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Un ordinateur familial auto-construit à faible consommation

Publié le mercredi 24 août 2016 par Michel et Marie-Andrée Gazeau
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Un ordinateur familial auto-construit à faible consommation
Publié le 24 août 2016  (Mise à jour le 17 février 2017)

(Article en cours de rédaction - projet en cours de réalisation)

Cahier des charges

- utiliser des composants électroniques et électriques de base
- utiliser des logiciels libres
- permettre de piloter une imprimante et un scanner
- pouvoir disposer des principaux logiciels : navigateur, client de boite mail, traitement de texte, tableur, outils de dessin, etc
- auto-construire les boîtiers
- être réparable à l’infini
- pouvoir s’adapter aux évolutions technologiques favorables au respect de la Création
- dissocier tous les composants de l’ordinateur :

  • unité centrale
  • alimentation électrique
  • clavier
  • écran
  • disque dur

Remarque :
C’est le contraire de l’esprit actuel : avec un ordinateur portable ou une tablette, une panne de clavier, d’alimentation, de disque dur ou d’écran entraîne le remplacement de tous les autres éléments alors qu’ils sont encore en parfait état de marche.

L’unité centrale : Ordinateur Raspberry Pi3

Le Raspberry Pi est un nano-ordinateur monocarte à processeur ARM conçu par le créateur de jeux vidéo David Braben, dans le cadre de sa fondation Raspberry Pi. Il est de la taille d’une carte de crédit. Il est fabriqué en Angleterre

Permet :
- l’apprentissage de la programmation informatique
- l’exécution du système d’exploitation libre GNU/Linux et des logiciels compatibles.
- l’utilisation de matériel de récupération (vendu sans boîtier, alimentation, clavier, souris ni écran)

Nécessite au minimum pour fonctionner :
- un support de stockage mémoire compatible micro SD contenant le système d’exploitation
- une source d’alimentation électrique adaptée :

  • un système de piles ou de batteries
  • un transformateur électrique délivrant une tension continue DC5V, intensité 2.5A minimum

Caractéristiques du Raspberry Pi3

Modèle Pi 3 B
Date de lancement février 2016
SoC Broadcom BCM2837
Architecture ARM Cortex-A53
CPU quadricœur ARM 64 bitsCortex-A53
Fréquence 1,2 GHz
Nombre de cœurs 4
Connecteur SATA pour disque dur non
Unité de lecture/écriture micro SD / MMC / fente pour carte SDIO (3,3 V)
GPU Broadcom VideoCore IV OpenGL ES 2.0, MPEG-2 et VC-1, 1080p30 h.264/MPEG-4 AVC high-profile decodeur et encodeur
Mémoire (SDRAM) 1 Go type LPDDR2
CPIe non
Nombre de ports USB 2.0 4
Sorties vidéos HDMI 1080 et Composite (via un connecteur Jack)
Sorties audio stéréo Jack 3,5 mm (sortie son 5.1 sur la prise HDMI) et Composite
Carte/connectique réseau 10/100 Ethernet, Wifi 802.11n, Bluetooth 4.1
Périphériques bas niveau 17 × GPIO, UART, I²C bus, SPI bus avec deux chip selects, I²S audio, +3.3 V, +5 V
Puissance nominale 800 mA (4 W)
Consommation maximale mesurée 720 mA
Source d’alimentation1 5 volt via Micro-B USB ou GPIO header
Dimensions 85,60 mm × 53,98 mm × 17 mm
Poids 45 g
Systèmes d’exploitation Debian GNU/Linux, Raspbian OS, Fedora, Arch Linux ARM1, RISC OS, FreeBSD, Plan 9, Kali Linux, Snappy Ubuntu Core82, Windows 10 IoT
Prix 35.10€

