Rapport PFE hadj taieb V8 - Academie pro · 2015-08-22 · I Dédicaces A mes pères et à mes mères En témoignage de mon immense affection et ma grande gratitude. Ni mes dédicaces,

MEMOIRE

Présenté à

L’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax

(Département de Génie Informatique et de Mathématiques Appliquées)

en vue de l’obtention

du Diplôme National d’Ingénieur en Génie Informatique

Par

Naourez HADJ TAIEB

Conception et développement d’une

application de surveillance de

l’environnement à base d’un réseau de

capteurs sans fil

Soutenu le 20 juin 2011, devant la commission d'examen :

M. Nader BEN AMOR Président

M. Wassef LOUATI Membre

M. Omar CHEIKHROUHOU Encadreur

M. Mohamed ABID

Encadreur

République Tunisienne

Cycle de Formation d’Ingénieurs

dans la discipline Génie Informatique

Projet de fin d’études N° d’ordre: 2010 DIMA-085

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université de Sfax Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax

Département de Génie Informatique et de Mathématiques Appliquées

I

Dédicaces

A mes pères et à mes mères

En témoignage de mon immense affection et ma grande gratitude.

Ni mes dédicaces, ni mes remerciements ne pourront égaler vos sacrifices.

Votre amour et sollicitude que vous mávez toujours réservés.

Jéspère que vous trouvez en moi votre source de fierté et de bonheur.

Que Dieu vous prête longue vie et bonne santé et quíl garde notre solidarité et notre

indéfectible attachement familial.

A mes frères Med Anouar, Amir et Nader

A mes très chères sœurs Dorra et Sirine

ET

A mon fiancé Ahmed

qui mónt tant soutenu.

A mes petites Chaima et Ghofrane

A ma grande famille

A tous mes amis

Naourez

II

Remerciements

Il m’est agréable de saisir cette occasion pour adresser mes sincères

remerciements et ma gratitude la plus profonde à mes encadreurs

Monsieur Omar CHEIKHROUHOUOmar CHEIKHROUHOUOmar CHEIKHROUHOUOmar CHEIKHROUHOU et Monsieur Mohamed Mohamed Mohamed Mohamed ABIDABIDABIDABID

maitre assistant à l’ENIS. Leur aide précieuse, leurs conseils

bienveillants, leur direction, leur soutient moral, leurs compétences,

leurs grandes expériences et leurs qualités humaines m’ont été d’une

grande importance et m’ont permis de mener à bien faire ce travail.

Qu’ils trouvent ici l’expression de ma profonde reconnaissance.

Je tiens à exprimer ma haute gratitude et mes remerciements aux

membres de jury : Monsieur Nader BEN AMORNader BEN AMORNader BEN AMORNader BEN AMOR pour l’honneur qu’il

me fait de présider les jurys de ce mémoire, Monsieur Wassef LOUATIWassef LOUATIWassef LOUATIWassef LOUATI

d’avoir accepté de juger mon travail, et mes encadreurs Monsieur Omar Omar Omar Omar

CHEIKHROUHOUCHEIKHROUHOUCHEIKHROUHOUCHEIKHROUHOU et Monsieur Mohamed ABIDMohamed ABIDMohamed ABIDMohamed ABID qui me font

l’honneur de juger ce travail et d’y apporter leurs critiques constructives

et leurs suggestions valeureuses.

Je remercie également tous les membres de CES lab pour leurs

coopérations.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................. 7

CHAPITRE 1 PRESENTATION DES RESEAUX DE CAPTEURS SANS FIL ................................ 10

1 Introduction ................................................................................................................................... 11

2 Présentation des réseaux de capteurs sans fil .............................................................................. 11

2.1 Caractéristiques principales d’un capteur ............................................................................. 12

2.2 Architecture d’un nœud capteur ........................................................................................... 14

2.3 Domaines d’applications des réseaux de capteurs ............................................................... 15

2.4 Norme de transmission IEEE 802.15.4 .................................................................................. 17

2.5 Système d’exploitation des réseaux de capteurs sans fil ...................................................... 18

3 Travail demandé ............................................................................................................................ 19

3.1 Résultats et fonctionnalités attendus ................................................................................... 20

4 Conclusion ..................................................................................................................................... 21

CHAPITRE 2 EXPRESSION ET SPECIFICATION DES BESOINS ................................................. 22

1 Introduction ................................................................................................................................... 23

2 Objectifs visés ................................................................................................................................ 23

2.1 Description de la solution proposée ..................................................................................... 23

2.1.1 Vue d’ensemble de la solution ...................................................................................... 24

2.1.2 Description des bénéfices ............................................................................................. 25

3 Spécification du système ............................................................................................................... 25

3.1 Définition des termes ............................................................................................................ 25

3.2 Vue d’ensemble des fonctions .............................................................................................. 26

3.2.1 Partie nœud capteur et partie station de base ............................................................. 26

3.2.2 Partie nœud capteur ..................................................................................................... 26

3.2.3 Partie Station de Base ................................................................................................... 26

3.2.4 Partie PC ........................................................................................................................ 27

3.3 Description des fonctionnalités ............................................................................................. 28

3.3.1 Identification des acteurs .............................................................................................. 28

3.3.2 Diagramme de cas d’utilisation ..................................................................................... 29

3.3.3 Diagramme de séquence ............................................................................................... 30

4 Conclusion ..................................................................................................................................... 38

CHAPITRE 3 MODELISATION CONCEPTUELLE ......................................................................... 39

5 Introduction ................................................................................................................................... 40

6 Choix de l’approche d’analyse et de conception .......................................................................... 40

7 Méthode d’analyse et de conception ............................................................................................ 40

8 Analyse et conception ................................................................................................................... 41

8.1 Application PC ....................................................................................................................... 42

8.2 Application nœud capteur ..................................................................................................... 48

9 Conclusion ..................................................................................................................................... 49

CHAPITRE 4 IMPLEMENTATION .................................................................................................... 50

1 Introduction ................................................................................................................................... 51

2 Environnement de travail et outils de développements ............................................................... 51

2.1 Partie nœud capteur ............................................................................................................. 52

2.1.1 TempHumC.nc ............................................................................................................... 52

2.1.2 TempHumP.nc ............................................................................................................... 53

2.2 Partie station de base ........................................................................................................... 55

2.3 Partie PC ................................................................................................................................ 57

3 Conclusion ..................................................................................................................................... 69

CONCLUSION GENERALE ............................................................................................................... 70

Bibliographie ............................................................................................................................................ 72

ANNEXES ............................................................................................................................................ 74

Liste des figures

Figure 1. Exemple de réseau de capteurs ............................................................................................ 12

Figure 2. Rayons de communication et de sensation d’un capteur ..................................................... 13

Figure 3. Capteur TelosB ....................................................................................................................... 13

Figure 4. Architecture physique d’un nœud capteur ........................................................................... 15

Figure 5. Applications des réseaux de capteurs sans fil ....................................................................... 17

Figure 6. Architecture du système ........................................................................................................ 24

Figure 7. Diagramme de cas d’utilisation de l’application .................................................................... 29

Figure 8. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Authentification » ...................... 31

Figure 9. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Ajouter nœud » ......................... 33

Figure 10. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Mise à jour paramètre » .......... 35

Figure 11. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Affichage température» .......... 37

Figure 12. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Contrôle de l’environnement » 37

Figure 13. Diagramme de séquence objet du cas d’utilisation « Authentification» ............................. 43

Figure 14. Diagramme de séquence objet de cas d’utilisation « Ajouter nœud » ................................ 44

Figure 15. Diagramme de séquence d’objet du cas d’utilisation « Mise à jour paramètres » ............. 45

Figure 16. Diagramme de séquence objet du cas d’utilisation « Affichage température » ................. 47

Figure 17.Diagramme de classe de conception de la partie PC ............................................................ 48

Figure 18. Diagramme de séquence objet du cas d’utilisation « Contrôle de l’environnement » ....... 49

Figure 19. Interface « Authentification » .............................................................................................. 57

Figure 20. Interface « accueil » ............................................................................................................. 58

Figure 21. Menu « Affichage » ............................................................................................................. 59

Figure 22.Interface « Affichage de la température de tous les nœuds ».............................................. 60

Figure 23. Interface « Affichage de la température des nœuds actifs » .............................................. 61

Figure 24. Interface « Affichage de la température par nœud » .......................................................... 62

Figure 25.Interface « Affichage de la température moyenne des nœuds » ......................................... 63

Figure 26. Menu « Configuration » ...................................................................................................... 64

Figure 27. Interface « Ajout des nœuds » ............................................................................................. 65

Figure 28.Interface « Recherche de nœud à supprimer » .................................................................... 66

Figure 29. Interface « Suppression des nœuds » .................................................................................. 67

Figure 30. Interface « Modification des paramètres » .......................................................................... 68

Figure 31. Interface « Dépassement des seuils » .................................................................................. 69

Figure 32. Schéma d’une carte TelosB .................................................................................................. 76

IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN

GGEENNEERRAALLEE

Surveillance de l’environnement à base d’un réseau de capteurs sans fil Naourez HADJ TAIEB

8

Les avancées technologiques et techniques opérées dans le domaine des réseaux sans

fil, de la micro-fabrication et de l’intégration des microprocesseurs ont fait naître une nouvelle

génération de réseaux à grande échelle adaptés à une gamme d’applications très variée [1],

c’est réseaux sont appelés Réseaux de Capteurs Sans Fil. Ces réseaux sont constitués par de

petits appareils électroniques, autonomes, équipés de capteurs et capables de communiquer

entre eux sans fil. Ces réseaux sont capables de superviser une région ou un phénomène

d’intérêt, de fournir des informations utiles par la combinaison des mesures prises par les

différents capteurs et de les communiquées ensuite via le support sans fil à l’utilisateur.

