Communication radio

Une présentation générale de la carte microbit et des editeurs pour sa programmation se trouve à la page MB_init. Ce TP fait suite à celui de 1ere NSI, à la page MB radio2.

La carte microbit possède une antenne radio, ce qui lui permet d’emettre et de recevoir des messages:

Prise en main de l’interface microbit sur Vittascience

Ce premier travail permet de découvrir l’interface Vittascience.com pour la programmation de la carte microbit. Les questions qui suivent cette manipulation vont permettre d’approfondir les connaissances en langage Python. Les projets qui complètent cette séquence se basent sur la partie RESEAUX du programme (protocole HTTP, securité des transmissions)

Aller à la page Editeur microbit sur Vittascience.com
Brancher la carte microbit sur l’un des ports USB de l’ordinateur. La carte est alors visible depuis l’explorateur comme une nouvelle mémoire flash.

Programmation du script initial

Copier-coller le programme suivant à l’aide de l'Editeur microbit sur Vittascience.com

from microbit import *
import radio
import utime

# variables globales
ch = 7
gpe = 0
messages = ['lundi','LIKE','UNLIKE']
i = 0
img = [Image.DIAMOND,Image.DIAMOND_SMALL]
# parametres radio
radio.on()
radio.config(channel = ch, power = 6, length = 32, group=gpe)

while True:
  if button_a.is_pressed():
    display.clear()
    l = len(messages)
    i = (i + 1) % l
    display.set_pixel(i,0,9)
    utime.sleep(0.2)
  if button_b.is_pressed():
    radio.send(messages[i])
    display.show(img,delay=100)
    utime.sleep(0.015)
    display.clear()
    

  stringData = radio.receive()
  if stringData:
    if stringData == 'LIKE':
      display.show(Image.HAPPY)
      utime.sleep(0.2)
      display.clear()
    elif stringData == 'UNLIKE':
      display.show(Image.SAD)
      utime.sleep(0.2)
      display.clear()
    else:
      display.scroll(stringData)

Téléverser et tester le programme.

Quel est la signification de chacune des instructions suivantes?

instruction	description
`if stringData:`
`if stringData == 'LIKE':`

Le programme utilise des instructions apportées par les librairies radio et utime, utiles pour la programmation de la carte microbit.

Quel est le rôle des fonctions suivantes: Recopier et compléter le tableau:

instruction	description
`send`
`receive`
`sleep`

Quel est le rôle de la variable stringData? (Que contient-elle?)

Selection de message: Expliquez le rôle des instructions suivantes:

l = len(messages)
i = (i + 1) % l

Analyse du programme: Décrire le programme avec un diagramme d’activités.
Ce programme, comment devrait-il fonctionner? Quel-s problème-s voyez-vous lorsque plusieurs cartes microbits fonctionnent de concert, avec ce même programme?

Choisir le-s terme-s adapté-s parmi les mots suivants: il s’agit d’un problème de…

intégrité
authenticité
confidentialité

Programmation orientée objet

On souhaite effacer du programme les variables globales. Les variables seront regroupées comme attributs de la classe Communication_radio. On ajoutera à cette classe les méthodes qui serviront à rendre le script plus concis.

Voici le script que vous allez utiliser:

from microbit import *
import radio
import utime


class Communication_radio:
  def __init__(self, # a completer)
    # a completer
  
  def message_suivant(self):
    # a completer
  
  def select_message(self):
    # a completer
  
  def img_send(self):
    # a completer


com = Communication_radio(7,0,['lundi','LIKE','UNLIKE'])
radio.on()
radio.config(channel = com.channel, power = 6, length = 32, group=com.group)
   
while True:
  if button_a.is_pressed():
    com.message_suivant()
  if button_b.is_pressed():
    radio.send(com.select_message())
    com.img_send() # affiche l'animation lors de l'envoi du message

  stringData = radio.receive()
  if stringData:
    if stringData == 'LIKE':
      display.show(Image.HAPPY)
      utime.sleep(0.2)
      display.clear()
    elif stringData == 'UNLIKE':
      display.show(Image.SAD)
      utime.sleep(0.2)
      display.clear()
    else:
      display.scroll(stringData)

Réseau privé

But: Reduire à 2 cartes sur un même réseau. Puis envoyer un message privé, ou bien des messages de reaction de type LIKE/ UNLIKE.

