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Réseaux de capteursWireless sensor Networks (WSN)

Hdhili Mohamed Houcine

M d lhdhili@ h

1©Sensinode 2013

Med_elhdhili@yahoo.es

Certains transparents sont issue de ceux de Hatem BATTAHAR

Réseau de capteurs - architecture

• Réseau de capteurs auto-alimentés dotés de capacités de calcul

et de communication sans fil.et de communication sans fil.

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Exemples de capteurs

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Anatomie d’un capteur (exemple TelosB)

• Processeur

TI MSP430, 8 MHz, 10kB RAM, ,

• Transmission

IEEE 802.15.4 (ZigbBee)

250 Kbps (Bande 2.4-2.4835 GhZ)

Antenne intégrée

• Flash : 1 MB

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• Sensor

Lumière, Température, Humidité

• Système: tinyOS

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Anatomie d’un capteur (exemple TelosB)

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Anatomie d’un capteur (exemple TelosB)

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Exemples de capteurs

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Exemples de capteurs

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Exemples de capteurs

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Comparaison des capteurs

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Applications Smart Cities

• WasteManagement

• Smart Lighting• Smart Parking

Smart Environment

• Forest FireDetection

• Earthquake• EarthquakeEarly Detection

Smart Water• Water Leakages• Water Quality

• Perimeter

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Security & Emergencies

• PerimeterAccess Control

• Explosive and HazardousGases

Retail

• Supply Chain Control

• Intelligent Shopping Applications

Applications Logistics

• Item Location in big surfaces

• Fleet Tracking

IndustrialControl

• Indoor Air Quality

• TemperatureMonitoring

Smart Agriculture

• Selectiveirrigation

• Green Houses

Smart Animal

Farming

• Animal Tracking

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Domotic & Home

Automation

• Intrusion DetectionSystems

• Energy and Water Use

eHealth• Patients

Surveillance

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Applications: contrôle de l’environnement (1)

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Applications: contrôle de l’environnement (2)

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Applications: contrôle de l’environnement (3)

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Applications: Agriculture de précision

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Applications: patient monitoring

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Caractéristiques des WSN

• Modes de transmission

Périodique, évènementielle, sur requête de la station de baseq , , q

• Absence de schéma d'adressage

Trop de nœuds problème d’assignation d’adresses uniques

communication sans adresses

• Tolérance aux pannes

déplétion d’énergie, dégâts physiques trous dans le réseau

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• Facteur d'échelle

Trop de nopeuds interférences, collision, routage

• Consommation d'énergie

Conservation d’énergie

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Caractéristiques des WSN

• Coût de fabrication

<1$$

• Technique de transmission

Par radio, infrarouge ou optique

• Topologie du réseau: 3 phases

Déploiment (jet en vrac, selon une topologie pré-configurée)

Changements de topologie (selonmobilité, énergie, portée)

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Redéploiement de nœuds supplémentaires

Caractéristiques des WSN

• Environnement

Déploiement des capteurs soit à l'intérieur du phénomène à étudier p p p

soit trop près de lui

Fonctionnement le plus souvent sans surveillance dans des zones

géographiquement isolées

à l'intérieur d'une grande machine,

au fond de l'océan,

d h t i é bi l i t hi i t

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dans un champ contaminé biologiquement ou chimiquement,

dans un champ de batailles, ou

à la maison et dans d'immenses bâtiments, etc…)

L'environnement dépend étroitement de l'application à laquelle le

réseau de capteurs est dédié.

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Caractéristiques des WSN

• Ressources limitées

Calcul (4MHz), énergie (Piles AAA), mémoire(512-1MB)( ) g ( ) ( )

• Gestion d’énergie

Alimentation par batterie (Personne n’ira changer les batteries)

Différents modes de veilles

Exemple

Idle Mode – 6 mW

C O O

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CPU OFF, all peripherals ON

CPU “woken up” by interrupts

Power Down Mode – 75 µW

CPU and most peripherals OFF

External Interrupts, 2 Wire Interface, Watchdog ON

Challenges

• Réduire la consommation d’énergie

Calcul, stockage, communication, g ,

• Adapté les mécanisme de sécurité au caractéristiques de WSN

Absence d’un tiers de confiance

Stockage des clès

Puissance de calcul très limitée

• Assurer la fiabilité et la disponibilité du réseau WSN

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Intervention difficile une fois le réseau est déployé

• Gestion de réseau

Calcul distribué , agrégation,

Routage, Auto-ganisation, localisation

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Pile protocolaire

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Couche physique

• IEEE802.15.4 (couches 1 et 2):

Three bands, 27 channels specified, p

2.4 GHz: 16 channels, 250 kbps

868.3 MHz : 1 channel, 20 kbps

902-928 MHz: 10 channels, 40 kbps

• Rôle:

Sélection du canal

Gé é ti t d l ti d i l di

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Génération et modulation du signal radio

Estimation de la qualité de liens (signal)

Estimation du niveau d’énergie

Radio on/off

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Couche physique

• MAC (Medium Access Control)

Établissement des liaisons / topologiep g

Gère l’accès et le partage du canal : CSMA/CA

Détection et réception des trames de données.

• Correction des erreurs de transmission

FEC (forward error correction)

• Méthode de conservation d’énergie

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Différents niveaux de veille (sleep mode)

Compromis entre la consommation et la latence d’activation

Alternance de mode active mode veille

Variation de TDMA (Time division multiple access )

Petite trames, Aggrégation

Stratégies de routage

• Power efficiency

Choisir les chemins suivant la puissance des noeudsp

• Data centric

Diffusion des données disponibles/demandées

Dans beaucoup d’applications recevoir les mesures est plus

important que de connaître l’ID de noeud.

• Location awareness

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Formation des clusters

Localisation absolue (GPS), ou relative (voisinage)

• Data aggregation

Redondance des mesures

Réduire la quantité des données acheminées

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Stratégie de routage

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Al-Karaki, J.N. Kamal, A.E., "Routing techniques in wireless sensor networks: a survey" ,IEEE Wireless Communications, issue 6, pp. 6-28, Dec. 2004

Stratégie de routage

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Al-Karaki, J.N. Kamal, A.E., "Routing techniques in wireless sensor networks: a survey" ,IEEE Wireless Communications, issue 6, pp. 6-28, Dec. 2004

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Agrégation de donnéesComment économiser l’énergie?

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Agrégation de donnéesComment économiser l’énergie?

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WSN Vs Ad hoc

Ad-hocCapteurs

4. Notion d’ID4. Très grand nombre de nœuds n’ayant pas tous une ID

3. Flot « Any-to-any »3. Flot de données « Many-to-one »

2. Chaque nœud a son propre objectif2. Nœuds collaborent pour remplir un objectif

1. Générique / communication1. Objectif ciblé

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6. Communication point à point6. Utilisation du broadcast

5. Débit est majeur5. Energie est un facteur déterminant

pas tous une ID