Système d'exploitation pour capteur en réseau

Les systèmes d’exploitation pour réseau de capteurs sans fil (notés également WSN^{[note 1]}) sont des interfaces informatiques spécifiques, destinées au fonctionnement de capteurs en réseau. Un capteur en réseau (aussi appelé mote en anglais) est un ensemble d’éléments électroniques de taille réduite, composé essentiellement d'un microcontrôleur, d’une batterie et d'une antenne. Le fonctionnement d'un capteur repose sur 3 fonctions : capter une donnée, la traiter et renvoyer une information relative à la donnée au gestionnaire du réseau. Ce type de réseau est destiné à recueillir des données dans de nombreux domaines : militaire, sécurité, environnement, médical, commercial. Selon l’utilisation du réseau de capteur, les performances de durée de vie, de routage de couverture radio, ou de cicatrisation doivent être privilégiées. La consommation énergétique et la taille de la mémoire (RAM^{[note 2]}) sont les principales contraintes d’un capteur sans fil. Par conséquent, le système d’exploitation des capteurs doit être optimisé pour répondre à ces contraintes. De nombreux systèmes d'exploitation spécialisés existent, parmi lesquels : Contiki^[1], ERIKA Enterprise^[2], Nano-RK^[3], SOS^[4], TinyOS^[5], MantisOS^[6], Senses^[7], Cormos^[8], LiteOS^[9], NanoQplus^[10].

Plusieurs conférences scientifiques internationales traitent spécifiquement des capteurs sans fils : IEEE Sensors Council^[11], IPSN^[12], EWSN^[13], SENSORCOMM^[14], ISSNIP^[15], SenSys^[16], etc.

Rôle du système

Un système d’exploitation est typiquement composé :

• d’un noyau ;
• de bibliothèques ;
• d’un ensemble d’outils système ;
• de programmes applicatifs de base.

Il fait le lien entre le matériel et les logiciels applicatifs.

Le rôle d'un système d'exploitation pour réseaux de capteurs sans fil (WSN) diffère d'un système d'exploitation traditionnel pour PC en raison des contraintes spécifiques lié à l'architecture matériel des capteurs. Un réseaux de capteurs comportant typiquement plusieurs centaines ou milliers de nœuds. Ces noeuds, les capteurs, sont considérés essentiellement comme jetables et redondants, c’est-à-dire que la mort ou la défaillance de l’un d’entre eux ne doit pas appeler systématiquement à son remplacement. De plus, ces nœuds, physiquement dispersés dans l’espace, sont en nombre tel qu’il n’est pas facile ou possible de les recharger périodiquement. Les nœuds disposant initialement d’une réserve d’énergie finie (batterie) meurent lorsque cette énergie est épuisée. Autres contraintes: la puissance de calcul, l'espace mémoire et la capacité de stockage des données des noeuds sont réduits. Un nœud est composé d'un micro-contrôleur, d'une source d'alimentation, d'un émetteur-récepteur radio, de mémoire externe, et d'un capteur. L'ensemble des nœuds forment collectivement un réseau de capteurs sans fil, capable de communiquer les uns avec les autres.

La fonctionnalité de base d'un système d'exploitation est de cacher les détails de bas niveau du nœud en fournissant une interface pratique et efficace. La gestion du processeur, de la mémoire, l'ordonnancement des taches, le multi-threading et le multitâche sont des services de base devant être fournis par un tel système d'exploitation pour capteur.^[17] : la capacité de modifier individuellement le code présent sur chaque noeud après le déploiement et l’initialisation du réseau. Ceci permet de faire des mises à jour incrémentales du système et d’ajouter de nouveaux modules logiciels après le déploiement du réseau.

L’allocation dynamique de la mémoire, aussi bien pour le noyau que pour les modules applicatifs. Dans un réseau de capteurs, au niveau matériel, la radio est la partie qui consomme le plus d’énergie. Cependant, la consommation du microcontrôleur reste assez conséquente, surtout si le volume de données échangées sur le réseau est important. Il est donc important que le système d'exploitation puisse gérer cette consommation.^[18]

Principes architecturaux

Classification des systèmes d'exploitation pour capteurs ^[19]

Historique

Origine

La première normalisation des interfaces date de 1993^[21]. NIST (National Institute of Standards and Technology) publie la norme IEEE P1451 qui décrit la standardisation de l’interface d’un capteur intelligent (smart transducer interface). La norme P1451.5 précise l’interface pour un capteur intelligent sans fil^[22]. La norme P1451.6 inclut CANopen (à préciser)

Évolution

Contraintes et performances

^[23]

Limitation des ressources

les capteurs se caractérisent par une limitation de ressources^[24] en termes de calcul, de stockage et d’autonomie d’énergie. La contrainte énergie dans ce type de réseaux étant très forte, puisque l’on considère généralement qu’il est difficile voire impossible de recharger les batteries des capteurs (capteurs déployés dans des zones hostiles et inaccessibles). L’ordonnancement d’activité et l’auto-organisation sont considérés comme des solutions de premier choix, dans le but d’éteindre l’équipement radio de certains capteurs et permettre seulement aux capteurs disposant de plus d’énergie de transmettre les données captées à la station de base.