Question: quelles sont les différentes méthodes que vous pouvez envisager pour que la communication entre 2 cartes microbit reste confidentielle?

Poursuivre cette séance avec les 2 projets suivants.

Projet 1

But: Utiliser une règle d’authentification entre 2 cartes de votre réseau privé.

Votre reseau privé n’est pas à l’abris d’un utilisateur non invité. Vous souhaiteriez alors savoir de QUI vient le message reçu.

L’idée est d’utiliser la chaine de caractère émise pour y placer des informations, en plus du message. Ces informations pourraient identifier la carte émettrice. Ainsi, plutôt que d’envoyer:

"le lundi ne mange pas a la cantine"

la carte n°1 enverra:

"1_le lundi ne mange pas a la cantine"

Le programme recepteur pourra, au choix:

Afficher la chaine de caractère entière, renseignant à la fois le numéro de la carte emettrice ET le message.
ou n’afficher que les messages provenant de la carte n°1 (ou autre).

Dans ce 2e cas: Pour les recepteurs du message, il faudra alors PARSER cette chaine. Parser signifie: diviser une chaîne de caractères en une liste ordonnée de sous-chaînes.

Python offre une multitude de possibilités pour travailler avec des chaînes de caractères (strings): voir page du cours python sur les variables et string

Premier programme utilisant un notebook python

Dans un notebook (Atrium > Capytale) ou bien basthon.fr/, saisir les lignes suivantes:

Composer le message:

n = 1
texte = "la feve est dans la 3e part"
message = str(n) + "_" + texte
print(message)

Parser le message:

Il faudra tranformer la chaine "1_la feve est dans la 3e part" en 2 chaines: "1" et "la feve est dans la 3e part".

message = "1_la feve est dans la 3e part"
n = message[0]
# selection du 1er caractere
print(n)
message = message[2:]
# slice du 3e caractere au dernier
print(message)
# on a extrait le numero au debut du message, et reduit le message
print("la carte n°",n," vous informe que\n", message)

Parser avec la méthode de string split:

message = "1_la feve est dans la 3e part"
n, texte = message.split('_')
print(n)
print(texte)

Adapter maintenant ce programme pour traiter un message dont l’identifiant numérique est composé de 1 ou plusieurs chiffres. Quelle instruction faut-il privilégier pour découper la chaine de caracetères? Stocker cet identifiant dans n? Et pour réduire le message (enlever le numero n et le symbole '_')?

Programmation de la carte microbit

Adapter le programme pour permettre une communication avec un auteur authentifié dans un reseau à plusieurs cartes.

Vous allez mettre 4 cartes microbits dans un même réseau (Réglage dans l’instruction radio.config(channel = 7, power = 6, length = 32, group=0)). Choisir le même channel et le même group pour 4 cartes microbit.

Utiliser maintenant l’interface Python sur Vittascience.com pour réaliser les modifications.

A partir du programme initial, apporter les modifications pour:

envoyer un message avec un numero d’identification à 2 chiffres. Ce numero doit être le même pour une paire de cartes microbits du reseau, et doit rester secret. Ce numero pourrait être le numéro du groupe utilisé pour l’instruction radio.config.
afficher tout message qui commence par cet identifiant, pas les autres messages reçus. Il faudra utiliser une instruction conditionnelle sur le numéro de carte pour afficher (ou non) le message.

Programmer les méthodes de la classe Communication_radio:

la méthode select_message pour selectionner, et construire le message avant de l’expedier.

Et la méthode parse pour lire le message. Cette méthode ne retourne la chaine de caractère QUE si le numero qui debute la chaine de caractères est celui du groupe.

Puis apporter les modifications necessaires pour faire fonctionner le programme.