Cette nouvelle technologie promet de révolutionner notre façon de vivre, de travailler

et d’interagir avec l’environnement physique qui nous entoure. En effet, des capteurs

communicants sans fil et dotés de capacités de calcul facilitent une série d’applications

irréalisables ou trop chères il y a quelques années. Aujourd’hui, des capteurs minuscules et de

faible coût peuvent être éparpillés sur des zones de contrôle pour détecter une variété de

phénomènes physiques. De nombreux domaines d’application sont alors envisagés tels que la

détection et la surveillance des désastres, le contrôle de l’environnement, le bâtiment

intelligent, l’agriculture de précision, la surveillance et la maintenance préventive des

machines, la médecine et la santé, la logistique et les transports intelligents.

C’est dans ce cadre que s’inscrit notre projet de fin d’études. L’objectif majeur de ce

travail consiste à réaliser une application de surveillance de l’environnement à base d’un

réseau de capteurs sans fil afin de permettre à l’utilisateur de surveiller l’environnement en

temps-réel. De plus, nous avons pu développer une application sur les nœuds capteurs afin de

permettre la détection des paramètres de l’environnement tel que température, humidité et

luminosité.

Pour relater les travaux réalisés dans le cadre de notre projet, notre mémoire

s’organisera de la façon suivante :

- Dans le premier chapitre, nous allons présenter le réseau de capteurs sans fil ainsi que

les ressources matérielles et technologiques utilisées, puis nous terminerons par une

brève description du contexte général du projet.


9

- Dans le deuxième chapitre, nous allons présenter les exigences auxquelles notre

application devra répondre et les objectifs à atteindre.

- Le troisième chapitre englobe toute la partie conception avec ses diagrammes : le

diagramme de cas d’utilisation, les diagrammes de séquences et le diagramme de

classes.

- Enfin, le quatrième chapitre sera réservé pour la réalisation. En fait, nous entamons ce

chapitre par une liste des environnements et des technologies utilisées lors de la phase

de l’implémentation. Ensuite, nous exposerons quelques parties de codes et interfaces

des modules réalisés.

CCHHAAPPIITTRREE 11 PPRREESSEENNTTAATTIIOONN DDEESS

RREESSEEAAUUXX DDEE

CCAAPPTTEEUURRSS SSAANNSS FFIILL


11

1 Introduction

Dans le cadre de la formation d’ingénieur à l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax,

nous avons proposé d’effectuer notre projet de fin d’études au sein du laboratoire CES. En

effet, nous présentons dans ce chapitre les réseaux de capteurs sans fil et les ressources

technologiques ainsi utilisées. Par la suite, nous décrivons brièvement le contexte général de

notre projet.

2 Présentation des réseaux de capteurs sans fil

Les réseaux de capteurs sans fil (WSNs1) sont un type particulier de réseau Ad-hoc,

dans lesquels les nœuds sont des « capteurs intelligents ». Ils se composent généralement d’un

grand nombre de capteurs communicants entre eux via des liens radio pour le partage

d’information et le traitement coopératif. Dans ce type de réseau, les capteurs échangent des

informations par exemple sur l’environnement pour construire une vue globale de la région

contrôlée, qui est rendue accessible à l’utilisateur externe par un ou plusieurs nœud(s). Les

données collectées par ces capteurs sont acheminées directement ou via les autres capteurs de

proche en proche à un « point de collecte », appelé station de base (ou SINK s’il s’agit d’un

nœud). Cette dernière peut être connectée à une machine puissante via internet ou par

satellite. En outre, l’utilisateur peut adresser ses requêtes aux capteurs en précisant

l’information d’intérêt [2].

1 WSNs : Wireless sensor Networks


12

Figure 1. Exemple de réseau de capteurs

Un exemple de réseaux de capteurs est fourni dans la Figure 1 : les capteurs sont déployés

d’une manière aléatoire dans une zone d’intérêt, et une station de base, située à l’extrémité de

cette zone, est chargée de récupérer les données collectées par les capteurs. Lorsqu’un capteur

détecte un événement pertinent, un message d’alerte est envoyé à la station de base par le

biais d’une communication entre les capteurs. Les données collectées sont traitées et

analysées par des machines puissantes.

Les réseaux de capteurs viennent en soutien de l’environnement et de l’industrie grâce aux

récents développements réalisés dans le domaine des techniques sans fils. Depuis quelques

décennies, le besoin d’observer et de contrôler des phénomènes physiques tels que la

température, la pression ou encore la luminosité est essentiel pour de nombreuses applications

industrielles et scientifiques.

2.1 Caractéristiques principales d’un capteur

Deux entités sont fondamentales dans le fonctionnement d’un capteur : l’unité

d’acquisition qui est le cœur physique permettant la prise de mesure et l’unité de

communication qui réalise la transmission de celle-ci vers d’autres dispositifs électroniques.

Ainsi, fonctionnellement chaque capteur possède un rayon de communication (Rc) et un

rayon de sensation (Rs). La Figure 2 montre les zones définies par ces deux rayons pour le


13

capteur A. La zone de communication est la zone où le capteur A peut communiquer avec les

autres capteurs (le capteur B). D’autre part, la zone de sensation est la zone où le capteur A

peut capter l’événement [3] [4].

Figure 2. Rayons de communication et de sensation d’un capteur

En effet, pour qu’un capteur ait une portée de communication suffisamment grande, il est

nécessaire d’utiliser un signal assez puissant. Cependant, l’énergie consommée serait

importante [5].

Il existe dans le monde plusieurs fabricants de capteurs. Nous citerons Crossbow, Cisco,

Dalsa, EuroTherm, et Sens2B. Parmi ces capteurs, il existe quelques uns qui sont capables de

varier la puissance du signal émis afin d’élargir/réduire le rayon de communication et en

conséquence la zone de communication. La Figure 3 montre un capteur intelligent TELOSB

fabriqué par Crossbow [6].

Figure 3. Capteur TelosB


14

2.2 Architecture d’un nœud capteur

Un nœud capteur sans fil est un petit dispositif électronique capable de mesurer une valeur

physique environnementale (température, luminosité, pression, etc.), et de la communiquer à

un centre de contrôle via une station de base. Il est composé de quatre unités de base [7]

comme il est illustré dans la Figure 4:

� L’unité d’acquisition : est généralement composée de deux sous-unités : les

capteurs et les convertisseurs analogique-numérique (ADCs). Les capteurs

obtiennent des mesures numériques sur les paramètres environnementaux et

les transforment en signaux analogiques. Les ADCs convertissent ces signaux

analogiques en signaux numériques et les transmet à l’unité de traitement ;

� L’unité de traitement : est composée d’un processeur et d’une mémoire

intégrant un système d’exploitation spécifique (TinyOS (2.1), par exemple).

Cette unité possède deux interfaces: une interface avec l’unité d’acquisition et

une autre avec l’unité de communication. Elle acquiert les informations en

provenance de l’unité d’acquisition et les envoie à l’unité de communication.

Cette unité est chargée aussi d’exécuter les protocoles de communications qui

permettent de faire collaborer le capteur avec d’autres capteurs. Elle peut aussi

analyser les données captées ;

� L’unité de communication (Transceiver) : unité responsable de toutes les

émissions et réceptions de données via un support de communication radio qui

relie le nœud au réseau ;

� Batterie : alimente les unités citées précédemment ;

� Il existe des capteurs qui sont dotés d’autres composants additionnels : les

systèmes de localisation tels que GPS (Global Position System) et un

mobilisateur lui permettant le déplacement.