Abréviations :
SoC (system on a chip) : système complet embarqué sur une seule puce, pouvant comprendre de la mémoire, un ou plusieurs microprocesseurs, des périphériques d’interface. Le Raspberry est fabriqué par l’entreprise américaine Broadcom.
CPU (central processing unit) : processeur (ou unité centrale de traitement), composant qui exécute les instructions des programmes informatiques
GPU (Graphics Processing Unit) : processeur graphique intégré sur le CPU), assure les fonctions de calcul de l’affichage sur l’écran.
CPIe (Peripheral Component Interconnectt) Express PCI Express : standard développé par Intel en 2004. Il spécifie un bus local série (« bus PCI express ») et un connecteur qui sert à connecter des cartes d’extension sur la carte mère d’un ordinateur. Il est destiné à remplacer tous les connecteurs d’extension d’un PC, dont le PCI et l’AGP.
WiFi norme 802.11n : disponible depuis le 11 septembre 2009. Le débit théorique atteint les 450 Mbit/s en Mimo 3x3 (débit réel jusqu’à 200 Mbit/s dans un rayon de 100 mètres)
Ports GPIO (General Purpose Input/Output) : littéralement Entrée/Sortie pour un Usage Général sont des ports d’entrée/sortie très utilisés dans le monde des microcontrôleurs. le Raspberry dispose d’un connecteur GPIO4 lui permettant d’être utilisé à la fois en tant qu’ordinateur personnel, et à la fois en tant que carte contrôleur pour des applications purement électroniques.

Fondation Raspberry
Wikipédia
Fournisseur

Remarques
- Avec 1 Go de RAM, les limites sont vite atteintes. Certaines applications sont très gourmandes en mémoire et le Pi 3 ne dispose pas des ressources nécessaires pour en exécuter plusieurs simultanément. La plupart des ordinateurs actuels ont un minimum de 4 Go de RAM. Il est possible qu’à l’avenir le Raspberry puisse disposer d’un slot pouvant accueillir une mémoire type DDR4 pouvant aller de 4GB à 32GB RAM, sur option.

Le Raspberry ne possède pas de connectique SATA, qui permet d’y relier un disque dur interne. On peut connecter un disque dur externe par le port USB 2.0.

- Pas de port USB 3.0. Ce port, plus rapide, est devenu la norme. Il permet de copier rapidement ses fichiers sur des disques de stockage externes. Mais les ports USB 3.0 coûtent trop cher pour équiper un Raspberry Pi 3

- La vitesse d’accès à la carte SD est limitée par le fait que le bus du lecteur de carte est limité à 20 Mo/s. Sur le RasPi 3 il est possible (mais pas recommandé à cause des erreurs qui se produisent) d’overclocker le bus à 40 Mo/s.
overclocking

- Les cartes Raspberry Pi peuvent faire tourner Windows 10 IoT Core, une version allégée de l’OS (Système d’exploitation) pour les appareils embarqués.

- Le processeur graphique BroadCom VideoCore IV 3D peut exécuter de la vidéo 1080p à 60 images par seconde et il permet de lancer des jeux OpenGL.

- La Raspberrry dispose d’une très importante communauté de développeurs.

Window 10 : le RaspberryPi2 est utilisé comme desktop sous Raspbian, Navigateur Web (Iceweasel) et LibreOffice comme logiciels principalement utilisés, et il est très largement plus rapide que des Netbook vendus dans le commerce avec Windows 10 (avec 4G de RAM).

Points faibles du Raspberry
LeMondeInformatique

La carte micro-SD

Le Raspberry ne dispose pas de disque dur pour y installer le système d’exploitation.
Celui-ci est installé sur la carte mémoire flash (micro SD) qui s’insère sur la carte dans le connecteur type micro SD. Contrairement aux disques durs, les mémoires flash ne sont pas réputées pour leur grande fiabilité. Il est très important de choisir des cartes SD de haute qualité, d’en disposer d’une deuxième de secours pour le système d’exploitation et de sauvegarder les données personnelles sur une clé USB ou un disque dur externe.
Les caractèristiques des carte SD est désignée par la classe.

Vitesse minimum d’écriture Classe de vitesse Classe UHS Vitesse Video Application
10Mo/sec Classe 10 U1 V10 Enregistrement de vidéos en Full HD (1080p)
30Mo/sec - U3 V30 Enregistrement de fichiers vidéos en 4K

[https://fr.wikipedia.org/wiki/Carte_SD]

Remarque :
Une carte de classe U3 peut supporter le taux de transfert maxi de 20Mo/s du connecteur du raspberryPI3, alors qu’une carte classe 10 ne permettra qu’un transfert de 10Mo/s maxi.

