Plan du cours (8)

Plan du cours (8)

Chapitre VIII: Capteurs intégrés intelligents et réseaux de capteurs

1. Présentation des capteurs intégrés.

2. Evolution technologique et intelligence ambiante.

3. Des capteurs intégrés aux capteurs intégrés

intelligents.

4. Les réseaux de capteurs sans fil.

5. Exemples. 224

Capteur intégré: Définition


• Un capteur intégré est un dispositif de petite taille qui utilise la

microélectronique. qui est conçu pour collecter un grand

nombre de mesures.

• Ce type de capteurs intègrent un système de traitement du

signal dans le même boîtier (linéarisation, filtrage, amplification,

conversion courant/tension, etc.).

• Cette approche “tout-en-un” permet au capteur d’envoyer des

signaux directement exploitables (linéaires avec de grandes

sensibilité et précision), sans nécessité de post-traitement.

225

Capteur intégré: Avantages

• Les capteurs intégrés présentent les avantages suivants:

� Réduire la taille et le poids comparés aux capteurs discrets.

� Réduire le temps nécessaire pour la conception et l’installation d’un

nouveau capteur: les capteurs intégrés sont des composants “prêts à

l’emploi”.

� Facilité de changement du composant défaillant en cas de

dysfonctionnement � réduction des temps et efforts de réingénierie.

� La miniaturisation est souhaitable dans des applications où la taille et

le poids sont importants (automobile, avion, robotique), ou encore les

applications où l’accessibilité est difficile (environnements industriels

hostiles, médecine). 226


Capteur intégré: Exemple 1

227

Capteur de flux

Capteur d’humidité

Capteur de température

Capteur de pression



228

Composants Modulaires(Pression, débit, déplacement, …)

Installation classique Nouvelle installation



229

Capteur inertiel

Accéléromètre MEMS (Micro Electrical Mechnical System)

Capteur « airbag »

Capteurde

mouvement(manette de

jeux)

Capteur de mouvement(écran tactile)


Evolution technologique et Intelligence

ambiante

• La miniaturisation des processeurs, l’augmentation de leur

capacité et rapidité de calcul, la réduction de la consommation

d’énergie et la généralisation des réseaux de communication

(WIFI, 3G, 4G, …) � Intégration de systèmes numériques dans

diverses technologies � « Intelligence ambiante ».

• une nouvelle forme d’intelligence émerge dans le domaine des

systèmes embarqués, du fait de l‘intégration d’un système

d’exploitation, tels Windows ou Linux, ou encore d’un Operating

System spécialisé (OS), tels que ERIKA Enterprise, Nano-

RK, TinyOS, Senses, NanoQplus, etc.


230

Des capteurs intégrés aux capteurs

intégrés intelligents

• Les capteurs munis d’un système d’exploitation ont

presque les mêmes capacités qu’un ordinateur (sans

écran, ni clavier).

• Un OS offre à l’utilisateur la possibilité de reconfigurer

totalement le capteur à chaud et à distance, ce qui

contribue fortement à diminuer les coûts de

maintenance et d’exploitation du capteur.


231

Synoptique d’un capteur intégré

intelligent

232

1 2

3

4

5


Constituants d’un capteur intégré

intelligent (1)

1) Une (ou plusieurs) voie de mesure: à laquelle est connecté un

transducteur d’une grandeur physique à mesurer: un accéléromètre, une

jauge, un thermocouple, etc.

2) Un étage de conditionnement: qui met en forme l’information analogique

(électrique, optique, mécanique) du transducteur et la convertit en une

information numérique (octets, niveaux logiques);

3) Un processeur: dont la fonction minimale est d’acquérir les données

issues de chaque voie de mesure. Ce processeur a une capacité d’intégrer

et d’exécuter des algorithmes. Dans certains cas, le processeur assure

également une gestion évoluée de l’énergie électrique du capteur. Le

processeur peut être un simple microcontrôleur 8 bits ou un processeur de

traitement de signal (DSP).


233

Constituants d’un capteur intégré

intelligent (2)

4) Une capacité de mémorisation interne: et, éventuellement,

une mémoire externe, lorsque la mémoire interne du

processeur ne suffit pas pour stocker les données et les

programmes. Les mémoires RAM ou FLASH sont des

exemples de mémoires externes.

5) Un étage de communication: permettant au processeur de

dialoguer avec le système de supervision, et éventuellement

avec d’autres capteurs. Cette communication peut être filaire

(liaison RS232, Bus RS485, Ethernet; etc..) ou sans-fil (Wifi,

Zigbee, Bluetooth, etc.).


234

• Exécuter des algorithmes, plus ou moins complexes, sur les mesures relevées,

comme calculer des minimums et maximums sur un lot de mesures, filtrer un signal,

moyenner des données, calculer des transformées de Fourier, etc.

• Réagir dynamiquement à des ordres reçus du superviseur, comme (dés)activer une

voie, modifier un paramètre, ajouter un autre type de traitement sur les données,

communiquer avec un autre capteur, etc.

• Réagir à des dysfonctionnements de son environnement comme la perte d’une voie,

un seuil atteint de façon imprévisible, une communication défaillante, etc.

• S’auto-identifier, s’auto-localiser, s’auto-reconfigurer, s’auto-réparer, etc.