Aide: ci-dessous le programme Python en programmation non fonctionnelle et non orientée objet. C’est le programme que vous devrez adapter en POO.

from microbit import *
import radio
import utime

# variables globales
ch = 7
gpe = 0
messages = ['lundi','LIKE','UNLIKE']
i = 0
img = [Image.DIAMOND,Image.DIAMOND_SMALL]
# parametres radio
radio.on()
radio.config(channel = ch, power = 6, length = 32, group=gpe)
numero = 99

while True:
  if button_a.is_pressed():
    display.clear()
    l = len(messages)
    i = (i + 1) % l
    display.set_pixel(i,0,9)
    utime.sleep(0.2)
  if button_b.is_pressed():
    message_complet = str(numero) + "_" + messages[i]
    radio.send(message_complet)
    display.show(img,delay=100)
    utime.sleep(0.015)
    display.clear()
    

  stringData = radio.receive()
  if stringData:
    try:
      n, texte = stringData.split('_')
    except:
      # reception d'un message sans caractere '_'
      n= 0
      texte = stringData
    if int(n) == numero:
      if texte == 'LIKE':
        display.show(Image.HAPPY)
        utime.sleep(0.2)
        display.clear()
      elif texte == 'UNLIKE':
        display.show(Image.SAD)
        utime.sleep(0.2)
        display.clear()
      else:
        display.scroll(texte)

Solution: projet_authentifier_POO.py

Projet 2: Chiffrement

But: réaliser une communication privée dans un reseau public.

Premier programme utilisant un notebook python

Chiffrer / Code Cesar: Le code César réalise une permutation des caractères, selon leur rang (table ASCII), grâce à une clé de chiffrement/ déchiffrement.

Les fonctions utiles du langage sont: ord et chr:

>>> ord('a')
97
>>> chr(98)
'b'
>>> chr(122)
'z'

Pour utiliser une clé de chiffrement, il sera nécessaire d’utiliser un décalage avec un modulo(26) afin d’obtenir une lettre chiffrée dans l’alphabet a-z:

no_lettre = ord(lettre)
chiffre = no_lettre + cle # decalage sans modulo, depassement possible
chiffre = (lettre + cle)%26 # decalage avec modulo 26, chiffre de 0 à 25
chiffre = (lettre-97 + cle)%26 + 97 # decalage avec modulo 26, chiffre de 97 à (97 + 25) = 122

Comme l’alphabet a-z va du rang 97 à 122 dans la table ascii, on choisira la 3e méthode:

chiffre = (lettre-97 + cle)%26 + 97

Créer une fonction de chiffrement appelée chiffre, qui retourne la lettre chiffrée selon les arguments lettre (lettre en clair) et cle (la clé de chiffrement).

La fonction chiffre peut aussi servir à déchiffrer. Il suffira de remplacer la clé de chiffrement par son opposé: $3 => -3$.

Assurez vous à l’aide de quelques tests, que la fonction donne de bons résultats, pour chiffrer et dechiffrer un caractère.

Créer une fonction de chiffrement appelée chiffre_texte, qui retourne la texte chiffré. La fonction aura pour arguments: texte (texte en clair) et cle (la clé de chiffrement).

Assurez vous à l’aide de quelques tests, que la fonction donne de bons résultats, pour chiffrer et dechiffrer un texte.

Programmation de la carte microbit

Editeur Vittascience.com

Adapter le programme pour permettre une communication confidentielle entre 2 cartes microbit. Décrire le programme avec un diagramme d’état.

Projet 3: Compteur de likes

Programme

On considère le réseau social de type “X (ex Twitter)” dans lequel A, B, C, et D sont des usagers (des twittos)

A suit B
B suit C
C suit A et B
D suit B

La structure de données sera un dictionnaire Python:

# un exemple de dictionnaire représentant un graphe à 4 cartes
G = {'A':['B'],'B':['C'],'C':['A','B'],'D':['B']}

Vous allez expérimenter la chaine de messages dans ce réseau social.