15

Figure 4. Architecture physique d’un nœud capteur

2.3 Domaines d’applications des réseaux de capteurs

La diminution de taille et de coût des micro-capteurs, l'élargissement de la gamme des

types de capteurs disponibles (thermique, optique, vibrations...) et l'évolution des supports de

communication sans fil, ont élargi le champ d'application des réseaux de capteurs (Voir

Figure 5). Parmi elles, nous citons :

� Applications militaires : Le faible coût et le déploiement rapide sont des

caractéristiques qui ont rendu les réseaux de capteurs efficaces pour les applications

militaires. Plusieurs projets ont été lancés pour aider les unités militaires dans un

champ de bataille et protéger les villes contre des attaques, telles que les menaces

terroristes. Un réseau de capteurs peut être déployé dans un endroit stratégique ou

hostile, afin de surveiller les mouvements des forces ennemies, ou analyser le terrain

avant d’y envoyer des troupes (détection des armes chimiques, biologiques ou

radiations). L’armée américaine a réalisé des tests dans le désert de Californie ;

� Applications domestiques : Avec le développement technologique, les capteurs

peuvent être embarqués dans des appareils, tels que les aspirateurs, les fours à micro-

ondes, les réfrigérateurs, les magnétoscopes, etc. [8]. Ces capteurs embarqués peuvent

interagir entre eux et avec un réseau externe via Internet pour permettre à un

utilisateur de contrôler les appareils domestiques localement ou à distance. Le

déploiement des capteurs de mouvement et de température dans les futures maisons


16

dites intelligentes permet d’automatiser plusieurs opérations domestiques telles que :

la lumière s’éteint et la musique s’arrête quand la chambre est vide, la climatisation et

le chauffage s’ajustent selon les points multiples de mesure, l’alarme est déclenchée

par le capteur anti-intrusion quand un étranger veut pénétrer dans la maison ;

� Applications environnementales : Le contrôle des paramètres environnementaux par

les réseaux de capteurs peut donner naissance à plusieurs applications. Par exemple, le

déploiement des thermo-capteurs dans une forêt peut aider à détecter un éventuel

début de feu et par suite faciliter la lutte contre les feux de forêt avant leur

propagation. Le déploiement des capteurs chimiques dans les milieux urbains peut

aider à détecter la pollution et analyser la qualité d’air. De même leur déploiement

dans les sites industriels empêche les risques industriels tels que la fuite de produits

toxiques (gaz, produits chimiques, éléments radioactifs, pétrole, etc.) ;

� Applications agricoles : Dans les champs agricoles, les capteurs peuvent être semés

avec les graines. Ainsi, les zones sèches seront facilement identifiées et l'irrigation

sera donc plus efficace ;

� Applications médicales : Dans le domaine de la médecine, les réseaux de capteurs

peuvent être utilisés pour assurer une surveillance permanente des organes vitaux de

l’être humain grâce à des micro-capteurs qui pourront être avalés ou implantés sous la

peau (surveillance de la glycémie, détection de cancers, etc.). Ils peuvent aussi faciliter

le diagnostic de quelques maladies en effectuant des mesures physiologiques telles que

: la tension artérielle, battements du cœur, etc, à l’aide des capteurs ayant chacun une

tâche bien particulière. Les données physiologiques collectées par les capteurs peuvent

être stockées pendant une longue durée pour le suivi d’un patient [9]. D’autre part, ces

réseaux peuvent détecter des comportements anormaux (chute d’un lit, choc, cri, etc.)

chez les personnes dépendantes (handicapées ou âgées) ;

� Applications commerciales : Il est possible d’intégrer des capteurs au processus de

stockage et de livraison dans le domaine commercial. Le réseau ainsi formé pourra

être utilisé pour connaître la position, l’état et la direction d’un paquet. Il devient alors

possible pour un client qui attend la réception d’un paquet, d’avoir un avis de livraison

en temps réel et de connaître la localisation actuelle du paquet. Pour les entreprises

manufacturières, les réseaux de capteurs permettront de suivre le procédé de

production à partir des matières premières jusqu’au produit final livré. Grâce aux


17

réseaux de capteurs, les entreprises pourraient offrir une meilleure qualité de service

tout en réduisant leurs coûts [10].

Figure 5. Applications des réseaux de capteurs sans fil [11]

2.4 Norme de transmission IEEE 802.15.4

Le 802.15.4 est un protocole de communication défini par l'IEEE. Il est destiné

aux réseaux sans fil de la famille des LR WPAN (Low Rate Wireless Personal Area Network)

du fait de leur faible consommation, de leur faible portée et du faible débit des dispositifs

utilisant ce protocole.

802.15.4 est utilisé par de nombreuses implémentations basées sur des protocoles

propriétaires ou sur IP (Internet Protocol), comme le ZigBee[12].


18

2.5 Système d’exploitation des réseaux de capteurs sans fil

Il existe plusieurs systèmes d’exploitation utilisés au niveau du réseau de capteurs sans

fil, parmi lesquels nous citons Contiki, MANTIS et TinyOS. Dans notre projet nous avons

travaillé avec le système d’exploitation TinyOs qui va être présenté dans ce qui suit.

TinyOS est un système d’exploitation open-source conçu pour des réseaux de capteurs

sans fil. Il respecte une architecture basée sur une association de composants, réduisant la

taille du code nécessaire à sa mise en place. Cela s’inscrit dans le respect des contraintes de

mémoires qu’observent les réseaux de capteurs.

Pour autant, la bibliothèque de composant de TinyOS est particulièrement complète

puisqu’on y retrouve des protocoles réseaux, des pilotes de capteurs et des outils d’acquisition

de données. L’ensemble de ces composants peut être utilisé tel quel, il peut aussi être adapté à

une application précise.

En s’appuyant sur un fonctionnement événementiel, TinyOS propose à l’utilisateur

une gestion très précise de la consommation du capteur et permet de mieux s’adapter à la

nature aléatoire de la communication sans fil entre interfaces physiques [13].

� Disponibilité et sources : TinyOS est un système principalement développé et

soutenu par l’université américaine de Berkeley, qui le propose en téléchargement

sous la licence BSD et en assure le suivi. Ainsi, l’ensemble des sources sont

disponibles pour de nombreuses cibles matérielles.

� Fonctionnement évènementiel (Event-driven) : Le fonctionnement d’un système

basé sur TinyOS s’appuie sur la gestion des évènements se produisant. Ainsi,

l’activation de tâches, leur interruption ou encore la mise en veille du capteur

s’effectue à l’apparition d’évènements, ceux-ci ayant la plus forte priorité. Ce

fonctionnement évènementiel (event-driven) s’oppose au fonctionnement dit temporel

(time-driven) où les actions du système sont gérées par une horloge donnée.

� Langage : TinyOS a été programmé en langage NesC que nous allons détailler au

niveau de l’annexe.

� Préemptif : Le caractère préemptif d’un système d’exploitation précise si celui-ci

permet l’interruption d’une tâche en cours. TinyOS ne gère pas ce mécanisme de

préemption entre les tâches mais donne la priorité aux interruptions matérielles. Ainsi,

les tâches entre-elles ne s’interrompent pas mais une interruption peut stopper

l’exécution d’une tâche.


19

� Temps réel : Lorsqu’un système est dit « temps réel » celui-ci gère des niveaux de

priorité dans ses tâches permettant de respecter des échéances données par son

environnement. Dans le cas d’un système strict, aucune échéance ne tolère de

dépassement contrairement à un système temps réel mou. TinyOS se situe au-delà de

ce second type car il n’est pas prévu pour avoir un fonctionnement temps réel.

� Consommation : TinyOS a été conçu pour réduire au maximum la consommation en

énergie du capteur. Ainsi, lorsqu’aucune tâche n’est active, il se met automatiquement

en veille.

3 Travail demandé

Ce projet consiste à réaliser une application de surveillance de l’environnement à base

d’un réseau de capteurs sans fil. L’application développée, permet l’affichage des interfaces

graphiques qui reflètent l’état de l’environnement, notamment l’humidité, la température, la

luminosité, etc. La conception d’une telle application consiste à :

� Détecter les paramètres de l’environnement grâce à un nœud capteur ;

� Envoie des données captées via l’interface radio des nœuds capteurs à un nœud

centrale appelé station de base ;

� Affichage en temps-réel les paramètres de l’environnement reçus.


20

3.1 Résultats et fonctionnalités attendus

L’application attendue doit fournir des interfaces graphiques qui répondent à la

contrainte temps réel, simple à l’utilisation, et paramétrable à fin de répondre au besoin de

l’utilisateur.

Notre projet consiste donc à la spécification, la conception et l’implémentation d’une

application qui est composée de trois parties ; une partie embarquée sur les nœuds capteurs du

réseau, une autre partie embarquée sur la station de base et une troisième partie installée sur

un PC. Cette dernière partie assure la synchronisation des données avec l’application nœud

capteur ainsi que la gestion des nœuds et le paramétrage de l’ensemble de l’application.

Les fonctionnalités nécessaires et attendues par notre solution, notamment la partie PC

sont :

� Affichage

- Affichage des valeurs numériques des paramètres de l’environnement mesurés par

chaque nœud capteur;

- Affichage de l’état de chaque nœud (actif ou non);

- Présentation des courbes graphiques des paramètres de l’environnement captés de

chaque nœud;

- Affichage de la valeur moyenne des paramètres de l’environnement de tous les nœuds;

- Présentation de la courbe graphique de la valeur moyenne des paramètres de

l’environnement captés par les nœuds;

- Alerte en cas de dépassement d’un seuil maximum ou minimum (bip, notification)

définis par l’utilisateur.

� Gestion des nœuds

- Saisie et suppression des informations d’un nœud (Identifiant(Id), type de plateforme);

- Recherche par Id d’un nœud.

