Réseaux de capteurs sans Fil

Introduction

« Hier, on cantonnait les capteurs au simple rôle de détecteur : température, fumée, intrusion... On leur demande maintenant de relever plusieurs informations, de communiquer entre eux, et même d'analyser leurs données ! »

Pierre Maslo, le 01/04/2006

Introduction

Réseau de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network : WSN) un ensemble de capteurs, variant de quelques dizaines à plusieurs milliers,

dont l'objectif est de surveiller certains phénomènes

Collaboration

Auto-organisation

Capteur: un composant qui collecte un ensemble de paramètres physiques (température, pression, humidité, etc.) de l'environnement qui l’entour

Caractéristiques d’un capteur d’un réseau de capteurs Petite taille

Capacité de traitement

Capacité de communication « sans fil »

Capacité énergétique limitée

Grand nombre

Auto-organisation

Tolérance aux pannes

Architecture d'un capteur

Quatre unités principales

Unité de capture

Unité de traitement

Unité de communication

Unité d’énergie

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Il peut contenir également, suivant le domaine d’application, des modules supplémentaires tels qu’un système de localisation (GPS), un système générateur d’énergie (des cellules solaires), ou bien un système mobilisateur chargé de déplacer le capteur en cas de nécessité

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Unité de capture (Sensing unit) : composée de deux sous unités, un dispositif de capture physique qui prélève l’information de l’environnement local et un convertisseur analogique/numérique appelé ADC (Analog to Digital Converter)

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Unité de traitement (Processing unit) : c’est la base du calcul binaire. Elle est généralement associée à une petite unité de stockage. L’unité de traitement gère aussi les procédures qui permettent de faire collaborer le nœud avec les autres nœuds du réseau. Elle peut aussi analyser les données captées pour alléger la tâche du nœud Sink

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Unité de communication (Transceiver unit) : composée d’un émetteur/récepteur (module radio) permettant la communication entre les différents nœuds du réseau

Architecture générale et caractéristiques d'un capteur

Unité d’énergie (Power unit) : c’est la batterie qui est de petite taille, de durée de vie limitée, et irremplaçable dans la plus part des applications. Les unités d’énergie peuvent être soutenues par une unité de récupération d’énergie telle que les cellules solaires qui permettent de convertir l’énergie lumineuse en courant électrique. La capacité d’énergie limitée des capteurs représente la contrainte principale de ce type de réseaux

Réseaux de capteurs sans fil (WSNs)

Un réseau de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks : WSN) est un ensemble capteurs (motes) variant de quelques dizaines à plusieurs milliers et organisés en champs (sensor field)

Chacun de ces nœuds collecte un ensemble de paramètres physiques (température, pression, humidité, etc.) de l'environnement qui les entourent et les transmet vers un point de collecte de données appelé station de base ou « Sink »

La station de base transmet ensuite les données via Internet ou par satellite à l’utilisateur final pour les analyser et prendre des décisions

La station de base peut être utilisée comme une passerelle afin de transmettre des requêtes au réseau

Architecture des réseaux de capteurs sans fil (WSNs)

Caractéristiques des WSNs Bande passante limitée

Faible mobilité des nœuds

Grand nombre de nœuds (plusieurs milliers)

Flux d’information asymétrique

Communication « Many to one » (communication à destination de la station de base) au lieu de la règle « Many to Many » utilisée dans les réseaux ad-hoc (figure précédente)

Zone de couverture réduite et les nœuds doivent être proches les uns des autres

Densité locale élevée

Consommation électrique faible

Auto configuration/organisation

Les nœuds capteurs sont sujets à des défaillances

dans la plupart des applications les nœuds capteurs travaillent dans un environnement difficile et sans surveillance

Topologie dynamique (change souvent notamment à cause des pannées)

Nœuds (capteurs) limités en énergie, en puissance de calcul et en mémoire

Les nœuds capteurs peuvent ne pas avoir d'identification globale (ID) tel que l’adresse IP, en raison de leur nombre

Plus de communication en broadcast, moins d’unicast

Facteurs influençant la conception des WSNs

La tolérance aux fautes

Facteur d’échelle

Contraintes matérielles

Topologie de réseau

L’environnement

Coût de production

L’énergie

Architecture protocolaire d’un réseau de capteurs

Architecture protocolaire d’un réseau de capteurs

Plan de l’énergie : gère et contrôle l’énergie du capteur

éteindre son récepteur après la réception d'un message de l'un de ses voisins afin d’éviter la duplication des messages déjà reçus

si le niveau d'énergie devient bas, le nœud diffuse à ses voisins une alerte les informant qu'il ne peut pas participer au routage

l'énergie restante est réservée au captage

Plan de gestion de la mobilité : détecte et enregistre les mouvements du nœud capteur. Ainsi, un retour des informations de localisation vers l'utilisateur est toujours maintenu dont le nœud peut aussi fournir une trace des nœuds voisins. En déterminant leurs voisins, les nœuds capteurs peuvent optimiser l'utilisation de leur énergie et la réalisation de tâche

Plan de gestion des tâches : balance et ordonnance les différentes tâches de captage de données dans une région spécifique. Il n'est pas nécessaire que tous les nœuds de cette région effectuent la tâche de captage en même temps ; certains nœuds exécutent cette tâche plus que d'autres selon leur niveau de batterie

Critères de performances

Tolérance aux pannes

Faible consommation d'énergie

Connectivité de réseaux très denses

Autonomes : auto-organisation, auto-configuration, ...