Téléchargement du système d’exploitation
Pour télécharger l’image du système d’exploitation Raspian sur un ordinateur Linux :
[https://www.raspberrypi.org/downloads/raspbian/]
- Choisir "download Zip" (peut prendre 30mn)
- Enregistrer le fichier.zip dans un répertoire de votre ordinateur. Exemple : "2016-05-27-raspian-jessie.zip"
- Clic droit sur ce fichier
- Clic sur "Extraire"
- Clic sur "Extraire l’archive vers" le répertoire choisi
- On obtient l’image "2016-05-27-raspian-jessie.img"
- Vérifier l’intégralité en ligne de commande Xterm :
- Passer en commande "root"
- Taper la commande (_représente un espace) : cd_Téléchargement/raspian/ (ou le répertoire sur lequel est le fichier zip) puis "Entrée"
- Taper : sha1sum_2016-05-27-raspian-jessie.zip puis "Entrée"
- Attendre que le résultat s’affiche : vérifier que le code est le même que celui qui était indiqué sous la commande "download" sur le site de téléchargement. Si c’est le me l’image a été téléchargée sans erreur.

Ensuite il faut copier cette image sur la carte micro SD, depuis votre ordinateur, à l’aide d’un lecteur de carte connecté sur une prise USB.

L’ alimentation électrique du Raspberry


L’alimentation préconisée par le constructeur est de 5V 2.5A, afin d’éviter des problèmes quand le microprocesseur fournit, par exemple, l’alimentation à un disque dur externe non auto-alimenté.
Comme cette puissance préconisée augmente à chaque version du Raspberry, pour anticiper un remplacement à l’avenir du microprocesseur, prévoir une alimentation surdimensionnée du type 5V 6A.

Caractéristiques niceEshop(TM) SODIAL(R)
Boîtier en alliage d’aluminium Métal, composants électroniques
Taille 8.5x6x3.4cm 11 x 7.7 x 3.6cm
Puissance 30W 30W
Rendement >80%
Courant de travail 5A 5A
Entrée AC 110 220V 110 220V
Sortie DC 5V - 6A DC 5V - 6A
Matière Métal, composants électroniques
Prix 8.59€ 6,12 €
Date 27/8/16 27/8/16

alimentation 5V 6A
Sodial
Remarque :
- il faut rajouter une prise pour le branchement secteur 220V et un prise micro USB pour la connexion sur le Raspberry
- il semble que ces alimentations soient de mauvaise qualité (tension de sortie jusqu’à 6.3V !)
- Si le rendement d’une alimentation est de 95%,la différence de perte de puissance avec une alimentation 5V 2.5A sera de seulement 0.875W.
Mais cette légère sur-consommation pourrait être inférieure voire nulle car en général, plus la puissance du transformateur est grande, plus le rendement est élevé.
- Il semble très difficile de trouver sur des sites français un transformateur AC220V - AC 5V pour auto-construire une alimentation de très bonne qualité.
- Pour éviter les interférences avec le microprocesseur, l’alimentation doit être tenue éloignée du Raspberry.

Alimentation standard

alimentation 5V 3A pour raspberry

Exemple d’alimentation récupérée

L’écran

L’utilisation d’un écran de récupération n’est pas forcément un bon choix.
Les derniers écrans sont basés sur la technologie de rétro éclairage par LED, qui consomme beaucoup moins d’énergie.
Cette consommation d’énergie dépend de la taille de l’écran,il est important de la réduire le plus possible.
Pour nos besoin nous disposons actuellement :
- un écran plat de 49cm (19"") pour les logiciels d’architecture
- un écran plat de 39cm (15") pour tous les logiciels de bureautique et de maintenance de ce site
- un écran 26cm (10") pour tout le reste.

Voici un écran 10,1 " compatible avec le Raspberry :

Marque WaveShare
résolution 1024 × 600 haute résolution
écran tactile capacitifs contrôle tactile
interfaces d’entrée vidéo multi HDMI, VGA et AV (CVBS)
consommation  ?
Système exploitation Raspbian, Ubuntu, Windows 10 IoT
Prix 98,90€

Une seule touche, sans pilote, fonctionne comme un moniteur d’ordinateur, prend en charge Windows 10 / 8.1 / 8/7 / XP, seule touche, et sans pilote
Supports BB Black, livré avec l’image Angstrom. Multi langues menu OSD, pour la gestion d’énergie, réglage de la luminosité / contraste, etc.
Firmware est upgradable pour soutenir plus de nouvelles fonctionnalités (continuellement mis à jour)
Pour la compatibilité avec Raspberry Pi 3 Raspbian, il faut seulement modifier le ficher "config.txt" sur le CD.
Fournisseur
Support technique