� Paramétrage

- Réglage des seuils minimum et maximum des paramètres de l’environnement;

- Activer ou désactiver les seuils minimum et maximum;

- Réglage de la période d’envoi de message par les nœuds capteurs.

Les fonctionnalités nécessaires de l’application station de base sont :

- collecte des messages envoyés par les nœuds capteurs via les ondes radio;


21

- Envoi des messages reçus par les nœuds capteurs sur la liaison série du PC.

Les fonctionnalités nécessaires de l’application nœud capteur sont :

- Capture et mesure des paramètres de l’environnement;

- Envoi périodique des messages contenants les valeurs captées vers la station de base à

travers l’interface radio;

- Traitement des commandes reçues par la station de base.

4 Conclusion

A travers l’introduction nous avons commencé par présenter le réseau de capteurs sans

fil et l’architecture logicielle et matérielle utilisée. Ensuite nous avons décrit le travail

demandé et les résultats attendus tout au long de ce stage. Dans le chapitre qui suit, nous

allons entamer la partie spécification des besoins pour une étude détaillée du projet.

CCHHAAPPIITTRREE 22 EEXXPPRREESSSSIIOONN EETT

SSPPEECCIIFFIICCAATTIIOONN

DDEESS BBEESSOOIINNSS


23

1 Introduction

Dans le chapitre précédent, nous avons présenté une vue d’ensemble du projet ainsi

que sa relation avec l’environnement de travail. Nous énoncerons, dans ce chapitre, les

exigences auxquelles notre application devra répondre.

A cet effet, nous soulèverons tout d’abord les besoins attendus et leurs objectifs à

travers une étude d’expression des besoins. Par la suite, nous passerons à une spécification

détaillée du logiciel permettant une meilleure compréhension des fonctionnalités du système.

2 Objectifs visés

Le projet dans lequel évolue cette mémoire vise à mettre en place un réseau des

capteurs sans fil dédiés à la mesure des paramètres de l’environnement. L’objectif est de

permettre aux mesures réalisées par ces capteurs d’être transmises par ondes radio (sans fil),

en temps réel, aux personnes chargées de les analyser. Un grand nombre de mesures pourront

ainsi être collectées, tout en limitant les déplacements sur site.

L’application à réaliser devrait tenir compte d’un certain nombre d’objectifs. Les

objectifs suivants devraient, normalement, être retenus :

� Avoir des interfaces simples et claires afin d’améliorer les délais d'intervention;

� Respecter la contrainte temps réel lors de l’affichage de la valeur mesurée;

� Développer des outils, des méthodes de récolte et de traitement des

informations environnementales afin d'aider le décideur dans ses choix;

� Avoir une application paramétrable afin de répondre au besoin de l’utilisateur.

Pour réaliser ces objectifs, il convient de chercher à réaliser une application permettant

de présenter les valeurs mesurées sous une forme bien claire pourrait faciliter d’une part

l’interaction avec l’utilisateur et d’autre part l’opération de surveillance.

2.1 Description de la solution proposée

Les objectifs posés précédemment peuvent être atteint avec une solution de

surveillance de l’environnement embarquée sur des nœuds de capteur présentés dans le

premier chapitre ainsi qu’une autre partie de l’application installée sur le PC. Dans ce qui suit

nous allons décrire cette solution en citant les bénéfices retenus.


24

2.1.1 Vue d’ensemble de la solution

La solution application de surveillance de l’environnement est constituée des éléments

suivants :

� Des nœuds capteurs munis d’une partie de l’application installée, avec laquelle nous

pouvons capter les paramètres de l’environnement.

� Un nœud capteur appelé station de base muni d’une autre partie de l’application

installée connecté à un PC à travers le port USB, avec laquelle nous pouvons avoir

récupérer la valeur mesurée et l’envoyer via la liaison série.

Les deux dispositifs sont reliés entre eux à travers des ondes radio pour l’échange des

messages.

� On disposera généralement de plusieurs nœuds capteurs éparpillés sur plusieurs

emplacements. De ce fait ces équipements seront connectés à une station de base qui

est connectée à un PC muni d’une partie de l’application permettant de collecter les

données de chacun de ces nœuds capteurs comme il est présenté dans la Figure 6.

� Après avoir récupérer les valeurs mesurées ils seront affichées à l’aide d’une troisième

partie de l’application installée sur le PC.

Figure 6. Architecture du système


25

2.1.2 Description des bénéfices

La surveillance environnementale est nécessaire afin d'établir un niveau de référence

crédible et fiable pour l’évaluation des impacts environnementaux. Ce niveau de référence

représente le point de départ afin de comparer objectivement les impacts réels du projet avec

les impacts prévus. Par conséquent, le suivi est essentiel afin d'évaluer l'évolution des impacts

sur l'environnement et fournir des éléments solides pour soutenir la prise de décision dans

l'atténuation des dommages environnementaux. En outre, la surveillance favorise une

intervention rapide pour éviter des sanctions liées aux cas de non-conformités réglementaires.

3 Spécification du système

Pour parvenir à une bonne spécification, on doit analyser et organiser les

fonctionnalités et les résultats attendus de l’application. L'objectif de cette partie est de

procéder à une analyse de l'ensemble des fonctionnalités requises pour la solution de

surveillance de l’environnement à base d’un réseau de capteurs sans fil. Notre application

comporte trois parties dont deux sont embarquées sur des nœuds capteurs et la troisième

installé sur un PC.

Pour chacune des parties citées ci-dessus, nous allons présenter une vue d’ensemble

des fonctionnalités offertes. Ensuite, nous allons s’intéresser à la description détaillée du

système et de son fonctionnement. Cette description va présenter une spécification du cas

d’utilisation ainsi que l’interaction de chaque acteur avec le système.

3.1 Définition des termes

Pour faciliter la compréhension du reste de ce chapitre nous avons trouvé nécessaire

de donner des définitions des principaux termes utilisés.

� Utilisateur : Généralement placé devant le PC, chargé de superviser les changements

d’états des nœuds et les valeurs mesurées. Dans ce contexte, un utilisateur peut être un

administrateur ou un observateur;

� Administrateur : L’administrateur du système est celui qui possède les droits d’accès

aux différentes fonctionnalités offertes par l’application PC;


26

� Partie nœud capteur : C’est une partie de l’application qui sera embarquée sur un

nœud capteur et qui contient les différentes fonctionnalités permettant la capture des

paramètres de l’environnement et leur envoie à la station de base;

� Partie station de base : C’est une autre partie de l’application embarquée sur un

nœud capteur permettant la collection des informations captées et ensuit les envoyer

via la liaison série;

� Partie PC : C’est la partie de l’application qui est installée sur un PC à partir de

laquelle l’administrateur peut consulter les données de tout le système. En plus, elle

assure l’affichage des données provenant de tous les nœuds actifs dans des interfaces

graphiques;

3.2 Vue d’ensemble des fonctions

Le système comprend une multitude de fonctions. Dans cette partie, nous allons

détailler celles qui sont communes à la partie station de base et la partie nœud capteur, ensuite

nous citons les fonctionnalités offertes par chacune de ces parties et par la partie PC.

3.2.1 Partie nœud capteur et partie station de base

Les principales fonctionnalités attendues de la partie nœud capteur et de la partie

station de base sont les suivantes :

• Envoie Radio

Envoyer un message selon un format de paquet bien déterminé vers l’autre nœud de

capteur via des interfaces radio.

• Réception Radio

Réception des messages provenant d’autres nœuds à travers des interfaces radio.

3.2.2 Partie nœud capteur

La principale fonctionnalité attendue de la partie nœud capteur est la suivante :

• Capture de données

L’application nœud capteur permet à la fois de détecter et de mesurer les paramètres

de l’environnement.

3.2.3 Partie Station de Base


27

Les principales fonctionnalités attendues de la partie Station de Base sont les

suivantes :

• Envoie sur la liaison série

Après avoir recevoir un message de la part d’un nœud capteur, la station de base est

chargée de l’acheminer vers le PC à travers la liaison série.

• Réception à partir de la liaison série

La station de base peut recevoir des paquets provenant de la liaison série et les

acheminer vers les nœuds capteurs.

3.2.4 Partie PC

Les principales fonctionnalités attendues de la partie PC sont les suivantes :

• Détection des nouveaux nœuds connectés

o Modification de l’état des nœuds (actif ou non) ;

o Ajout d’un nœud s’il s’agit d’un nouveau nœud connecté.

• Gestion des nœuds

o Saisie et suppression des données d’un nœud capteur.

• Paramétrage des seuils et période d’envoi des paquets

o Réglage et activation des seuils minimums et maximums des paramètres de

l’environnement;

o Modification de la période d’envoie des paquets à partir d’un nœud capteur.

• Collection des paquets provenant de la liaison série

o Etat d’écoute du port série jusqu’à la provenance d’un nouveau paquet envoyé

par la station de base.

• Traçage des courbes

L’affichage de la courbe dans l’application se limite sur la visualisation du signal d’un

nœud uniquement, tous les nœuds au même temps ou la valeur moyenne de tous les nœuds.

Mais pour l’utilisateur, ce dernier a besoin parfois d’afficher chaque signal à part, tous à la

fois ou la valeur moyenne.