Applications Domaines d’applications

Militaire, environnement, santé, domotique, exploration spatiale, Traitement chimique, volcans, mines, catastrophe et désastres, ...

Types de capteurs :

Sismiques, échantillonnage magnétique, thermique, visuel, infrarouge, acoustique, Radar, ...

Tâches de capteurs :

Température, humidité, circulation (mouvement) de véhicules, conditions de foudre, niveaux de bruit, présence ou absence de certains types d'objets, caractéristiques actuelles (Vitesse, direction, taille) d'un objet ...

Applications militaires

Surveillance du champs de bataille

Surveillance des équipements

Munitions et forces amis

Reconnaissance des forces ennemis

Détection et reconnaissance des attaques nucléaires,

biologiques ou chimiques, ...

Estimation des dommages

Surveillance des équipements et des munitions

Applications Environnementales Forêts : des milliers de nœuds capteurs peuvent être déployés

aléatoirement ou stratégiquement, et par un travail collaboratif, les nœuds capteurs sont capables de détecter et relayer l’origine du feu à l’utilisateur avant sa propagation

Détection d'inondation : un exemple de détection d'inondation est le système d'alerte déployé aux Etats-Unis où plusieurs types de capteurs (capteurs de précipitations, capteurs de niveau d'eau et capteurs météorologiques) fournissent des informations à une base de données centralisée

Agriculture : les capteurs peuvent être incorporés dans la terre pour déterminer par exemple les secteurs les plus secs afin de les arroser en priorité

Autres applications : suivi des mouvements des oiseaux, les petits animaux, les insectes, surveillance de l'environnement, la surveillance de l'environnement marin, l'atmosphère, etc

Applications Environnementales

Applications dans la santé Exemples:

Télésurveillance du comportement des personnes fragilisées soit en étant déployés directement au sein de l’environnement de vie des individus soit en étant embarqués sur le patient.

Le patient porte des capteurs (de fréquence cardiaque, de détection de la pression artérielle, de chute, etc.) qui permettent de remonter aux données physiologiques. Les données recueillies par les capteurs sont envoyées à une station de contrôle.

D’autres applications concernent la surveillance et le suivi des médecins et des patients à l'intérieur des hôpitaux en portant des capteurs permettant de les localiser.

Applications à domicile Exemples

Les capteurs et les actionneurs peuvent être embarqués sur des appareils électroménagers, tels que les aspirateurs, micro-ondes, fours, réfrigérateurs, etc

Ces capteurs peuvent interagir les uns avec les autres et envoyer les données collectées vers des réseaux externes par l'intermédiaire de l’Internet ou par satellite

Ils permettent aux utilisateurs finaux de gérer localement et à distance leurs équipements plus facilement

Applications dans d’autres secteurs commerciaux

Les WSNs peuvent également être utilisés pour :

La surveillance du matériel

La gestion des stocks

Le suivi des produits

Le contrôle de l’environnement dans les bâtiments et bureaux

Le transport

Le contrôle local des actionneurs

La détection et le suivi de vols de voitures

Le suivi des véhicules

...

La consommation d'énergie dans les WSNs

Trois domaines : communication, capture, traitement

L’énergie de capture : concerne l’échantillonnage, le traitement de signal, la conversion analogique/numérique et l’activation de la sonde de capture

Energie de Traitement : concerne l’énergie de traitement de données et l’énergie de fuite. Cette dernière correspond à l’énergie consommée lorsque l’unité de calcul n’effectue aucun traitement

Energie de Communication (émission et réception) : représente la portion la plus grande de l’énergie consommée, elle est déterminée par la quantité des données à communiquer et la distance de transmission, ainsi que par les propriétés physiques du module radio. L’émission d’un signal est caractérisée par sa puissance. Quand la puissance d’émission est élevée, le signal aura une grande portée et l’énergie consommée sera plus élevée.

La consommation d'énergie dans les WSNs

Sources de surconsommation d'énergie Etat du module radio

Actif : la radio est allumée, mais elle n’est pas employée. En d’autres termes, le nœud capteur n’est ni entrain de recevoir ni de transmettre. Cet état provoque une perte de l’énergie suite à l’écoute inutile du canal de transmission.

Sommeil : la radio est mise hors tension.

Emission : la radio transmet un paquet.

Réception : la radio reçoit un paquet

Accès au medium de transmission

La Retransmission

L’écoute active (idle listening) -- écoute à vide

La sur-écoute (overhearing) -- écoute abusive

La surcharge (overhead) des paquets de contrôle

La surémission (overemitting) --le destinataire n'est pas prêt à recevoir)

La taille des paquets

La consommation d'énergie dans les WSNs

Sources de surconsommation d'énergie (suite)

Modèle de propagation radio

Le modèle de propagation représente une estimation de la puissance moyenne reçue du signal radio à une distance donnée d’un émetteur. La propagation du signal radio est généralement soumise à différents phénomènes : la réflexion, la diffraction et la dispersion par divers objets

Routage des données

Le routage dans les RCSF est un routage multi-sauts. L’acheminement des paquets d’une source donnée à une destination se fait à travers plusieurs nœuds intermédiaires. Ainsi, un nœud consomme de l’énergie soit pour transmettre ces données soit pour relayer les données des autres nœuds. Dans ce contexte, une mauvaise politique de routage peut avoir des conséquences graves sur la durée de vie du réseau

IEEE 802.15.4/ZigBee