Adaptateur pour écran VGA

Le Raspberry ne dispose que d’une sortie HDMI pour connecter l’écran.
On utilisera un adaptateur VGA (femelle) - HDMI (mâle) pour recevoir :
- la prise VGA mâle de l’écran
- se brancher dans la prise femelle HDMI du Raspberry
Fournisseur adaptateur

Disque dur

Un support de stockage mémoire compatible (carte micro SD) contenant le système d’exploitation adapté. La majorité des cartes mémoires du marché sont reconnues par l’appareil, une carte mémoire de classe 10 est recommandée.
Selon la technologie le nombre d’écriture avant panne   peut varier de 10 000 à 100 000. Ceci peut causer des problèmes sur un système qui accède (très) fréquemment au système de fichier sur la carte microSD (Raspbian).
Le vrai problème du RaspberryPi est le temps d’écriture sur sa carte SD.

Disque dur SSD

source
Un SSD, de l’anglais « solid-state drive » permet le stockage de données sur de la mémoire flash, à semi-conducteurs à l’état solide par opposition aux disques durs classiques, sur lesquels les données sont écrites sur un support magnétique en rotation rapide.
Les SSD surclassent les disques durs classiques au niveau performance (débit, latence inexistante sur les SSD, consommation).

Comparaison disque dur - SSD

Caractéristiques Disque dur SSD
Vitesse écriture - 520 Mo/s
Vitesse lecture - 50 Mo/s
Temps d’accès aux données De 2,9 à 12ms env 0.1 ms
Alimentation - SATA
Connectique - SATA III.
Consommation veille 0,5 à 1,3 W 0,1 - 0,9 W
Consommation activité 2 à 4 W jusqu’à 4 W
Durée de vie 2 à 5 ans (voire plus) en fonction de la charge et des conditions d’utilisation Garantie constructeur allant de 1 à 10 ans
Cycles d’écriture garantis - 10 000 (SLC), 5 000 (MLC) et 1000 (TLC)
Masse Jusqu’à près de 700 g Quelques dizaines de grammes

SSD Wikipedia
Comparateur conso
Mémoire flash Wikipedia
Remarque :
- Il est très difficile d’avoir des informations sur les consommations des disques durs.
- Il semble que les disques durs SSD soient encore très chers par rapport au disques durs magnétiques.

Clavier

Clavier Rii K12+ Ultra-mince 2.4GHz GFSK
- mini clavier sans fil (wireless) AZERTY (version française)
- 3 indicateurs LED
- touchpad grande taille
- couvercle en acier inoxydable
- batterie rechargeable Li-ion
- pour Smart TV,HTPC,TV BOX,Raspberry PI, Mac OS,Linux
- dimensions : 26 x 85 x 1.2cm
- prix : 27,99€
clavier

Remarque :
Quand on utilise des tableurs, il est préférable de prendre un clavier avec pavé numérique.

Lecteur multi-cartes

Un lecteur multi-cartes permet de graver une carte mémoire flash microSD pour y installer le système d’exploitation. Il est important de pouvoir faire une copie de la carte microSD car c’est l’élément le moins fiable du système, même si on a pris la précaution de choisir une carte de marque.
Ce lecteur permet de lire les cartes d’appareils photo, ou d’enregistrer les fichiers crées sur les applications bureautiques.

Marque TOOGOO Ugreen
Port USB2 USB3
Vitesse transfert 400Mb/s 5Gb/s
Systèmes d’exploitation Windows 98SE / ME / 2000 / XP et Mac OS10.0 et Linux2.4.X Compatible avec Windows XP/Vista/7/8/8.1/10, Mac OS, Linux.
Formats lus Porte-MS / MS Pro Dual Core, SD / MMC, M2, Micro SD (carte TF) SD, SDHC, Mini SD, Micro SD, T-Flash, MS, Compact Flash and XD etc
Lecture/écriture 1 seule carte 4 cartes simultanément
Hubble Ports USB2.0 3 ports 0 ports
Type de processeur - 5X86
Nombre de cœurs - 1
Interface du disque dur - ATA
Longueur du câble env. 50 cm env. 50 cm
Dimensions 5 x7.5x3 cm 5.5x6.5x1.5cm
Prix 3.87€* 8,89€

*notre choix au 10/2016 Il permet de disposer de3 ports USB supplémentaire sur le Raspberry

Aucune alimentation externe.
Faible consommation d’énergie
Adaptée aux ordinateurs de bureau et ordinateurs portables.
Permet de transférez de manière flexible vidéos HD, musique, photos et données entre les dispositifs USB et votre ordinateur/ordinateur portable/Ultrabook/Macbook.