• Mise à jour des valeurs numériques des paramètres de l’environnement

o Affichage des valeurs numériques des paramètres de l’environnement de

chaque nœud pour chaque période de temps d’envoie;

o Affichage de la valeur numérique des paramètres de l’environnement de nœud

préféré d’une manière périodique selon la période d’envoie;


28

• Calcul de la moyenne des paramètres de l’environnement relevé de tous les

nœuds

o Affichage de la valeur moyenne des paramètres de l’environnement de tous les

nœuds capteurs.

3.3 Description des fonctionnalités

Dans cette partie nous allons présenter une étude détaillée des principales

fonctionnalités de la solution embarquée sur les nœuds capteurs ainsi que de la solution

développée sur le PC.

3.3.1 Identification des acteurs

En se basant sur l’étude des besoins, les acteurs sont toute personne ou entité pouvant

interagir directement ou indirectement avec le système.

Nous distinguons deux types d’acteurs :

� Acteurs participants à la partie nœud capteur et la partie station de base

• Acteurs primaires :

- Nœud

� Acteurs participants à la partie PC

• Acteurs primaires :

- Administrateur

- Observateur

Le rôle de chaque acteur est présenté dans le tableau suivant :

Tableau 1. Rôles des acteurs du système

Acteur Rôles

Prim

aire

Administrateur - Gestion de toutes les fonctionnalités

offertes par l’application.

Observateur

- Son rôle principal est de contrôler la

variation de mesures captées par le réseau

des nœuds de capteurs.


29

Nœud - Chargé de capter et de mesurer les

paramètres de l’environnement

3.3.2 Diagramme de cas d’utilisation

Nous avons traduit toutes les fonctionnalités désirées de l’application dans un

diagramme de cas d’utilisation qui présente les différents cas d’utilisation de notre système et

ses différentes interactions avec le milieu extérieur comme il est présenté dans la Figure 7.

Ce diagramme de cas d’utilisation représente chaque acteur ainsi que les différents cas

d’utilisation qui lui sont rattachés. Les acteurs étant représentés par des personnages et les cas

d’utilisation par des cercles.

Figure 7. Diagramme de cas d’utilisation de l’application


30

3.3.3 Diagramme de séquence

� Authentification

• Acteurs

- Administrateur (principal)

- Observateur (principal)

• Scénario nominal

1. L’utilisateur lance l’application

2. Le système demande login et mot de passe

3. L’utilisateur tape ses coordonnés

4. Le système vérifie le login et le mot de passe

5. Le système ouvre la session de l’utilisateur

• Scénario alternatif

� A1 : login ou mot de passe incorrecte

L’enchaînement A1 démarre au point 5 du scénario nominal

5. Le système détecte une erreur d’authentification

6. Le système alerte l’utilisateur et demande une réécriture des coordonnées

Le scénario nominal reprend au point 3

• Diagramme de séquence


31

Figure 8. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Authentification »


32

� Gestion des nœuds

• Cas d’utilisation « Ajouter nœud »

• Acteurs



1. L’utilisateur veut ajouter un nœud

2. Le système donne une liste de champs à remplir

3. L’utilisateur rempli les champs

4. L’utilisateur valide les informations saisies

5. Le système vérifie les informations saisies

6. Le système affiche un message de confirmation

7. L’utilisateur valide l’enregistrement


� A1 : Champs invalide


6. Le système détecte des champs invalides

7. Le système demande une correction

8. L’utilisateur corrige les erreurs


• Scénario d’erreur

� E1 : l’ajout est annulé

L’enchaînement E1 peut démarrer du point 2 au point 6 du scénario nominal

2.6 L’utilisateur annule l’ajout de l’article



33

Figure 9. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Ajouter nœud »


34

• Cas d’utilisation « Supprimer nœud »


1. L’utilisateur choisi le nœud à supprimer

2. Le système affiche un message de confirmation

3. L’utilisateur valide la suppression


� E1 : la suppression est annulée

L’enchaînement E1 démarre au point 3 du scénario nominal

3. L’utilisateur annule la suppression

� Paramétrage

• Cas d’utilisation « Paramétrage »

• Acteurs



1. L’utilisateur modifie les paramètres existants

2. L’utilisateur valide les informations saisies

3. Le système vérifie les valeurs saisies

4. Le système demande une confirmation

5. L’utilisateur confirme l’enregistrement


� A1 : Erreur de saisi


4. Le système détecte une erreur de saisi

5. Le système demande une correction

6. L’utilisateur corrige les informations



35


� E1 : Mise à jour annulée

L’enchaînement E1 peut démarrer de point 1 au point 4 du scénario nominal

2.4 L’utilisateur annule la mise à jour.


Figure 10. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Mise à jour paramètre »


36

� Affichage

• Cas d’utilisation « Affichage température »

• Acteurs


- Observateur (principal)


1. L’utilisateur veut afficher la température

2. Le système lit le message envoyé par la station de base

3. Le système extrait les données à partir du message récupéré

4. Le système trace la courbe et affiche la valeur numérique de la température



37

Figure 11. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Affichage température»

� Contrôle de l’environnement

• Cas d’utilisation « Contrôle de l’environnement »

• Acteurs

- Nœud (principal)

- Pc (secondaire)


1. Pour chaque période bien déterminé le système capte la température et

l’humidité

2. Le système envoie la valeur capté par message via les ondes radio

3. Le Pc reçoit le message à travers la station de base


Figure 12. Diagramme de séquence système du scénario nominal « Contrôle de l’environnement »


38

4 Conclusion

Ce chapitre a pris en charge une étude des besoins relatifs à notre application. Une

spécification a été mise en place à l’aide d’une description détaillée des diagrammes de cas

d’utilisation et de séquences système. Cette phase permet de délimiter précisément le système

et de décrire les différentes manières de l’utiliser du point de vue des divers utilisateurs.

Dans le chapitre suivant, et en s’appuyant sur la spécification du système déjà décrite

nous allons accomplir la phase d’analyse et de conception.

CCHHAAPPIITTRREE 33

MMOODDEELLIISSAATTIIOONN

CCOONNCCEEPPTTUUEELLLLEE

5 Introduction

La modélisation d’un système comporte deux composantes ; soit l'analyse « ce que

doit faire le système » et la conception « la manière dont il doit le faire ». La première

composante a été traitée dans le chapitre précédent. Nous allons nous intéresser dans ce

chapitre à la modélisation conceptuelle de notre système. Mais avant tout nous allons

présenter l’approche d’analyse et de conception optée tout en justifiant notre choix des

modèles à élaborer qui constituent les documents produits à la fin de cette étude.

6 Choix de l’approche d’analyse et de conception

Pour l’analyse de notre application nous avons adopté une approche orientée objet. En

effet ce modèle considère les actions et les données d'une même importance (encapsulation)

contrairement aux modèles dits fonctionnels qui séparent les données des traitements [14]. Le

modèle orienté objet nous a permis également de gérer la complexité en ordonnant les objets

au sein d'arborescences de classes, ensemble de données et de fonctions qui sont

sémantiquement liées ensemble.

Il est à noter également que l’approche orientée objet a deux niveaux : un niveau

conceptuel et un niveau d’élaboration du code source.

7 Méthode d’analyse et de conception

Pour pouvoir parler d’une méthode d’analyse et de conception nous avons associé à

l’utilisation d’une approche orientée objet le langage de modélisation UML avec le processus

RUP.

• Modélisation UML : L’outil MagicDraw UML

Cet outil est simple à apprendre grâce aux différents exemples et tutoriels fournis dans

le site « www.magicdraw.com » aussi que dans les documents d’aide fournis avec

l’installation. Les outils du MagicDraw UML offrent plusieurs outils spécialisés pour la

réalisation et l’utilisation des diagrammes UML. En effet, la version 16 du MagicDraw UML

supporte tous les types des diagrammes UML 2.0. De plus on peut gérer simplement plusieurs

diagrammes en même temps.

Les outils du MagicDraw UML gèrent d’une manière conviviale l’ingénierie inverse

« reverse engineering » également appelée la rétro-conception, ou bien de générer le code

source à partir d’un diagramme pour pouvoir commencer le développement d’une façon

rapide.

• Processus de développement RUP

Le cycle de vie d’un projet à objets possède trois caractéristiques fondamentales :

• Une traçabilité fondamentale

• Un caractère itératif

• Un caractère incrémental

Ces trois caractéristiques sont présentes dans le processus RUP « Rational Unified

Process » qui est un processus de développement logiciel orienté-objet. L’utilisation du

processus RUP nous a permis dans une première phase comme phase d’étude de définir la

portée du projet et son domaine organisationnel, dans une deuxième phase d’élaboration nous

avons procédé à une analyse des besoins du projet dans un plus grand détail.