Chaque twittos envoie, régulièrement, un message sur le reseau:

Ce message contient pour unique contenu le mot Publi. L’émetteur du message devra s’identifier lorsqu’il fait une publi:

# pour le twittos B
radio.send("B_Publi")

Lorsque A reçoit un message de B (c’est à dire le message qui commence par "B"): comme "B" est dans sa liste self.reseau['A'], A envoie un like à B. (un message “B_LIKE”`). Et affiche un smiley HAPPY:

display.show(Image.HEART)
utime.sleep(0.2)
display.clear()

Si B reçoit le message "B_LIKE". Il verifie que le premier caractère n correspond à son propre numero de carte (n == self.numero). il affiche un COEUR, puis la valeur de son compteur, incrémentée de 1.

Démarrer le programme de manière synchrone sur chaque carte microbit du reseau. Faites une publication de manière régulière (chronométer). Expérimenter pendant 2 à 5 minutes, puis relever les valeurs des compteurs sur chaque carte.

Les valeurs sont-elles en accord avec la structure du reseau?

Redigez une description de votre programme, de votre experimentation, ainsi qu’un commentaire des résultats.

Aide

On utilisera la classe:

class Communication_radio:
  def __init__(self, ch=7,gpe=0,messages=['LIKE','Publi'],numero='A', reseau = {'A':['B'],'B':['A']}):
    self.channel = ch
    self.group = gpe
    self.messages = messages
    self.img = [Image.DIAMOND,Image.DIAMOND_SMALL]
    self.numero = numero
    self.reseau = reseau
    self.compteur = 0
  
  def select_message(self):
    message_complet = str(self.numero) + "_" + self.messages[1]
    return message_complet
  
  def img_send(self):
    display.show(self.img,delay=100)
    utime.sleep(0.015)
    display.clear()
    
  def parse(self,stringData):
    """decoupage de stringData en une chaine n ('A, 'B', ...)
    et un texte grace a la methode split('_')
    returns:
    --------
    - etat du compteur +1 si n == self.numero ET texte == 'LIKE'
    - 'LIKE' si n est le numero d'un compte suivi ET texte == 'Publi'. Et emission radio avec radio.send('n_LIKE')
    - '', string vide, si n ne correspond a aucun des 2 cas precedents
    """
    # a completer

Le travail demandé consiste alors à compléter la méthode de classe parse. Il est conseillé de bien comprendre la correction du Projet 1 avant de commencer: Solution du projet_authentifier_POO.py

Après l’import des librairies, et la déclaration de la classe Communication_radio, le programme sera le suivant:

# Attention a changer le 4e argument par la lettre attribuee a votre carte ('A', 'B', ...)
# modifier aussi le reseau {'A':['B'],'B':['A']} si vous avez plus
# de 4 cartes
com = Communication_radio(7,0,['LIKE','Publi'],'B',{'A':['B'],'B':['A']})
radio.on()
radio.config(channel = com.channel, power = 6, length = 32, group=com.group)
   
while True:
  if button_a.is_pressed():
    radio.send(com.select_message())
    com.img_send() # affiche l'animation lors de l'envoi du message

  stringData = radio.receive()
  if stringData:
    texte = com.parse(stringData)
    if texte == 'LIKE':
      display.show(Image.HAPPY)
      utime.sleep(0.4)
      display.clear()
    else:
        display.scroll(texte)
        utime.sleep(0.4)
        display.clear()

Correction: script

Compléments

radio.config(channel=7): Configure la fréquence d’émission : la valeur est un numéro entre 0 et 83

radio.config(group=0): Configure le groupe : au sein d’une même adresse, 256 groupes numérotés de 0 à 255 peuvent cohabiter`

Liens

Introduction au module radio (TP Lucioles): microbit-micropython.readthedocs.io
TP message secret: microbit.org
specifications du contrôleur radio lancaster-university`
diagramme d’état et diagramme d’activité: www.uv.es
diagramme d’état laurent-audibert.developpez.com

Allophysique

Communication radio

Prise en main de l’interface microbit sur Vittascience

Réseau social, public

Programmation du script initial

Programmation orientée objet

Réseau privé

Projet 1

Premier programme utilisant un notebook python

Programmation de la carte microbit

Projet 2: Chiffrement

Premier programme utilisant un notebook python

Programmation de la carte microbit

Projet 3: Compteur de likes

Programme

Aide

Compléments

Liens