Batterie

Aspect Énergétique

Routage : concevoir un protocole de routage performant en termes de minimisation de la consommation de l’énergie, du choix des routes optimales pour l’acheminement de l’information d’un capteur à la station de base et vice versa, de réduction du délai de délivrance des paquets...Ainsi le réseau doit passer à l’échelle sans que ses performances se dégradent. Couche MAC : la spécificité des réseaux de capteurs sans fil mobiles nécessite le développement de nouveaux protocoles MAC qui s’adaptent aux contraintes imposées par ces réseaux. Ceci dans le but d’améliorer le débit, minimiser la consommation d’énergie, optimiser le partage du médium ainsi que minimiser le délai de délivrance des paquets.

Protocole et Algorithme

Avantages & Inconvénients

Enjeux

Économiques

Technologique

Scientifique

Applications

FireFly^[25]

Principaux acteurs

Notes et références

Notes

Références

Bibliographie

Articles scientifiques

• Edsger Dijkstra, « The structure of the 'THE'-multiprogramming system », dans Communications of the ACM, vol. 11, n^o 5, 1968, p. 341–346 [lien DOI] 

• (en) Adi Mallikarjuna, Reddy V Avu, Phani Kumar, D Janakiram et G Ashok Kumar, « Operating Systems for Wireless Sensor Networks: A Survey Technical Report », dans Distributed and Object Systems Lab Department of Computer Science and Engineering Indian Institute of Technology Madras, Chennai, India - 600036, mai 2007 [texte intégral] 

• (en) Wei Dong, Chun Chen, Xue Liu et Jiajun Bu, « Providing OS Support for Wireless Sensor Networks: Challenges and Approaches », dans IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, VOL. 12, NO. 4, FOURTH QUARTER 2010, mai 2010, p. 519 - 530 [texte intégral, lien DOI] 

• (en) Jialiang Wang, Hai Zhao, Peng Li, Zheng Liu, Jie Zhao et Wei Gao, « The Mechanism and Performance Comparison of Two Wireless Sensor Network Operating System Kernels », dans Information Technology: New Generations, 2009. ITNG '09. Sixth International Conference on, avril 2009, p. 1442 - 1446 [texte intégral] 

• (en) Kim Nakyoung, Choi Sukwon et Hojung Cha, « Automated sensor-specific power management for wireless sensor networks », dans Mobile Ad Hoc and Sensor Systems, 2008. MASS 2008. 5th IEEE International Conference on, octobre 2008, p. 305 - 314 [texte intégral] 

• (en) Seungmin Park, Jin Won Kim, Kwangyong Lee, Kee-Young Shin et Daeyoung Kim, « Embedded sensor networked operating system », dans Object and Component-Oriented Real-Time Distributed Computing, 2006. ISORC 2006. Ninth IEEE International Symposium on, mai 2006, p. 305-314 (ISBN 0-7695-2561-X) [lien DOI] 

• (en) Kim Nakyoung, Choi Sukwon et Hojung Cha, « Automated sensor-specific power management for wireless sensor networks », dans Mobile Ad Hoc and Sensor Systems, 2008. MASS 2008. 5th IEEE International Conference on, octobre 2008, p. 305 - 314 [texte intégral] 

• (en) Anand Eswaran, Anthony Rowe et Raj Rajkumar, « Nano-RK: an Energy-aware Resource-centric RTOS for Sensor Networks », dans Real-Time and Multimedia Systems Lab. Electrical and Computer Engineering Department, {aeswaran,agr,raj}@ece.cmu.edu. School of Computer Science Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, USA, novembre 2009 [texte intégral] 

• (en) Anthony Rowe, Rahul Mangharam et Raj Rajkumar, « FireFly: A Time Synchronized Real-Time Sensor Networking Platform. », dans Department of Electrical and Computer Engineering Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, USA {agr, rahulm, raj}ece.cmu.edu, août 2007 [texte intégral] 

• (en) Kang Lee, « IEEE P1451 Draft Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators », dans IEEE, septembre 1993 [texte intégral] 

• (en) Kang Lee, « Brief Description of the Family of IEEE 1451 Standards », dans IEEE, septembre 2009 [texte intégral] 

Thèses

• Rahul Mangharam Barrère, , 2009, 30-35 p. 

Liens externes

• (en) Le site la conférence IEEE Sensors Council

• (en) Le site la conférence EWSN
• (en) Le site la conférence SENSORCOMM
• (en) Le site la conférence ISSNIP
• (en) Le site de la conférence SenSys
• (en) Le site de TinyOS
• (en) Le site de Contiki
• (en) Introduction sur ERIKA Enterprise
• (en) Le site de LiteOS
• (en) Le site de SimpleOS
• (en) Le site de Nano-RK
• (en) Le site de NanoQplus
• (en) Le site de MantisOS
• (en) FORTH Institute of Computer Science
• (en) SENSES (Software Environment for Networks of Sensors and Embedded Systems)
• (fr) L’institut de recherche en sciences et technologies pour l'environnement
• (en) National Institute of Standards and Technology

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