En effet au cours de la première phase nous avons élaboré les diagrammes des cas

d’utilisation et pour chaque cas d’utilisation nous avons décrit les différents scénarios à partir

des quelles nous avons élaboré les diagrammes de séquence système et conception qui

permettent de montrer les collaborations entre les objets. Il est à noter qu’au fur et à mesure

de l’élaboration des diagrammes de séquence nous procédons à une détection des objets et

donc une détection préliminaire des classes. Enfin nous déterminons un diagramme de classe

complet. Pour l’aspect itératif, il est clair que le processus est piloté par les différents cas

d’utilisation. À ce stade on a entamé le niveau conceptuel de notre approche utilisé.

Ensuite nous allons passer au deuxième niveau de notre approche qui présente une

phase de construction pour le processus RUP où nous allons engendrer le code source.

Finalement, la dernière phase établit par RUP qui est la phase de transition où nous allons

délivrer le système à leurs utilisateurs.

8 Analyse et conception

Pour cette section nous allons suivre la démarche présentée si dessus et puisque nous

avons entamé les étapes d’élaboration de diagramme de cas d’utilisation et les diagrammes de

séquence système nous allons consacrer cette partie à l’élaboration des diagrammes de

séquences objet ainsi le diagramme de classe de conception.

Les diagrammes de séquence de conception présentent un point de vue dynamique de

la modélisation. En effet nous avons une présentation des différentes interactions entre les

objets définis aussi que les traitements réalisés par chaque objet.

Le diagramme de classe de conception présente un point de vue statique de la

modélisation, il décrit de manière abstraite les liens potentiels d’un objet vers d’autres objets.

8.1 Application PC

o Diagramme de séquence

• Cas d’utilisation « Authentification »

Au lancement de l’application, une page d’authentification sera lancée donnant la

main à l’utilisateur pour s’authentifier en saisissant son login et son mot de passe pour charger

les modules autorisés (Voir Figure 13).

Figure 13. Diagramme de séquence objet du cas d’utilisation « Authentification»

• Cas d’utilisation « Ajouter nœud »

Afin d’ajouter un nœud, l’utilisateur doit saisir les champs obligatoires d’un nœud puis

il confirme. Le système va vérifier pour chaque saisie du clavier la conformité du champ

concerné et enfin il valide l’enregistrement de ce nouvel nœud comme le montre la Figure 14.

Figure 14. Diagramme de séquence objet de cas d’utilisation « Ajouter nœud »

• Cas d’utilisation « Mise à jour paramètre»

Ce cas d’utilisation donne la main à l’utilisateur de mettre à jour les seuils minimum et

maximum et leurs états de la température et l’humidité ainsi que la période d’envoie de

message par les nœuds du réseau comme il est illustré dans la Figure 15.

Figure 15. Diagramme de séquence d’objet du cas d’utilisation « Mise à jour paramètres »

• Cas d’utilisation « Affichage température »

Le diagramme de séquence qui est présenté dans la Figure 16, montre la génération

des courbes et l’affichage de la valeur numérique de la température capté.

Figure 16. Diagramme de séquence objet du cas d’utilisation « Affichage température »

RREEMMAARRQQUUEE.. – Le diagramme de séquence qui est présenté dans la Figure 16 est le même

diagramme de séquence objet du cas d’utilisation « Affichage Humidité ».

o Diagramme de classe

Le diagramme ci-dessous qui est présenté dans la Figure 17 montre le diagramme de

classe complet de notre partie PC.

Figure 17.Diagramme de classe de conception de la partie PC

8.2 Application nœud capteur

o Diagramme de séquence

• Cas d’utilisation « Contrôle de l’environnement »

La Figure 18 montre le diagramme de séquence qui présente les étapes de capture et

d’envoi des paramètres de l’environnement.

Figure 18. Diagramme de séquence objet du cas d’utilisation « Contrôle de l’environnement »

9 Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté une conception détaillée, des principaux cas

d’utilisations de notre système, dans laquelle nous avons présenté les diagrammes de

séquence objet et le diagramme de classe de conception.

Dans le chapitre suivant, nous décrivons d’une façon précise l’environnement de

développement ainsi que les principales fonctionnalités des différentes parties de

l’application.

CCHHAAPPIITTRREE 44

IIMMPPLLEEMMEENNTTAATTIIOONN


51

1 Introduction

Après avoir détaillé dans le chapitre précédent l'approche de mise en œuvre pour la

partie nœud capteur et station de base et la partie PC ainsi que la démarche de modélisation

conceptuelle exploitant notre système, on abordera dans ce chapitre la phase

d’implémentation.

Nous commençons, dans la première partie, par préciser l’environnement et les

technologies utilisés dans le développement. Ensuite, on s’intéresse à présenter quelques

parties de code et des interfaces des principaux modules développés.

2 Environnement de travail et outils de développements

Notre but étant l’implémentation d’une application de surveillance de l’environnement

à base d’un réseau de capteur sans fil. De point de vu matériel nous avons utilisé la plateforme

Telosb et le système d’exploitation TinyOs, ainsi que le langage de programmation NesC

pour les parties de l’application qui sont embarquées sur la station de base et les nœuds

capteurs. Pour la partie installée sur le PC nous avons utilisé le langage de programmation

JAVA.

Dans cette partie, nous détaillons l’implémentation des principales fonctionnalités

offertes par notre application que nous avons développées. Notre application est constitué de

trois parties ; partie nœud capteur, partie station de base et partie PC. Dans la suite nous allons

présentés l’implémentation de chacune de ces parties.


52

2.1 Partie nœud capteur

Le fonctionnement de la partie embarquée sur les nœuds capteurs est relativement

simple, un temporisateur périodique est lancé afin d'exécuter la mesure avant de l’envoyer.

Le code est divisé en deux fichiers distincts : TempHumC.nc et TempHumP.nc. Le premier

contient la définition des composants qui seront utilisés par l'application déployée sur le

capteur alors que le deuxième comprend les modules, les interfaces utilisées ainsi que le code

qui sera exécuté.

2.1.1 TempHumC.nc

Les composants déclarés dans ce fichier sont :

• MainC : Interface du système avec la séquence de boot TinyOS ;

• LedsC : Permet l'utilisation des leds ;

• SensirionSht11C () as Sensor : Capteur de température et humidité auquel on

associe le nom Sensor ;

• TempHumP : Composant défini dans notre fichier TempHumP.nc ;

• TimerMilliC () as Timer : Temporisateur en milliseconde nommé Timer ;

• AMSenderC : Fournit l’interface AMSend ;

• AMReceiverC : Fournit l’interface Receive.

Il faut ensuite associer ces composants au composant TempHumP afin de pouvoir les

utiliser dans le code de celui-ci. Cela est effectué de la manière suivante :

TempHumP.Boot -> MainC;

TempHumP.RadioControl -> ActiveMessageC;

TempHumP.AMSend -> AMSenderC;

TempHumP.Receive -> AMReceiverC;

TempHumP.Timer -> TimerMilliC;

TempHumP.ReadTemperature -> Sensor.Temperature;

TempHumP.ReadHumidity -> Sensor.Humidity;

TempHumP.Leds -> LedsC;


53

Nous aurons ainsi accès à toutes les fonctionnalités proposées par ces composants.

2.1.2 TempHumP.nc

Ce fichier va donc contenir la définition et l'implémentation du module TempHumP.

On commence par annoncer, dans la clause uses, toutes les interfaces qui seront utilisées.

uses {

interface Boot;

interface SplitControl as RadioControl;

interface AMSend;

interface Receive;

interface Timer<TMilli>;

interface Leds;

interface Read<uint16_t> as ReadTemperature;

interface Read<uint16_t> as ReadHumidity;

}

Viens ensuite l'implémentation du module qui sera le code exécuté par le capteur.

Notre programme sera un ensemble de fonctions réagissant chacune à un certain événement.

Le premier événement à être déclenché correspond au démarrage du capteur et l'action

associée se nomme Boot.booted

event void Boot.booted() {

/*Déclaration des champs de la structure*/

local.interval = DEFAULT_INTERVAL;

local.id = TOS_NODE_ID;

/*Lancement du système de communication radio */

if (call RadioControl.start() != SUCCESS)

{

/*S’il y a un problème lors de la communication radio, la méthode « report_problem » sera appelée

qui va allumer la led rouge du nœud capteur*/

report_problem();

}

}

Les éléments nécessaires à la communication ont maintenant été initialisé, le capteur

est prêt à recevoir un message, ce qui aura pour effet, une fois cela réalisé, de déclencher la


54

fonction Receive.receive () associée à la réception d'un message. Voici un extrait du code de

la fonction Receive.recieve().

event message_t* Receive.receive(message_t* msg, void* payload, uint8_t len) {

oscilloscope_t *omsg = payload;

report_received();

/* Si nous recevons une nouvelle version, notre intervalle sera mis à jour*/

if (omsg->version > local.version)

{

local.version = omsg->version;

local.interval = omsg->interval;

startTimer();

}

return msg;

}

On lance un temporisateur périodique initialisé à la valeur existant dans la variable

« DEFAULT_INTERVAL », c'est à dire qui se répétera tant qu'il n'est pas arrêté.

