du prototype N°2, la e-poignée est déjà identifié sur le site fablabo, il convient donc de différencier les différentes versions. En fonction du mode de transmission choisie (USB, Ethernet ou 433MHZ), trois types de e-poignée sont envisagés :
- La e-poignée-a USB (cahier des charges).
- La e-poignée Ethernet
- La e-p-433.
Le e-rupteur est plus récent et il sera également décliné sous différente version. La première version est e-rupteur 433, elle inclus la fonction IHM.
Intégration du SCAO dans la maison
En référence au schéma ci-dessous, l'intégration dans la maison, des activités du SCAO, s'est concrétisée au fur et à mesure sous la forme d'une documentation et de trois ateliers.
Documentation
Ateliers
Atelier salon
Atelier logiciel
L'atelier logiciel est installé sur un ordinateur de type PC.
Le BIOS contenu dans la mémoire EEPROM de la carte mère de l'ordinateur permet d'effectuer des opérations de base lors de la mise sous tension. En particulier, le POST qui consiste à un ensemble de tests. Lors du déroulement du BIOS, l'appui sur la touche Suppr. permet l'entrée dans le BIOS setup utility pour définir ou modifier un ensemble de paramètres de configuration.
Un noyau de système d'exploitation, ou simplement noyau, ou kernel (de l'anglais), est une des parties fondamentales du système d'exploitation. Il gère les ressources de l'ordinateur et permet aux différents composants — matériels et logiciels — de communiquer entre eux. Une distribution est un ensemble cohérent de logiciels assemblés autour de ce noyau. Le noyau est le noyau Linux, la distribution choisie est Ubuntu.
La modélisation des pièces constitutives du SCAO mets en œuvre trois logiciels :
- LibreCAD pour les plans en 2D, pour un même plan, un empilement de calques (en anglais layers) est utilisé, chaque calque ayant sa fonction propre. Les fichiers .dxf facilitent l'échange avec les deux autres logiciels.
- Openscad pour les dessins en 3D, l'importation des fichiers .dxf est utilisé conjointement à une extrusion linéaire pour constituer des objets 3D. En d'autres termes une extrusion linéaire à partir d'un fichier dxf.
- kicad pour les circuits imprimés, l'importation des fichiers .dxf est utilisé pour les empreintes de circuits intégrés (footprint).
Ces importations apportent souplesse et précision car elles permettent de définir une fois pour toute les valeurs attribuées aux dimensions, longueurs, largeurs, entraxes, positionnement d'un objet,...etc.
Les schémas de la documentation sont réalisés à l'aide du logiciel Inkscape
La bureautique est assurée par Libre Office
The Linux Boot Process
La référence au MOOC The Linux Boot Process est nécessaire pour une bonne compréhension des détails de ce process. Les points essentiels sont :
- BIOS
- Boot loader
- GRUB
- choix de l'OS et chargement du kernel dans la RAM, décompresse, vérification, analyse, initialisation des drivers des matériels.
Le contenu du fichier Grub est :
- If you change this file, run 'update-grub' afterwards to update
- /boot/grub/grub.cfg.
- For full documentation of the options in this file, see:
- info -f grub -n 'Simple configuration'
GRUB_DEFAULT=0
- GRUB_HIDDEN_TIMEOUT=0
GRUB_HIDDEN_TIMEOUT_QUIET=true
GRUB_TIMEOUT=10
GRUB_DISTRIBUTOR=`lsb_release -i -s 2> /dev/null || echo Debian`
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet splash"
GRUB_CMDLINE_LINUX=""
- Uncomment to enable BadRAM filtering, modify to suit your needs
- This works with Linux (no patch required) and with any kernel that obtains
- the memory map information from GRUB (GNU Mach, kernel of FreeBSD ...)
- GRUB_BADRAM="0x01234567,0xfefefefe,0x89abcdef,0xefefefef"
- Uncomment to disable graphical terminal (grub-pc only)
- GRUB_TERMINAL=console
- The resolution used on graphical terminal
- note that you can use only modes which your graphic card supports via VBE
- you can see them in real GRUB with the command `vbeinfo'
- GRUB_GFXMODE=640x480
- Uncomment if you don't want GRUB to pass "root=UUID=xxx" parameter to Linux
- GRUB_DISABLE_LINUX_UUID=true
- Uncomment to disable generation of recovery mode menu entries
- GRUB_DISABLE_RECOVERY="true"
- Uncomment to get a beep at grub start
- GRUB_INIT_TUNE="480 440 1"
Plate-forme Arduino UNO
Elle est constituée de la carte Arduino UNO complétée du logiciel et de la documentation
Plate-forme Microchip
Elle est traitée en un projet séparé accessible par le lien PIC.