Performances d’un capteur intégré

intelligent

235


Réseaux de capteurs: Environnements

mobiles

• Evolution rapide dans le domaine de communication sans fil � accès rapide

et facile à l'information à partir d’unités portables, indépendamment des

facteurs temps et lieu � environnement de calcul dit « mobile » ou «

nomade ».

• Un environnement mobile se caractérise par:

– Une communication sans fil: beaucoup moins fiable que la

communication filaire, à cause de perturbations liées à la propagation

des signaux.

– L’utilisation d’unités mobiles (ordinateurs portables, tablettes,

Smartphones...) avec des capacités de calcul et de stockage plus ou

moins grandes et des sources d’alimentation autonomes.


236

Réseau de capteurs sans fil

Ad-hoc• Un réseau Ad hoc est une collection d'unités mobiles, munies d'interfaces

de communication sans fil, formant un réseau temporaire, sans recourir à

aucune infrastructure fixe ou administration centralisée.

• Les réseaux de capteurs sans fil sont considérés comme un type spécial

des réseaux Ad hoc. Ce type de réseaux consiste en un ensemble de micro-

capteurs, éparpillés aléatoirement à travers une zone géographique appelée

« champ de captage » ou « zone de couverture ».

• Un réseau de capteurs est composé de 2 types de nœuds:

– Les capteurs: relever et router les informations vers le point de collecte (puits).

– Le puits: transmet les informations issues des capteurs au centre de traitement .


237

Architecture physique d’un capteur

intelligent sans fil

Emettre les données vers le réseau

Recevoir des informations du réseau(mises à jour logicielles, autres capteurs, …)

Fournir de l’énergie(Batterie, pile)

GPS

Module de Géolocalisation (option)


238

Transmission de l’information dans un

réseau de capteur: Envoi direct

� Chaque capteur est en lien étroit avec l'unité de collecte, et aucun

intermédiaire ne peut s'interposer dans cette relation directe.


239

Transmission de l’information dans un

réseau de capteur: Envoi par routage

� Lorsque des capteurs ne sont pas reliés à l'unité de collecte, l'envoi direct n'est

pas possible. Il faut donc appliquer des protocoles de routage de l'information.


240

Plateformes de transmission (1)

• Bluetooth: utilisé pour le transfert de données à bas débit (1-3

Mb/s) et à faible distance (10m) entre appareils compatibles.

Le grand défaut de cette technique est sa trop grande

consommation d'énergie (autonomie avec pile de l’ordre des

mois). Il peut supporter jusqu’à 255 nœuds.

• ZigBee: offre une plus grande économie d’énergie (autonomie

avec pile de l’ordre des années). Le faible débit de données

(20-250 kb/s) n'est pas un handicap pour un réseau de

capteurs, où les fréquences de transmission sont généralement

faibles. La portée maximale est 10m. Il peut supporter plus que

65000 nœuds.


241

Plateformes de transmission (2)

• Wifi: utilisé pour le transfert de données à haut débit (jusqu’à

1Gb/s) pour des distances allant jusqu’à (100m). Toutefois, il

présente l’inconvénient d’une consommation d'énergie très

élevée (autonomie avec pile de l’ordre des jours) et sa

grande gourmandise en mémoire (1Mo et plus). Il peut

supporter jusqu’à 256 nœuds.


242

Limitations des réseaux de capteurs Ad hoc

• Des contraintes d'énergie: les capteurs sont alimentés par des sources

d'énergie autonomes, comme les batteries. Le paramètre consommation

d'énergie doit être hautement pris en considération.

• Une bande passante limitée: l'utilisation d'un média de communication

partagé fait que la bande passante réservée à un capteur soit modeste.

• Une topologie dynamique: la topologie des réseaux Ad hoc change d'une

manière fréquente et rapide, à cause du déplacement arbitraire des unités

mobiles.

• Une sécurité physique limitée: étant basés sur les communications sans

fil, les réseaux Ad hoc sont sensibles aux attaques qui menacent les

données transmises.


243

Applications

• Applications militaires: surveiller tous les mouvements (amis

ou ennemis), analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes

(détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations).

• Applications à la sécurité: surveiller les structures d'avions,

navires, automobiles, métros ou les altérations de structure

d'un bâtiment, d'une route, d'un quai, d'une voie ferrée, d'un

pont ou d'un barrage…

• Applications médicales: transmettre des images de l'intérieur

d'un corps humain, surveiller la glycémie, les organes vitaux ou

détecter la formation de cancers.


244

Exemples de réseaux de capteurs sans fil avec système d’exploitation intégré

TelOsB

245

WaspMoteMicaZ

Système d’exploitation: TinyOs®

iMote2


Exemple de systèmes d’exploitation pour

réseaux de capteurs: TinyOs®

• TinyOs® est un système d’exploitation libre (open-

source), conçu par l’Université Américaine de Berkley

en 2000, pour des réseaux de capteurs sans fil.

• TinyOs® offre une bibliothèque de composants

particulièrement complète, où on peut retrouver des

protocoles réseaux, des pilotes de capteurs et des

outils d’acquisition de données.


246

Exemple de modules de communication

sans fil

Module de communicationZigbee Module de communication

Wifi

Module de communicationBluetooth


247

Documents

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