Technologies des réseaux de capteurs sans-fil

De nouveaux réseaux de capteurs sont apparus dans les années 1990, notamment dans les domaines de l'environnement et de l'industrie, permis par les récents progrès du domaine des techniques sans-fil (wireless).

Jusque dans les années 1990, hormis pour quelques balises radio, pour acheminer les données d'un capteur au contrôleur central il fallait un câblage coûteux et encombrant. Aujourd’hui, grâce aux récents progrès des techniques sans-fil, de nouveaux produits exploitant des réseaux de capteurs sans-fil (Wireless Sensor Network) sont employés pour récupérer ces données environnementales. En plus de ces applications civiles, il existe évidemment des applications militaires aux réseaux de capteurs (détection d'intrusions, localisation de combattants, véhicules, armes, etc. sur un champ de bataille, sous l'eau, dans l'espace, dans le sol...)
Les progrès conjoints de la microélectronique, microtechnique, des technologies de transmission sans fil et des applications logicielles ont permis de produire à coût raisonnable des micro-capteurs de quelques millimètres cubes de volume, susceptibles de fonctionner en réseaux. Il intègrent :

• une unité de captage chargée de capter des grandeurs physiques (chaleur, humidité, vibrations, rayonnement...) et de les transformer en grandeurs numériques,
• une unité de traitement informatique et de stockage de données et un module de transmission sans fil (wireless).

Ces micro-capteurs sont donc de véritables systèmes embarqués. Le déploiement de plusieurs d'entre eux, en vue de collecter et transmettre des données environnementales vers un ou plusieurs points de collecte, d'une manière autonome, forme un réseau de capteurs sans fil (Wireless Sensor Networks ou WSN pour les anglosaxons).

Sommaire 1 Enjeux 2 Principes généraux 3 Applications 3.1 Applications militaires 3.2 Applications à la sécurité 3.3 Applications environnementales 3.4 Applications médicales et vétérinaire 3.5 Applications commerciales 4 Plates-formes 4.1 Matérielles 4.2 Logiciels 5 Architecture d'un micro-capteur 5.1 L'unité de captage 5.2 L'unité de traitement 5.3 L'unité de transmission 5.4 L'unité de contrôle d'énergie 6 Architectures Réseau de capteurs 6.1 La Topologie en étoile 6.2 La topologie « en toile » ou « en grille » (Mesh Network) 6.3 La topologie hybride 6.4 Articles connexes 6.5 Liens externes 6.6 Bibliographie 6.7 Notes et références

Enjeux

Pour le magazine Technology Review du MIT, le réseau de capteurs sans fil est l'une des dix nouvelles technologies qui bouleverseront le monde et notre manière de vivre et de travailler. Il répond à l'émergence ces dernières décennies, de l'offre et d'un besoin accru d'observation et de contrôler des phénomènes physiques et biologiques dans différents domaines ;

• industriels, techniques et scientifique (monitoring de la température, la pression, l'hygrométrie, la luminosité...).
• écologie et environnement (surveillance des UV, de la radioactivité, de polluants tels que les HAP, les métaux lourds, ou de l'ozone ou du le NO₂ ou encore le CO₂ et d'autres gaz à effet de serre
• santé (suivi des malades, veille éco-épidémiologique et épidémiologique,
• sécurité,
• transports (automatisations diverses, prévention des accidents...),
• l'automatisation des bâtiments domotique,
• etc)

Cette technologie soulève aussi des enjeux éthiques et moraux, car elle permet potentiellement une surveillance presque totale des individus et groupes, éventuellement à leur insu.

Principes généraux

Les réseaux de capteurs sans fil sont un réseaux ad hoc dont les nœuds sont un grand nombre de micro-capteurs capables de récolter et de transmettre des données environnementales d'une manière autonome. La position de ces nœuds n'est pas obligatoirement prédéterminée. Ils peuvent être aléatoirement dispersés dans une zone géographique, appelée « champ de captage » correspondant au terrain d'intérêt pour le phénomène capté.
Les données captées sont acheminées grâce à un routage multi-saut à un nœud considéré comme un "point de collecte", appelé nœud-puits (ou sink). Ce dernier peut être connecté à l'utilisateur du réseau (via Internet, un satellite ou un autre système).
L'usager peut adresser des requêtes aux autres nœuds du réseau, précisant le type de données requises et récolter les données environnementales captées par le biais du nœud puits.

Applications

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 support de communication sans fil, ont élargi le champ d'application des réseaux de capteurs. Ils s'insèrent notamment dans d'autres systèmes tels que le contrôle et l'automatisation des chaînes de montage. Ils permettent de collecter et de traiter des informations complexes provenant de l'environnement (météorologie, étude des courants, de l'acidification des océans, de la dispersion de polluants, de propagules, etc.