Une fois ce temporisateur arrivé à son terme, un événement est déclenché appelant la

fonction « Timer.fired() ». Voici un extrait de cette fonction.

event void Timer.fired() {

/*Si le nœud n’est pas entrain d’envoyer un message et la taille du message ne dépasse pas la taille

maximum*/

if (!sendBusy && sizeof local <= call AMSend.maxPayloadLength()){

/* « sendBuff» est une variable qui contient le message à envoyer*/

/* « local » est la structure du message à envoyer*/

memcpy(call AMSend.getPayload(&sendBuf, sizeof(local)), &local, sizeof local);

if (call AMSend.send(AM_BROADCAST_ADDR, &sendBuf, sizeof local) == SUCCESS)

sendBusy = TRUE;

}


55

Pour récupérer les paramètres de l’environnement (Température et humidité), nous

effectuons une lecture ce qui déclenchera l'événement « ReadTemperature » et

« ReadHumidity ». Voici la fonction qui mesure l’humidité.

event void ReadHumidity.readDone(error_t result, uint16_t data) {

float humidity;

/*Remplir le champ « typ » du message à fin de spécifier qu’il s’agit d’un message contenant

l’humidité */

local.typ=HYM_TYPE;

if (result != SUCCESS){

data = 0xffff;

report_problem();

}

/*La formule pour calculer l’humidité*/

/*La variable « data » contient la valeur capté*/

humidity=(0.0405*data+((-2.8)*0.000001)*(data*data)-4)+1000;

/* Remplir le champ « readings » du message par la valeur mesuré */

local.readings[reading++] = humidity;

}

Les données lues sont placées dans un tableau et « reading » est incrémenté afin de

remplir le tableau et non d'écraser les valeurs déjà présentes.

2.2 Partie station de base

Nous avons développé une partie de l’application permettant de récolter les messages

envoyés par les nœuds capteurs du réseau et les acheminer ver le PC à travers la liaison série.

Au niveau de cette partie nous utilisons aussi deux fichiers comme dans la partie nœud

capteur, où nous avons ajouté deux fonctions afin d’avoir la possibilité d’envoyer et de

recevoir les paquets via la liaison série. Voici les deux instructions permettant l’envoi et la

réception à travers la liaison série.

/*Envoi du message qui se trouve dans le buffer « uartQueue » provenant des nœuds capteurs du

réseau sur la liaison série */

if (call UartSend.send[id](addr, uartQueue[uartOut], len) == SUCCESS){


56

/*Si l’envoi ce fait sans problème la led jaune du nœud capteur sera allumé*/

call Leds.led1Toggle();

}

/*Réception du message provenant de la liaison série */

event message_t *UartReceive.receive[am_id_t id](message_t *msg, void *payload, uint8_t len) {

/*Enregistrer le message reçu dans un buffer «radioQueue » qui sera transmet par la suite vers les

nœuds capteurs via les ondes radio*/

radioQueue[radioIn] = msg;

}


57

2.3 Partie PC

L'IHM (Interface Homme Machine) représente un élément clé dans l'utilisation de

tout système embarqué et conditionne pour une large part son succès. En théorie, une

interface homme machine doit être ergonomique aussi bien que efficace. De plus, ces

interfaces doivent être faciles à utiliser et compréhensibles par les utilisateurs pour garantir

un bon degré de fiabilité lors des interactions ainsi qu’un temps d’apprentissage réduit. De

plus, elles doivent avoir un certain niveau d’intelligence et de standardisation pour finir par

présenter les fonctionnalités de l’application avec une manière plus conviviale.

Notre application prend la forme d’un assistant qui est formé d’un menu situé en haut

et d’une interface principale.

En démarrant l’application un écran d’authentification sera affiché qui contient les

informations à remplir forcement pour l’authentification des utilisateurs (le login et le mot de

passe) comme il est illustré dans la Figure 19.

Figure 19. Interface « Authentification »


58

L’interface d’authentification permet d’initialiser l’application et charger seulement

les fonctionnalités accessibles et les droits d’utilisation pour chaque utilisateur. En connectant

en tant que observateur, le menu configuration reste désactivé est inaccessible comme le

montre la Figure 20.

Figure 20. Interface « accueil »


59

Dans ce qui suit, nous allons connecter en tant qu’administrateur pour pouvoir accéder

à toutes les fonctionnalités de l’application.

En choisissant le menu Affichage qui est présenté dans la Figure 21, nous pouvons

sélectionner soit l’affichage de la température, l’humidité ou la luminosité.

Figure 21. Menu « Affichage »


60

Prenant par exemple la température qui contient trois interfaces comme il est illustré

dans la Figure 22.

L’administrateur possède la main de consulter les différentes modes d’affichage

effectuées par l’application. Il suffit donc de choisir le mode d’affichage ; soit affichage de la

température de touts les nœuds (Voir Figure 22), soit la température par nœud (Voir Figure

24) ou la température moyenne de tous les nœuds (Voir Figure 25).

Au niveau de l’affichage de la température de tous les nœuds, l’administrateur peut

choisir soit l’affichage de tous les nœuds qui sont enregistrés dans la base de données, que ce

soient actifs ou non (Voir Figure 22) ou l’affichage de la température des nœuds actifs (Voir

Figure 23).

Figure 22.Interface « Affichage de la température de tous les nœuds »


61

Figure 23. Interface « Affichage de la température des nœuds actifs »


62

Si l’administrateur a choisi l’affichage de la température par nœud, dans ce cas chaque

nœud qui est actif va être présenté par un bouton contenant son identifiant et sa valeur qui va

être mise à jour lors de chaque modification comme il est présenté dans la Figure 24.

Figure 24. Interface « Affichage de la température par nœud »


63

La Figure 25 montre l’interface de l’affichage de la température moyenne de tous les

nœuds.

Figure 25.Interface « Affichage de la température moyenne des nœuds »


64

Passant maintenant au menu Configuration qui est accessible seulement par

l’administrateur, ce menu permet de faire la gestion des nœuds et le réglage des seuils et

intervalle comme il est illustré dans la Figure 26.

Figure 26. Menu « Configuration »

Commençant par la gestion des nœuds qui permet de faire soit l’ajout ou la

suppression des nœuds de la base de données.

Nous pouvons faire l’ajout soit par nœud ou par groupe selon le choix de l’utilisateur

comme le montre la Figure 27.


65

Figure 27. Interface « Ajout des nœuds »


66

Avant la suppression d’un nœud nous devons s'assurer de son existence dans la base

de données en cliquant sur le bouton « chercher» après avoir entré l’identifiant du nœud à

supprimer comme détaillé par la Figure 28.

Figure 28.Interface « Recherche de nœud à supprimer »

Si le nœud cherché est trouvé nous pouvons le supprimer de la base de données et bien

sûr qu’après la confirmation comme il est présenté dans la Figure 29.


67

Figure 29. Interface « Suppression des nœuds »

Au niveau du réglage nous pouvons fixer les seuils maximum et minimum de la

température et l’humidité ainsi que l’intervalle qui présente la période d’envoi de message par

un nœud comme le montre la Figure 30.


68

Figure 30. Interface « Modification des paramètres »

Après avoir modifié et activé les seuils de la température; si elle a dépassé le seuil

maximum la case présentant sa valeur va être colorée en rouge avec une émission d’un bip

sonore, et si elle a baissé du seuil minimum la case va être colorée en bleu ciel accompagnée

d’un bip sonore comme il est illustré dans la Figure31.


69

Figure 31. Interface « Dépassement des seuils »

Les interfaces présentés au niveau de la température sont les mêmes pour l’humidité et

la luminosité.

3 Conclusion

Le long de ce chapitre, nous avons décrit les différentes étapes qui ont contribué à la

réalisation de notre application. Nous avons commencé par la description et la mise en place

de l’environnement de développement. Ensuite, nous avons présenté une implémentation des

principales fonctionnalités et interfaces conçues.

CCOONNCCLLUUSSIIOONN

GGEENNEERRAALLEE


71

Ce projet de fin d’études, réalisé au sein du laboratoire CES a présenté pour nous

l’opportunité de percevoir de plus prés la vie professionnelle ainsi de découvrir la démarche à

suivre pour réaliser un projet. De plus, c’était une occasion pour maîtriser pas mal de

technologies notamment le réseau de capteurs sans fil.

Les réseaux de capteurs sans fil sont une nouvelle technologie qui a surgi après les

grands progrès technologiques concernant le développement des capteurs intelligents, des

processeurs puissants et des protocoles de communication sans fil, leurs composants de base.

Ce type de réseau, composé de centaines ou de milliers d’éléments, a pour but la collecte de

données de l’environnement, leur traitement et leur dissémination vers le monde extérieur.

Au cours de notre travail, nous avons réalisé une application de surveillance de

l’environnement à base d’un réseau de capteur sans fil. Notre application est constitué de trois

parties ; une partie qui est embarqué sur les nœuds capteurs du réseau permettant la mesure

des paramètres de l’environnement, une deuxième partie qui est embarqué sur la station de

base permettant la collection des messages envoyés par les nœuds capteurs et leur

acheminement vers le PC, et une troisième partie qui est installé sur le PC afin de présenté les

valeurs capté graphiquement.