Ugreen :
Le lecteur de Carte USB 3.0 vous permet de lire et d’écrire 4 cartes simultanément, il est construit avec le dernier chipset de GL offrant un rendement de transfert de données rapide et fiable, qui permet d’économiser votre temps et de l’argent. Plug & Play, aucun pilote nécessaire.

Fournisseur

Récapitulatif des achats (10/2016)

Composant Marque Prix
Microprosseur Raspberry PI3 35.76€
Alimentation SODIAL AC a DC 5V 6A 6.12€
Adaptateur VG - HDM AUKEY Adaptateur HDMI vers VGA 1080 6,69€
Lecteur de cartes TOOGOO 3 ports USB 2.0 Combo pour carte SD 3,87€
Carte Mémoire microSDHC SanDisk Ultra 16GB Vitesse de lecture jusqu’à 80MB/S Classe 10 6,90 €
Ecran Benq T904 récup
Clavier Fujitsu récup
Souris Logitech récup
Disque dur externe Western Digital 120Go récup

Cout total :59.34€

Système d’exploitation Linux - Rasbian

Astuce

Mesure des consommations électriques
Joulemeter

Annexes - ancien matériel utilisé

Écran BENQ T904
Caractéristiques :

Date achat 2006
Résolution 1280x1024 (UXGA)
Taille écran 19" LCD
Temps de réponse 25 ms
Pas entre pixel (Pitch) 0.294mm
Contraste 700:1
Luminosité 250 cd/m2
Nombre de couleurs 16.7 million
Entrées Vidéo VGA
Angle de vue 170/170
Consommation max. 40 Watt
MTBF Hors rétroéclairage : 40000 heures - Rétroéclairage : 30000 heures

MTBF small>(mean time between failures) : durée moyenne entre pannes, est une des valeurs qui indiquent la fiabilité d’un composant d’un produit ou d’un système. C’est la moyenne arithmétique du temps de fonctionnement entre les pannes d’un système réparable.

Ordinateur portable
Caractéristiques :

Modèle Acer E machines E510
Date achat 2008
Processeur Intel Celeron T1400 / 1.73 GHz – 64 bits
Vitesse du Bus de Données 533 MHz
Jeu de puces Mobile Intel GL960 Express
Technologie multicœur 2 cœurs
Mémoire cache 512 Ko Type L2
RAM 2 x 1 Go
Technologie DDR2 SDRAM - 533 MHz
Disque dur 120 Go
Processeur graphique Intel GMA X3100 Dynamic Video Memory Technology 4.0
Mémoire graphique totale disponible 358 Mo
Affichage 15.4" TFT
Résolution maxi 1280 x 800 ( WXGA )
Couleurs 24 bits (16,7 millions de couleurs)
Stockage optique DVD±RW (±R DL) / DVD-RAM - intégré
Protocole de liaison de données Ethernet, Fast Ethernet, IEEE 802.11b, IEEE 802.11g
WifiI WifiIEEE 802.11b, IEEE 802.11g
Interfaces 3 x Hi-Speed USB - USB à 4 broches, type A - 1 x affichage / vidéo - VGA - HD D-Sub (HD-15) 15 broches - 1 x audio - sortie de ligne/casque - fiche mini-phone Stéréo 3,5 mm - 1 x microphone - entrée - mini-téléphone 3,5 mm - 1 x réseau - Ethernet 10Base-T/100Base-TX - RJ-45
Système d’exploitation Linux Debian
Batterie 6 éléments Lithium Ion (3.7V 3x2 en série), 11,1V 5200mAh/58Wh
Autonomie (jusqu’à) 2 heure(s)
Capacité 4000 mAh
Alimentation Ac 120/230 V - DC 19V 3.42A - Classe d’efficacité : IV
Consommation 65W

Disque dur externe

Modèle Western Digital
Date achat 2008
Mémoire 120 Go
Alimentation AC 220V - DC 12V 2A
Consommation 24W

calle
calle