Certains prospectivistes pensent que les réseaux de capteurs pourraient révolutionner la manière même de comprendre et de construire les systèmes physiques complexes,notamment dans les domaines militaire, environnemental, domestique, sanitaire, de la sécurité, etc.

Applications militaires

Comme dans le cas de plusieurs technologies, le domaine militaire a été un moteur initial pour le développement des réseaux de capteurs. Le déploiement rapide, le coût réduit, l'auto-organisation et la tolérance aux pannes des réseaux de capteurs sont des caractéristiques qui rendent ce type de réseaux un outil appréciable dans un tel domaine.
Un réseau de capteurs déployé sur un secteur stratégique ou difficile d'accès, permet par exemple d'y surveiller tous les mouvements (amis ou ennemis), ou d'analyser le terrain avant d'y envoyer des troupes (détection d'agents chimiques, biologiques ou de radiations). Des tests concluants auraient déjà été réalisés par l'armée américaine dans le désert de Californie.

Applications à la sécurité

Les structures d'avions, navires, automobiles, métros, etc pourraient être suivies en temps réel par des réseaux de capteurs, de même que les réseaux de circulation ou de distribution de l'énergie. Les altérations de structure d'un bâtiment, d'une route, d'un quai, d'une voie ferrée, d'un pont ou d'un barrage hydroélectrique (suite à un séisme ou au vieillissement) pourraient être détectées par des capteurs préalablement intégrés dans les murs ou dans le béton, sans alimentation électrique ni connexions filaires. Certains capteurs ne s'activant que périodiquement peuvent fonctionner durant des années, voire des décennies. Un réseau de capteurs de mouvements peut constituer un système d'alarme distribué qui servira à détecter les intrusions sur un large secteur. Déconnecter le système ne serait plus aussi simple, puisqu'il n'existe pas de point critique. La surveillance de routes ou voies ferrées pour prévenir des accidents avec des animaux (roadkill) ou des êtres humains ou entre plusieurs véhicules est une des applications envisagées des réseaux de capteurs.

Selon leurs promoteurs, ces réseaux de capteurs pourraient diminuer certaines failles de systèmes de sécurité et mécanismes de sécurisation, tout en diminuant leur coût. D'autres craignent aussi des dérives sécuritaires ou totalitaires si l'usage de ces réseaux n'est pas assujetti à des garanties éthiques sérieuses.

Applications environnementales

Des thermo-capteurs peuvent être dispersés à partir d'avions, ballons, navires et signaler d'éventuels problèmes environnementaux dans le champ de captage (incendie, pollution, épidémies, aléa météorologique...) permettant d'améliorer la connaissance de l'environnement et l'efficacité des moyens de lutte. Des capteurs pourraient être semés avec les graines par les agriculteurs afin de détecter le stress hydrique des plantes ou le taux de nutriment de l'eau du sol, pour optimiser les apports d'eau et de nutriments ou le drainage et l'irrigation. Sur les sites industriels, les centrales nucléaires ou dans les pétroliers, des capteurs peuvent être déployés en réseau pour détecter des fuites de produits toxiques (gaz, produits chimiques, éléments radioactifs, pétrole, etc.) et alerter les utilisateurs et secours plus rapidement, pour permettre une intervention efficace. Une grande quantité de micro-capteurs pourrait être déployée en forêt ou dans certaines aires protégées pour recueillir des informations sur l'état des habitats naturels et sur les comportements de la faune, de la flore et de la fonge (déplacements, activité, état de santé..). L'université de Pise (Italie) a ainsi réalisé des réseaux de capteurs pour le contrôle de parcs naturels (feux, animaux,..). Des capteurs avalés par les animaux ou placés sous leur peau sont déjà parfois utilisés). Il devient ainsi possible "d'observer la biodivesité", sans déranger, des espèces animales vulnérables au dérangement ou difficiles à étudier dans leur environnement naturel, et de proposer des solutions plus efficaces pour la conservation de la faune.

Les éventuelles conséquences de la dispersion en masse des micro-capteurs dans l'environnement ont soulevé plusieurs inquiétudes. En effet, ceux-ci sont généralement doté d'une micro-batterie contenant des métaux nocifs. Néanmoins, le déploiement d'un million de capteurs de 1 millimètre cube chacun ne représente qu'un volume total d'un litre. Même si tout ce volume était constitué de batteries, cela n'aurait pas des répercussions désastreuses sur l'environnement.