Actuellement nous sommes entrain d’ajouter les fonctionnalités de communication

multi-saut entre les nœuds capteurs. Ce qui permet d’agrandir la distance de communication

des nœuds capteurs avec la station de base. Autre que le travail demandé, plusieurs

améliorations peuvent être effectuées sur l’application tel que la notion du groupe, la

communication multi-hop et la sécurité.

En outre, nous cherchons à améliorer l’application afin qu’elle puisse être normalisé et

la rendre, éventuellement, standards pour tout secteur d’activité tel que l’agricoles, la

médicales, et tout genre de commerciales.


72

Bibliographie

[1] Bhaskar Krishnamachari. Networking Wireless Sensors. Cambridge University Press, 2006.

[2] Kamal BEYDOUN. Conception d’un protocole de routage hierarchique pour les réseaux de capteurs

[3] Antoine Gallais, François Ingelrest, Jean Carle, David Simplot-Ryl. Maintien de la couverture de surface dans les réseaux de capteurs avec une couche physique non idéale. CFIP, Colloque Francophone sur l'Ingénierie des Protocoles. 2006. [4] Gallais, Antoine. Ordonnancement d’activité dans les réseaux de capteurs: l’exemple de la couverture de surface. Université des sciences et technologies de Lille. 2007. Rapport de thèse. [5] Cheng, K. Field and Wave Electromagnetics. s.l.: Addison-Wesley, 1989. P 639. [6] Crossbow TELOSB Data sheet. http://www.willow.co.uk/TelosB_Datasheet.pdf

[7] I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci. Wireless sensor networks: a survey. Computer Networks (Elsevier), vol.38, no.4, pp.393-422, March 2002.

[8] E.M. Petriu, N.D. Georganas, D.C. Petriu, D. Makrakis, and V.Z. Groza. Sensor-based information appliances. IEEE Instrumentation Measurement Magazine. December 2000, Vol. 3, 4, pp. 31-35.

[9] Andrews, P. Johnson and D.C. Remote continuous monitoring in the home. Telemedicine and Telecare. June 1996, Vol. 2, 2, pp. 107-113.

[10] Michael Fitzgerald. Technnology Review : Tracking a Shopper's Habits. Technology Review. [En ligne] 04 August 2008. http://www.technologyreview.com/computing/21161/.

[11] XUE Yong, AGUILAR Andres, GONZALEZ Andres, BARROUX Mickael, Agrégation de données dans les réseaux de capteurs, http://www.site-naheulbeuk.com/utbm/sr04/SR04_dossier_WSN.pdf


73

[12] http://fr.wikipedia.org/wiki/802.15.4

[13] http://intlab.minet.net/zigbee/res/CSC3502_Zigbee.pdf

[14] « UML par la pratique 2.0 », Pascal Roques

[15] http://www.scribd.com/doc/50021152/Le-saut-de-frequence-dans-les-Reseaux-de-Capteurs-sans-Fil

AANNNNEEXXEESS

1. Installation Tinyos 2.1

L'installation de tinyOS s'est avérée ne pas être aussi simple que d'installer une

application normale.

Nous avons essayé plusieurs méthodes avant de réussir à l'installer correctement.

Tout d'abord nous avons essayé de l'installer sur une machine virtuelle Fedora 8, mais

malheureusement pour nous, nous avons rencontré beaucoup de problèmes avec l’installation

des packages RPM, le programme ne fonctionnait pas. Alors nous avons essayé de l'installer

sur une machine virtuelle Windows XP, nous avons suivi un tutoriel et l'installation est

terminé avec sucée, mais nous avons rencontré des problèmes lors de l’exécution des tutoriels.

Alors nous avons finalement arrivé à l’installer correctement sur Windows 7, mais

cela après la résolution de plusieurs problèmes.

Vous pouvez trouvez les étapes d’installation de Tinyos 2.1dans ce site :

http://docs.tinyos.net/tinywiki/index.php/Installing_TinyOS_2.1#Manual_installation_on_you

r_host_OS_with_RPMs

2. NESC

Le langage NesC (network embedded system C) est un dialecte de C basé sur des

composants. NesC est orienté pour satisfaire les exigences des systèmes embarqués. De plus,

il supporte un modèle de programmation qui agrège l’administration des communications, les

concurrences provoquant les tâches et les évènements ainsi que la capacité de réagir par

rapport à ces évènements.

NesC réalise aussi une optimisation dans la compilation du programme, en détectant

les carrières possibles de données qui peuvent produire des modifications concurrentes au

même état, à l’intérieur du processus d’exécution de l’application. Une carrière de données se

produit quand plus d’un fils peuvent simultanément accéder à la même section de mémoire

(concurrence d’accès mémoire entre threads), et quand au moins l’un des accès est un ”write”.

NesC simplifie aussi le développement d’applications et réduit la taille du code un

critère important dans l’implémentation de code dans un capteur étant donné sa capacité de

mémoire.

3. Présentation du nœud capteur

Le matériel mis à notre disposition dans le cadre de ce projet est constitué des

nœudsTelosB. Aussi appelées ‘‘motes’’ en anglais, les nœuds TelosB ont été au départ

développées par l’Université de Berkeley et sont maintenant fabriquées à plus grande échelle

par l’entreprise californienne Crossbow Technology [15].

Concrètement, ces nœuds capteurs sont composés d’une plaque d’époxy sur laquelle

sont disposés différents composants électroniques comme un processeur, un module radio ou

encore un port USB comme il est présenté dans la Figure32.

Figure 32. Schéma d’une carte TelosB

Antenne embarquée : cet élément permet la communication avec les autres nœuds

d’un réseau. C’est le CC2420 qui est capable de traiter les informations transitant par

l’antenne ;

Bouton user : celui-ci ne remplit pas de fonction précise, cela dépend du programme

exécuté par la carte TelosB (le programmeur est libre d’y adjoindre une fonction) ;

Bouton reset : le bouton reset permet de redémarrer la carte sans avoir à la

débrancher/rebrancher de l’ordinateur ou enlever la batterie ;

CC2420 : le module radio CC2420 permet de réaliser des échanges sur la bande radio

s’étendant de 2,400 à 2,4835 GHz. Il sert d’intermédiaire entre le MSP430 et l’antenne ;

Capteurs : éléments matériels de mesure d’un paramètre environnemental. Une

carteTelosB possède trois capteurs : lumière, humidité et IR (infrarouge) ;

LEDs : trois LEDs de couleur rouge, jaune et bleu sont présentes. C’est au

programmeur de décider pour quels événements elles s’allumeront ;

MSP340 : le micro-processeur MSP430 traite les données de la carte TelosB. Fabriqué

par Texas Instrument, il est cadencé à 8 MHz et est équipé de 10 kilobits de mémoire vive et

48kilobits de mémoire flash (mémoire qui ne s’efface pas même si elle est privée

d’électricité) ;

Port USB : Élément par lequel la carte TelosB peut communiquer avec un ordinateur.

Son utilisation ne requiert pas de logiciel spécifique, la carte apparaît comme un port série ;

Slots d’extensions: il s’agit d’emplacements vides. Ils sont destinés à accueillir des

éléments supplémentaires comme un microphone.

Pour finir, les nœuds TelosB sont programmables. Nous pouvons donc leur faire

exécuter le code que nous voulons, chose que nous allons désormais faire avec des

applications simples intégrées à TinyOS.

Conception et développement d’une application de

surveillance d’un réseau de capteurs sans fil

Naourez HADJ TAIEB

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Résumé : Les progrès technologiques réalisés ces dernières années ont permis le développement de nouveaux types de capteurs dotés de moyens de communication sans fil. Leur but est souvent de surveiller une zone géographique et de remonter une alarme en cas de détection d’un évènement redouté. Pour cela, notre projet consiste à développer une application de surveillance de l’environnement à base d’un réseau de capteurs sans fil. Chaque nœud capteur est capable de détecter des paramètres de l’environnement tel que la température, l’humidité et la luminosité. La valeur captée va être traitée au niveau local et ensuite envoyée à un point de collecte, appelé station de base, à l’aide d’une connexion sans fil. Ces informations sont ensuite présentées dans une interface graphique ce qui permet de surveiller l’environnement en temps-réel. Abstract: Technological advances in recent years have enabled the development of new types of sensors with wireless communication. Their objective is often to monitor a geographical area and reassembling an alarm upon detection of an event dreaded. For this, our project is to develop an application for environmental monitoring based on a wireless sensor networks. Each node sensor is capable of detecting environmental parameters such as temperature, humidity and light. Captured value will be processed locally and then sent to a collection point, called base station using a wireless connection. This information is then presented in a graphical interface which allows to monitor the environment in real time.

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Mots clés : Réseau de capteurs sans fil, station de base, nœud capteur, paramètre de l’environnement, liaison radio, liaison série Key word: Wireless sensor network, base station, sensor node, environment parameter, radio link, serial link

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Rapport PFE hadj taieb V8 - Academie pro · 2015-08-22 · I Dédicaces A mes pères et à mes mères En témoignage de mon immense affection et ma grande gratitude. Ni mes dédicaces,