Applications médicales et vétérinaire

La surveillance des fonctions vitales d'un organisme vivant pourrait à l'avenir être facilitée par des micro-capteurs avalés ou implantés sous la peau. Des gellules multi-capteurs ou des micro-caméras pouvant être avalées existent déjà, pouvant sans recours à la chirurgie, transmettre des images de l'intérieur d'un corps humain (avec une autonomie de 24 heures). Une récente étude présentent des capteurs fonctionnant dans le corps humain, qui pourraient traiter certaines maladies. Un projet est de créer une rétine artificielle composée de 100 micro-capteurs pour corriger la vue. D'autres ambitieuses applications biomédicales sont aussi présentées, tel que : la surveillance de la glycémie, la surveillance des organes vitaux ou la détection précoce de cancers. Des réseaux de capteurs permettraient théoriquement une surveillance permanente des patients et une possibilité de collecter des informations physiologiques de meilleure qualité, facilitant ainsi le diagnostic de quelques maladies.

Applications commerciales

Des nœuds capteurs pourraient améliorer le processus de stockage et de livraison (pour garantir la chaine du froid en particulier). Le réseau ainsi formé, pourra être utilisé pour connaître la position, l'état et la direction d'un paquet ou d'une cargaison. Un client attendant un paquet peut alors avoir un avis de livraison en temps réel et connaître la position du paquet. Des entreprises manufacturières, via des réseaux de capteurs pourraient suivre le procédé de production à partir des matières premières jusqu'au produit final livré. Grâce aux réseaux de capteurs, les entreprises pourraient offrir une meilleure qualité de service tout en réduisant leurs coûts. Les produits en fin de vie pourraient être mieux démontés et recyclés ou réutilisés si les microcapteurs en garantissent le bon état. Dans les immeubles, le système domotique de chauffage et climatisation, d'éclairage ou de distribution d'eau pourrait optimiser son efficience grâce à des micro-capteurs présents dans des tuiles aux plancher en passant par les murs, huisseries et meubles. Les systèmes ne fonctionneraient que là où il faut, quand il faut et à la juste mesure. Utilisée à grande échelle, une telle application permettrait de réduire la demande mondiale en énergie et indirectement les émissions de gaz à effet de serre. Rien qu'aux États-Unis, cette économie est estimée à 55 milliards de dollars par an, avec une diminution de 35 millions de tonnes des émissions de carbone dans l'air.
Le monde économique pourrait ainsi diminuer ses impacts environnementaux sur le climat.

Plates-formes

Parmi les standards les plus aptes à être exploités dans les réseaux de capteurs sans-fil se retrouvent la double pile protocolaire Bluetooth / Zigbee.

• La Bluetooth, dont Ericsson a initié le projet en 1994, a été standardisé sous la norme IEEE 802.4.15 et a comme but la création et le maintien de réseaux à portée personnelle, PAN (Personal Area Network). Un tel réseau est utilisé pour le transfert de données à bas débit à faible distance entre appareils compatibles. Malheureusement, le grand défaut de cette technique est sa trop grande consommation d'énergie et ne peut donc pas être utilisée par des capteurs qui sont alimentés par une batterie et qui idéalement devraient fonctionner durant plusieurs années.
• Le ZigBee combiné avec IEEE 802.15.4 offre des caractéristiques répondeant encore mieux aux besoins des réseaux de capteurs en termes d’économies d’énergie. ZigBee offre des débits de données moindres, mais il consomme également nettement moins que Bluetooth. Un faible débit de données n'handicape pas pour un réseau de capteurs où les fréquences de transmission sont faibles.

Les constructeurs tendent à employer des « techniques propriétaires » ayant l'avantage d'être spécifiquement optimisées pour une utilisation précise, mais avec l'inconvénient de ne pas être compatibles entre elles.

Matérielles

De nouvelles techniques influenceront l'avenir des réseaux de capteurs. par exemple, UWB (Ultra Wide Band) est une technique de transmission permettant des consommations extrêmement basses grâce à sa simplicité matérielle. De plus, l'atténuation du signal engendré par des obstacles est moindre qu'avec les systèmes radio à bande étroite conventionnels.

Logiciels

Le domaine des capteurs sans fil semble promis à un grand essor. De nombreux nouveaux produits logiciels sont attendus, y compris dans le domaine de l'open-source avec par exemple TinyOS développé à l'Université de Berkeley ; un système d'exploitation "open source" conçu pour les capteurs embarqués sans-fil qui est déjà utilisé (en 2009) par plus de 500 universités et centres de recherche dans le monde. La réalisation de programmes sur cette plateforme s'effectue exclusivement en NesC (dialecte du C). Cet OS a notamment pour particularité une taille extrêmement réduite en termes de mémoire (quelques kilo-octets).

Architecture d'un micro-capteur

Un « nœud capteur » contient quatre unités de base : l'unité de captage, l'unité de traitement, l'unité de transmission, et l'unité de contrôle d'énergie. Selon le domaine d'application, il peut aussi contenir des modules supplémentaires tels qu'un système de localisation (GPS), ou bien un système générateur d'énergie (cellule solaire). Quelques micro-capteurs, plus volumineux, sont dotés d'un système mobilisateur chargé de les déplacer en cas de nécessité.

L'unité de captage

Le capteur est généralement composée de deux sous-unités : le récepteur (reconnaissant l'analyte) et le transducteur (convertissant le signal du récepteur en signal électrique). Le capteur fournit des signaux analogiques, basés sur le phénomène observé, au convertisseur Analogique/Numérique. Ce dernier transforme ces signaux en un signal numérique compréhensible par l'unité de traitement.

L'unité de traitement

Elle comprend un processeur généralement associé à une petite unité de stockage. Elle fonctionne à l'aide d'un système d'exploitation spécialement conçu pour les micro-capteurs (TinyOS par exemple). Elle exécute les protocoles de communications 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 puits.

L'unité de transmission

Elle effectue toutes les émissions et réceptions des données sur un medium « sans-fil ». Elle peut être de type optique (comme dans les nœuds Smart Dust), ou de type radio-fréquence.

• Les communications de type optique sont robustes vis-à-vis des interférences électriques. Néanmoins, ne pouvant pas établir de liaisons à travers des obstacles, elles présentent l'inconvénient d'exiger une ligne de vue permanente entre les entités communicantes.
• Les unités de transmission de type radio-fréquence comprennent des circuits de modulation, démodulation, filtrage et multiplexage ; ceci implique une augmentation de la complexité et du coût de production du micro-capteur.

Concevoir des unités de transmission de type radio-fréquence avec une faible consommation d'énergie est un défi car pour qu'un nœud ait une portée de communication suffisamment grande, il est nécessaire d'utiliser un signal assez puissant et donc une énergie consommée importante. L'alternative consistant à utiliser de longues antennes n'est pas possible à cause de la taille réduite des micro-capteurs.

L'unité de contrôle d'énergie

Un micro-capteur est muni d'une ressource énergétique (généralement une batterie). Étant donné sa petite taille, cette ressource énergétique est limitée et généralement non-remplaçable. ceci fait souvent de l'énergie la ressource la plus précieuse d'un réseau de capteurs, car elle influe directement sur la durée de vie des micro-capteurs et donc du réseau entier.
L'unité de contrôle d'énergie constitue est donc un systèmes essentiel. Elle doit répartir l'énergie disponible aux autres modules, de manière optimale (par exemple en réduisant les dépenses inutiles et en mettant en veille les composants inactifs). Cette unité peut aussi gérer des systèmes de rechargement d'énergie à partir de l'environnement via des cellules photovoltaïque par exemple.

Architectures Réseau de capteurs

Il existe plusieurs topologies pour les réseaux à communication radio. Nous discutons ci-dessous des topologies applicables aux réseaux de capteurs.

La Topologie en étoile

Dans cette topologie une station de base envoie ou reçoit un message via un certaine nombre de nœuds. Ces nœuds peuvent seulement envoyer ou recevoir un message de l’unique station de base, il ne leur est pas permis de s’échanger des messages.
Avantage : simplicité et faible consommation d’énergie des nœuds, moindre latence de communication entre les nœuds et la station de base.
Inconvénient : la station de base est vulnérable, car tout le réseau est géré par un seul nœud

La topologie « en toile » ou « en grille » (Mesh Network)

Dans ce cas (dit « communication multi-sauts »), tout nœud peut échanger avec n'importe quel autre nœud du réseau (s'il est à portée de transmission). Un nœud voulant transmettre un message à un autre nœud hors de sa portée de transmission, peut utiliser un nœud intermédiaire pour envoyer son message au nœud destinataire.
Avantage : Possibilité de passer à l’échelle du réseau, avec redondance et tolérance aux fautes,
Avantage : Une consommation d’énergie plus importante est induite par la communication multi-sauts. Une latence est crée par le passage des messages des nœuds par plusieurs autres avant d’arriver à la station de base.

La topologie hybride

Une topologie hybride entre celle en étoile et en grille fournit des communications réseau robustes et diverses, en assurant la minimisation de la consommation d’énergie dans les réseaux de capteurs. Dans ce type de topologie, les nœuds capteur à faible puissance ne routent pas les messages, mais il y a d’autres nœuds qui ont la possibilité de faire le routage des messages. En général, ces nœuds ont une puissance élevée.

Articles connexes

Liens externes

• (fr) Exemple pratique d'utilisation pour la surveillance environnementale

Bibliographie

Notes et références

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